第 6章 碳的化学
一, 碳的存在形式
金刚石,sp3杂化
154.4pm
石墨的层状结构
335pm
142pm
sp2杂化
石墨的夹层化合物
C60 C70 碳黑的卷曲多层球
球烯
富勒烯 (Fullerens),86年的 Nobel 化学奖
合成, 直流电弧法,He 气氛中蒸发石墨棒,得到碳烟
甲苯萃取,高压液相色谱分离
1 4 5 pm
1 3 9 pm
C—C 154pm
C=C 134pm
sp2.28杂化
对 C60进行化学修饰，
生成与 Os的配合物：
[Os(O)4(py)2(C60)]
金属富勒烯包合物
（ EMF,endohedral metallofullerenes)
K3C60的 fcc(面心立方）晶体结构
多层碳纳米管
1,脂肪族,以四面体碳链为骨干
C
C
C
C
C
C C
CC
烷 sp3杂化,单键可旋转 (不同构象 )
烯 sp2杂化,双键不可旋转
炔 sp杂化,三键不可旋转
二, 有机化合物的主要类型和官能团
2,芳香族,以 C6H6为主体
芳香性, 共轭平面分子
N
苯 吡啶
醇 sp3 醛和酮 sp2 羧 酸 sp2
酯 sp2
胺 sp3
酰胺
sp3和 sp2
O
O
C
C C H 3
O
O H
阿司匹林 ( Aspirin,乙酰水杨酸）的分子结构
1、分子的对称性（点群）
1） 镜面 （反映操作）
2） 中心 （反演操作）
3） 旋转轴 （旋转操作） n 重轴
4） 反轴（旋转和反演）
三, 分子的对称性和旋光性质
C2轴
C3 轴
对称中心
镜面
四面体的对称操作
苯分子的对称性
2,旋光性
普通光 起偏器 平面偏振光 光活性物质 偏振光旋转
1848年,巴斯德发现酒石酸 HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH 有
左右旋光性
1870年,布特列洛夫发现乳酸 HOOC-CH(OH)-CH3有左右旋光性
1874年,范霍夫提出 C的四面体模型，解释了旋光性
不对称 碳原子
手性（ chirality)分子
3,分子旋光性的判据
C H 2 O H
C H O
CH O H O H
C H 2 O H
C H O
H C
C H O
C H 2 O H
H O H H
C H 2 O H
H O
C H O
D-甘油醛 L-甘油醛
甘油醛的两个对映体
甘油有无对映体？
H O H
C H
3
H
C O O H
C H
3
C O O H
H O
L ( + ),SD ( - ),R
C H
3
O H
H
C
H O O C
C
C O O H
H
O H
C H
3
H
原子序数从大到小
R,顺时针
S,逆时针
乳酸（ ?-羟基丙酸） 的对映体
C O O H
C O O H
H
H O H
H O
H O H
O H
C O O H
C O O H
H H
C O O H
C O O H
O H
H O H
2 R,3 R ( +) 2 S,3 S ( - ) 2 R,3 S
右旋酒石酸 左旋酒石酸 内消旋酒石酸
4,对映体的拆分和不对称合成
1）化学法
50% D-酸
50% L-酸
+ D-碱 ??
