资源简介

(共25张PPT)
微项目 青蒿素分子的结构测定
——晶体在分子结构测定中的应用
青蒿素是从中药青蒿里
面提取的，它的主要作
用于治疗各种的疟疾,早
在公元321年 ,葛洪的
《肘后备急方》中就有用青蒿治疗疟疾的一个记载。药理研究显显它还有抗炎、抗肿瘤和调节免疫的作用,所以除了用于治疗各型的疟疾以外,它还可以用于抗肿瘤,治疗红斑狼疮,包括抗弓形虫和预防血吸虫病。
青蒿草
晒干的青蒿草
思考：青蒿素分子结构是怎样测定的呢？
1.了解测定分子结构的-般思路和方法,认识晶体对于分子结构测定的独特意义。
2.知道利用晶体X射线衍射能够测定原子坐标进而确定分子的空间结构，是测定分子结构的重要手段。
3.体会分子结构测定对于建立与优化物质结构理论模型，认识、理解和预测物质性质具有重要价值。
1.能说出科学家认识物质微观结构的基本思路和主要实验手段,及不同
实验手段为建立模型所提供的证据。(证据推理与模型认知)
2.体会现代实验手段在化学研究中的应用，认识借助实验获得证据进而
建立物质结构模型的过程。(科学探究与创新意识)
3.体会科学家探索物质微观结构并建立相关理论过程的艰辛,形成通过
科学研究促进社会发展、造福人类命运共同体的意识。(科学态度与社会责任)
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
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课
堂
我国科学家屠呦呦因成功提取青蒿素而获得2015年度诺贝尔生理学或医学奖。你知道青蒿素的组成与结构是如何测定的吗
在本项目活动中，你将了解青蒿素分子结构测定的历史，体会研究人员测定分子结构的般思路,以及了解如何利用晶体x射线行射确定分子的结构。
项目活动1 了解利用晶体测定分子结构的意义
分子具有一定的空间结构，分子的结构可以通过一定的实验方法来测定。测定分子结构的物理、化学方法有很多。那么，在测定青蒿素分子结构的过程中，都采用了哪些方法呢
我国研究人员从1973年初开始测定青蒿素的组成与结构。首先，研究人员利用高分辨质谱仪测定出青蒿素的相对分子质量为282.33。结合元素分析(元素百分比)，确定其分子式为C15H22O5。然后，研究人员经过一系列复杂的氧化还原反应实验，推测青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构。红外光谱实验结果表明，青蒿素分子中确实含有酯基和过氧基团。结合核磁共振谱图提供的关于碳、氢原子的种类和数量的信息，研究人员推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段。然而，单纯依靠这些研究方法还不能精确判断青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何种方式连接形成骨架。1975年，研究人员采用晶体X射线衍射的方法，确定了青蒿素的分子结构。
请结合上述信息，尝试回答下列问题。
1.在探究青蒿素分子组成和结构的过程中，科研人员使用了哪些测定方法 通过这些测定方法分别可以得到哪些关于分子组成和结构的信息
测定方法 获得的分子组成和结构的信息
质谱法
测得相对分子质量
红外光谱法
测得官能团
核磁共振谱
测得有机物分子中原子的种类和数目比
晶体X射线衍射
确定分子空间结构
2.测定青蒿素分子中各原子的空间排列方式时，科研人员遇到了什么困难 为什么用一般的测定方法无法精确地测定青蒿素的分子结构
通过上述讨论可以体会到，不论是常规的化学实验方法还是质谱、红外光谱等仪器测定的手段，都只能帮助我们认识分子的官能团等结构特点并借此推测分子的结构，但对于所含原子数较多的分子来说，难以对其空间结构进行精准判断。
3.假设一个实验样品尺寸的数量级为10-4 m、原子直径的数量级为10-10m,请估算这个实验样品中的原子数目，并结合晶体的结构特征说明借助晶体测定分子结构的独特意义。
拓展视野
目前，测定分子空间结构最普遍的方法是晶体的X射线衍射，利用数学和物理知识对衍射所得图像进行复杂处理，可以测定晶体的晶胞参数(用于描述晶胞大小和形状的数据)，推算得到晶胞中所有原子的坐标，从而计算出原子间的距离，判断哪些原子间存在化学键以及化学键的类型，确定分子的空间结构。
晶体与生物大分子结构数据库
1913年，英国科学家劳伦斯.布拉格首次利用X射线衍射法测定出氯化钠的晶体结构。此后，各类有代表性的无机物、有机化合物的晶体结构纷纷
被测定出，科学家积累了大量的结构数据。随着计算机功能不断强大，不仅采集衍射数据的过程可以自动完成，解析晶体结构过程中的各种复杂计算也可以自动完成。现在，多功能的晶体结构数据库逐步建立起来，为科学研究和各方面的应用提供了系统的结构信息。