D-酸 -D-碱
L-酸 -D-碱 非对映体
肌肉中产生的乳酸 L型
蔗糖发酵的乳酸 D型
2）, 酶解法
V c的合成
D-葡萄糖 (还原 ) ?? L-山梨糖醇 (细菌作用 )?? L-山梨糖 (细菌作
用 ) ?? V c
例, 用丙酮酸合成乳酸
外消旋混合物
D
C H
3
C O C O O R *
r e d
C O O R *
C H
3
O H
D L
C H
3
C O
r e d
C O O H
O H
C H
3
C O O H
C H
3
C O O H
H O
+
R*的空间指导作用,D为主
重要降血压的药物：苯磺酸氨氯地平 (amlodipine)
类型,Calcium channel blockers
作用,reduce the amount of narrowing of the blood
vessels
商品名,Norvasc 络活喜（辉瑞制药），
成分,苯磺酸氨氯地平,剂量,5mg/天
商品名：兰迪 (扬子江药业集团，上海海尼制药）
成分,苯磺酸 消旋 氨氯地平,剂量, 5mg/天
商品名：施惠达（吉林省天风制药）
成分,苯磺酸 左旋 氨氯地平,剂量,2.5mg/天
Amlodipine的结构式为：
C l
N
C H 2 C H 2 C H 3
C H 2 O C H 2 C H 2 N H 2
H
S O 3 H
H 3 C
.H
3 C O 2 C
说明为什么该化合物有“左旋”和“消旋”之分？其中的不对称
碳原子是哪一个？
碳水化合物 (糖 )
脂肪
蛋白质
核酸
1,糖类
单糖 C6H12O6 葡萄糖
C5H10O5 核糖
C H 2 O H
O H
O H
O H
C H O
H O
1
2
3
4
5
6
葡萄糖的醛式结构
D-(+)葡萄糖
O
O H
O H
C H 2 O H
O H
四, 生物体内的基本物质及结构 (生物活性 )
C H O
C H 2 O H
C H O
C H 2O H
半乳糖
C H O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
D葡糖
链形
[?]D 52.7°
?-D-葡糖
[?]D 112°
?-D-葡糖
[?]D 18.7°
葡糖的变旋现象：比旋光度 [?]D的变化
O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
1
23
4
5
6
==
椅式 船式
?-D葡糖 ?-D葡糖
六元环的构象
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
淀粉
(?葡萄糖 )
纤维素
(?葡萄糖 )
多糖的结构
2,油脂
H O O C R
C H 2 O H
C H O H
C H 2 O H
3+
C H 2 O R
O
C
C H O C O R
C H 2 O C O R
甘油 羧酸 甘油三脂
作用, 提供热量
脂溶性维生素
R=14C~18C
3,氨基酸 (amino acid)和蛋白质 (protein)
H
CR
N H 2
C
O H
O
H
CR
N H 2
C
O H
O
+
H
CR
N H 2
C
N H
OH
C C
O H
O
H 2 N
H
C C
O H
O
R '
R '
C
N
H
C
O
C
?-氨基酸
二肽
肽键,?34
甘氨酸 (Gly) 亮氨酸 (Lue) 亮氨酸的残基
R,residual (氨基酸残基）
R= –CH2CH2COOH Glu(谷氨酸）
– (CH2)4NH2 Lys(赖氨酸）
20种标准氨基酸
L???氨基酸组成多肽,即 蛋白质,高度有序
100肽 (即 100个氨基酸 )中若有 L,D两种构型,
则可能的结构有 10100种 (?)