现在比较知名、被广泛使用的晶体与生物大分子结构数据库有:剑桥结构数据库( CambridgeStructure Database; 简称CSD )、无 机化合物晶体结构数据库( Inorganic Crystal StructureDatabase,简称ICSD)、生物大分子数据库( Protein Data Bank,简称PDB )等。
拓展视野
通过x射线衍射可以确定每个原子的位置，但究竟是哪些原子通过化学键连接在一起 它们以什么类型的化学键连接 如何勾勒出一 个完整的分子结构呢
项目活动2 借助原子位置确定 空间结构
1.确定晶胞参数：
科学家测定青蒿素分子结构进行的基本思路：
借助青蒿素晶体X射线衍射的实验结果，依据晶体的周期性特征，通过复杂的数学处理得出，青蒿素晶体的晶胞是长方体，三条棱长分别是a=2.4077nm、b=0.9443nm、c=0.6356nm,棱的夹角都是90°，这些数据就是青蒿素晶体的晶胞参数。
2.识别原子位置：
进一步计算得到青蒿素晶胞中各处的电子云密度。因为原子核附近的电子云密度大，所以根据晶胞中电子云密度就能推断晶胞中原子的位置(坐标)。由于不同种类元素原子周围的电子云密度不同，可根据电子云密度的大小判断晶胞中原子的种类。
3.建立原子坐标：
以一个顶点为坐标原点，以a、b、c为坐标轴的单位建立坐标系，得到用(x, y,z)表示的碳、氧原子的原子坐标。x，y,z均为分数，表示该原子在晶胞中的相对位置。
动手实践：
请依据青高素晶体中碳、氧原子坐标(等比例放大到宏观大小的尺度由教师提供),利用泡沫板、泡沫球和毛衣针(或橡皮泥、竹签等其他的替代材料)，搭建出青蒿素分子中的碳、氧原子在三维空间中的位置。
4.确定分子骨架：
计算原子间的距离，并与前人在大量实验测定基础上总结出的常见化学键的键长(参见附录1)数据进行比较，推断哪些原子间可以形成化学键以及形成什么类型的共价键(单键、双键、三键)。
动手实践：
请确定青蒿素分子中碳、氧原子的连接关系及成键类型，并用竹签将成键原子连接起来，获得青蒿素的大致分子骨架。
提示:可以把用到的键长数据按照比例换算成所搭建的宏观模型的尺度，直尺测量泡沫球之间是否达到成键距离。
5.获得完整结构：
动手实践：
在确定了碳原子、氧原子的连接关系和成键类型后，借助碳原子和氧原
子的成键规律找出碳、氧原子连接氢原子的数目，进而借助碳、氧原子的空间结构特点及碳氢键的键长等，找到氢原子的位置(随着实验手段的发展，目前已经可以直接识别出氢原子的位置)。
请确定各碳、氧原子连接的氢原子的数目，并将相应数目的氢原子连接在所搭模型相应的原子上。
项目成果展示：
研究目标
确定分子空间结构
测定分子式
推测官能团
实验技术手段
化学实验法
质谱法
红外光谱
核磁共振谱
晶体X射线衍射
测定结构思路
1.确定晶胞参数
2.识别原子位置
3.建立原子坐标
4.确定分子骨架
5.获得完整结构
青蒿素分子结构的测定
测定方法
质谱法
红外光谱法
核磁共振谱
晶体X射线衍射
晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路
确定晶胞参数
识别原子位置
建立原子坐标
确定分子骨架
获得完整结构
1．我国女科学家屠呦呦发现青蒿素(青蒿素的化学式：C15H22O5)，它是一种用于治疗疟疾的药物，曾经挽救了数百万人的生命，2015年获得诺贝尔生理学或医学奖。下列关于青蒿素的叙述错误的是(　　)
A．青蒿素的一个分子中含有42个原子
B．青蒿素能够治疗疟疾可能与结构中存在过氧基团有关
C．青蒿素的摩尔质量为282
D．青蒿素中碳元素的质量分数约为63.8%
C
2．下列可用于判断某物质为晶体的方法是(　　)
A．质谱法　　　 B．红外光谱法
C．核磁共振法 D．X射线衍射法
D
3.南京理工大学团队成功合成了能在室温稳定存在的五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl，经X射线衍射测得晶体结构，其局部结构如图所示(其中 N5－的立体结构是平面五元环)。下列说法正确的是(　　)
A．所有N 原子的价电子层均有孤对电子
B．氮氮键的键能： N5－>H2N－NH2
C．两种阳离子是等电子体
D．阴阳离子之间只存在离子键
B
4.2015年10月5日，中国著名药学家屠呦呦获得诺贝尔奖生理学或医学奖，获奖理由是“因为发现青蒿素—一种用于治疗疟疾的药物，挽救了全球特别是发展中国家的数百万人的生命”。青蒿素是从植物黄花蒿茎叶中提取的，其结构简式如下图，下列说法不正确的是( )
A．它的分子式为C15H22O5
B．该分子中有6个手性碳原子
C．因其具有过氧基团，它不稳定，易受湿、热和还原性物质的影响而变质
D．它在常见有机溶剂中的溶解度大于在水中的溶解度
B
5.能够快速、微量、精确测定有机物相对分子质量的物理方法是（ ）
A．红外光谱 B．质谱法
C．核磁共振氢谱 D．色谱法
B

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