??螺旋 (角蛋白 )
??折叠片 (丝蛋白 )
多肽中的氢键
O
ON H
N
O H N
H
?-折叠片
?-螺旋 ?-螺旋
?-螺旋
血红素基团
蛋白质的 3级结构
血红蛋白
蛋白质的 4级结构
4,核酸 (nucleic acid)
O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
O
P O
O
C H
2
O
O
O
P
O
OO
O
N ( b as e )
N ( b as e )
核糖 脱氧核糖
脱氧核糖核酸
核糖 +碱基 +磷酸DNA d(eoxyribo)n(ucleic) a(cid)
RNA r(ibo )n(ucleic) a(cid)
嘧啶 嘌呤
pyrimidine purine
N N
N
N
N
N
H
* *
碱基的基本结构
N H 2
N
N
N
N
H
N
N
N
N
H
O
H
H 2 N
A G
N
NO
C H 3
H
O
H
T
H
N
N
N H 2
O
C
H
O
H
N
NO
U
Adenine Guanine
腺嘌呤 鸟嘌呤
Thymine Cytosine Uracil
胸腺嘧啶 胞嘧啶 脲嘧啶
DNA的双链由碱基的氢键连接 DNA的双螺旋
A G T C G A T
T C A G C T A
A 腺嘌呤 T 胸腺嘧啶
G 鸟嘌呤 C 胞嘧啶
DNA双螺旋中的碱基对
DNA 的复制（碱基配对）
1、宏量元素
非金属,C,H,N,O,P,S,Cl
金属,Na,K,Mg,Ca
2、微量（痕量）元素
18种
五, 人体中的化学元素和微量物质
物质 日需要量
(mg)
生理作用 缺乏症状 过量
Fe 10~15 血红蛋白 贫血 铁沉着
Cu 2.5 酶，色素 低血色素 铜沉着
Zn 1.5 酶 发育障碍 刺激肿瘤
Co 15 B12 恶性贫血
Mo 0.1 辅酶
Cr 5~10?g 胰岛素 糖尿病
Se 0.05~0.1 酶 大骨节病 损坏神经系统
F 1~2 骨骼、牙齿 龋齿 氟骨病，氟斑
I 0.10~0.35 甲状腺 甲状腺肿 甲亢
微量元素摄入量
人
体
健
康
作
用
无机元素的作用：
?调控作用,Na+,K+,Ca2+
?结构作用,F-,Ca2+, P
?输运作用,Fe 2+,Cu 2+,
?催化作用，金属酶和辅因子
3、维生素
重要维生素
脂溶性维生素 水溶性维生素
维生素 A
维生素 D
维生素 E
维生素 F
维生素 K
维生素 B
维生素 C
维生素 P
C
C
O
C
C
O
H
O H
O H
C H
C H 2 O H
H O
VC的分子结构
C H
C H 3
C H
C H 3 C H
3
C H 3
C
C H 3
C
C H
C H
C H
C H 2 O H
C H
VA1的分子结构
VD
O H
C H 3
C 9 H 17C H
3
O H
C H 2
C 9 H 17C H
3
UV
麦角甾醇
一, 碳的存在形式
金刚石,sp3杂化
154.4pm
石墨的层状结构
335pm
142pm
sp2杂化
石墨的夹层化合物
C60 C70 碳黑的卷曲多层球
球烯
富勒烯 (Fullerens),86年的 Nobel 化学奖
合成, 直流电弧法,He 气氛中蒸发石墨棒,得到碳烟
甲苯萃取,高压液相色谱分离
1 4 5 pm
1 3 9 pm
C—C 154pm
C=C 134pm
sp2.28杂化
对 C60进行化学修饰，
生成与 Os的配合物：
[Os(O)4(py)2(C60)]
金属富勒烯包合物
（ EMF,endohedral metallofullerenes)
K3C60的 fcc(面心立方）晶体结构
多层碳纳米管
1,脂肪族,以四面体碳链为骨干
C
C
C
C
C
C C
CC
烷 sp3杂化,单键可旋转 (不同构象 )
烯 sp2杂化,双键不可旋转
炔 sp杂化,三键不可旋转
二, 有机化合物的主要类型和官能团
2,芳香族,以 C6H6为主体
芳香性, 共轭平面分子
N
苯 吡啶
醇 sp3 醛和酮 sp2 羧 酸 sp2
酯 sp2
胺 sp3
酰胺
sp3和 sp2
O
O
C
C C H 3
O
O H
阿司匹林 ( Aspirin,乙酰水杨酸）的分子结构
1、分子的对称性（点群）
1） 镜面 （反映操作）
2） 中心 （反演操作）
3） 旋转轴 （旋转操作） n 重轴
4） 反轴（旋转和反演）
三, 分子的对称性和旋光性质
C2轴
C3 轴
对称中心
镜面
四面体的对称操作
苯分子的对称性
2,旋光性
普通光 起偏器 平面偏振光 光活性物质 偏振光旋转
1848年,巴斯德发现酒石酸 HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH 有
左右旋光性
1870年,布特列洛夫发现乳酸 HOOC-CH(OH)-CH3有左右旋光性
1874年,范霍夫提出 C的四面体模型，解释了旋光性
不对称 碳原子
手性（ chirality)分子
3,分子旋光性的判据
C H 2 O H
C H O
CH O H O H
C H 2 O H
C H O
H C
C H O
C H 2 O H
H O H H
C H 2 O H
H O
C H O
D-甘油醛 L-甘油醛
甘油醛的两个对映体
甘油有无对映体？
H O H
C H
3
H
C O O H
C H
3
C O O H
H O
L ( + ),SD ( - ),R
C H
3
O H
H
C
H O O C
C
C O O H
H
O H
C H
3
H
原子序数从大到小
R,顺时针
S,逆时针
乳酸（ ?-羟基丙酸） 的对映体
C O O H
C O O H
H
H O H
H O
H O H
O H
C O O H
C O O H
H H
C O O H
C O O H
O H
H O H
2 R,3 R ( +) 2 S,3 S ( - ) 2 R,3 S
右旋酒石酸 左旋酒石酸 内消旋酒石酸
4,对映体的拆分和不对称合成
1）化学法
50% D-酸
50% L-酸
+ D-碱 ??
D-酸 -D-碱
L-酸 -D-碱 非对映体
肌肉中产生的乳酸 L型
蔗糖发酵的乳酸 D型
2）, 酶解法
V c的合成
D-葡萄糖 (还原 ) ?? L-山梨糖醇 (细菌作用 )?? L-山梨糖 (细菌作
用 ) ?? V c
例, 用丙酮酸合成乳酸
外消旋混合物
D
C H
3
C O C O O R *
r e d
C O O R *
C H
3
O H
D L
C H
3
C O
r e d
C O O H
O H
C H
3
C O O H
C H
3
C O O H
H O
+
R*的空间指导作用,D为主
重要降血压的药物：苯磺酸氨氯地平 (amlodipine)
类型,Calcium channel blockers
作用,reduce the amount of narrowing of the blood
vessels
商品名,Norvasc 络活喜（辉瑞制药），
成分,苯磺酸氨氯地平,剂量,5mg/天
商品名：兰迪 (扬子江药业集团，上海海尼制药）
成分,苯磺酸 消旋 氨氯地平,剂量, 5mg/天
商品名：施惠达（吉林省天风制药）
成分,苯磺酸 左旋 氨氯地平,剂量,2.5mg/天
Amlodipine的结构式为：
C l
N
C H 2 C H 2 C H 3
C H 2 O C H 2 C H 2 N H 2
H
S O 3 H
H 3 C
.H
3 C O 2 C
说明为什么该化合物有“左旋”和“消旋”之分？其中的不对称
碳原子是哪一个？
碳水化合物 (糖 )
脂肪
蛋白质
核酸
1,糖类
单糖 C6H12O6 葡萄糖
C5H10O5 核糖
C H 2 O H
O H
O H
O H
C H O
H O
1
2
3
4
5
6
葡萄糖的醛式结构
D-(+)葡萄糖
O
O H
O H
C H 2 O H
O H
四, 生物体内的基本物质及结构 (生物活性 )
C H O
C H 2 O H
C H O
C H 2O H
半乳糖
C H O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
D葡糖
链形
[?]D 52.7°
?-D-葡糖
[?]D 112°
?-D-葡糖
[?]D 18.7°
葡糖的变旋现象：比旋光度 [?]D的变化
O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
1
23
4
5
6
==
椅式 船式
?-D葡糖 ?-D葡糖
六元环的构象
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
淀粉
(?葡萄糖 )
纤维素
(?葡萄糖 )
多糖的结构
2,油脂
H O O C R
C H 2 O H
C H O H
C H 2 O H
3+
C H 2 O R
O
C
C H O C O R
C H 2 O C O R
甘油 羧酸 甘油三脂
作用, 提供热量
脂溶性维生素
R=14C~18C
3,氨基酸 (amino acid)和蛋白质 (protein)
H
CR
N H 2
C
O H
O
H
CR
N H 2
C
O H
O
+
H
CR
N H 2
C
N H
OH
C C
O H
O
H 2 N
H
C C
O H
O
R '
R '
C
N
H
C
O
C
?-氨基酸
二肽
肽键,?34
甘氨酸 (Gly) 亮氨酸 (Lue) 亮氨酸的残基
R,residual (氨基酸残基）
R= –CH2CH2COOH Glu(谷氨酸）
– (CH2)4NH2 Lys(赖氨酸）
20种标准氨基酸
L???氨基酸组成多肽,即 蛋白质,高度有序
100肽 (即 100个氨基酸 )中若有 L,D两种构型,
则可能的结构有 10100种 (?)
??螺旋 (角蛋白 )
??折叠片 (丝蛋白 )
多肽中的氢键
O
ON H
N
O H N
H
?-折叠片
?-螺旋 ?-螺旋
?-螺旋
血红素基团
蛋白质的 3级结构
血红蛋白
蛋白质的 4级结构
4,核酸 (nucleic acid)
O
C H 2 O H
O
C H 2 O H
O
P O
O
C H
2
O
O
O
P
O
OO
O
N ( b as e )
N ( b as e )
核糖 脱氧核糖
脱氧核糖核酸
核糖 +碱基 +磷酸DNA d(eoxyribo)n(ucleic) a(cid)
RNA r(ibo )n(ucleic) a(cid)
嘧啶 嘌呤
pyrimidine purine
N N
N
N
N
N
H
* *
碱基的基本结构
N H 2
N
N
N
N
H
N
N
N
N
H
O
H
H 2 N
A G
N
NO
C H 3
H
O
H
T
H
N
N
N H 2
O
C
H
O
H
N
NO
U
Adenine Guanine
腺嘌呤 鸟嘌呤
Thymine Cytosine Uracil
胸腺嘧啶 胞嘧啶 脲嘧啶
DNA的双链由碱基的氢键连接 DNA的双螺旋
A G T C G A T
T C A G C T A
A 腺嘌呤 T 胸腺嘧啶
G 鸟嘌呤 C 胞嘧啶
DNA双螺旋中的碱基对
DNA 的复制（碱基配对）
1、宏量元素
非金属,C,H,N,O,P,S,Cl
金属,Na,K,Mg,Ca
2、微量（痕量）元素
18种
五, 人体中的化学元素和微量物质
物质 日需要量
(mg)
生理作用 缺乏症状 过量
Fe 10~15 血红蛋白 贫血 铁沉着
Cu 2.5 酶，色素 低血色素 铜沉着
Zn 1.5 酶 发育障碍 刺激肿瘤
Co 15 B12 恶性贫血
Mo 0.1 辅酶
Cr 5~10?g 胰岛素 糖尿病
Se 0.05~0.1 酶 大骨节病 损坏神经系统
F 1~2 骨骼、牙齿 龋齿 氟骨病，氟斑
I 0.10~0.35 甲状腺 甲状腺肿 甲亢
微量元素摄入量
人
体
健
康
作
用
无机元素的作用：
?调控作用,Na+,K+,Ca2+
?结构作用,F-,Ca2+, P
?输运作用,Fe 2+,Cu 2+,
?催化作用，金属酶和辅因子
3、维生素
重要维生素
脂溶性维生素 水溶性维生素
维生素 A
维生素 D
维生素 E
维生素 F
维生素 K
维生素 B
维生素 C
维生素 P
C
C
O
C
C
O
H
O H
O H
C H
C H 2 O H
H O
VC的分子结构
C H
C H 3
C H
C H 3 C H
3
C H 3
C
C H 3
C
C H
C H
C H
C H 2 O H
C H
VA1的分子结构
VD
O H
C H 3
C 9 H 17C H
3
O H
C H 2
C 9 H 17C H
3
UV
麦角甾醇
