《生物有机化学》研究生课程教学课件（教案）手性与生物体的化学起源

课程内容手性与生物体的化学起源课程名称生物有机化学总体情况本课程针对研究生开设对应教材为《生物有机化学》讲义（唐玉海主编）第二章。本节课重点介绍手性、手性的判断、对映异构体、对映异构体与生物体的关系。学习手性分子的结构特点，体现从结构角度学习有机物性质的有机化学学习模式，使学生对手教材分析性有更本质的认识：通过手性的学习使学生认识到手性对生命科学的重要意义，在学习过程中体会科学探究的魅力，并从手性起源体会唯物主义辩证法哲学思想。有利学情：“手性”是一种同分异构现象，前序课程中关于同分异构体的知识为“手性”的学习奠定了一定的理论基础；“手性”是一个有趣而带有一定哲学情分析学思想的概念，能激发学生的学习兴趣。不利学情：“手性”的理解比较抽象，需具备一定的空间想象能力。掌握手性、手性分子、对映体等基本概念。·享知识技能目标·掌握分子对称因素与手性的关系，学会判断分子是否具有手性。·了解手性化合物与医学的关系。通过学生观察模型理解手性异构体和手性分子的概念，并通过“巴斯德实验”首次发现并手工分离出手性异构体的科学史使学生感受到“从简单平凡中发现不平凡之美”的哲学思想通过模型的使用，使学生了解手性异构体的两个基本条件：镜像对称和情感价值目标不能重叠，从而感受到“对称世界的不对称之美”。通过“反应停”事件发生的原因，了解“手性”是一把“双刃剑”，使学生从中得到启示，意识到事物发展具有“否定之否定”的辩证唯物主义关系。重点：手性异构体和手性分子的概念及结构特点；判断手性分子的方法教学重难点难点：手性异构体和手性分子的结构特点以及如何判断手性分子教学方法：根据“手性”这一节抽象特点，采用直观教学（借助模型组教法学法合和拆分），即“边讲、边演示、边归纳”的探究教学法。充分运用有机物实物模型和电脑多媒体辅助，让学生观察模型，产生从感性到理性认

. 课程内容 手性与生物体的化学起源 课程名称 生物有机化学 总体情况 本课程针对研究生开设 教材分析 对应教材为《生物有机化学》讲义（唐玉海主编）第二章。本节课重点介绍手 性、手性的判断、对映异构体、对映异构体与生物体的关系。学习手性分子的 结构特点，体现从结构角度学习有机物性质的有机化学学习模式，使学生对手 性有更本质的认识；通过手性的学习使学生认识到手性对生命科学的重要意 义，在学习过程中体会科学探究的魅力，并从手性起源体会唯物主义辩证法哲 学思想。 学情分析 有利学情：“手性”是一种同分异构现象，前序课程中关于同分异构体的知识 为“手性”的学习奠定了一定的理论基础；“手性”是一个有趣而带有一定哲 学思想的概念，能激发学生的学习兴趣。 不利学情：“手性”的理解比较抽象，需具备一定的空间想象能力。 知识技能目标 ⚫ 掌握手性、手性分子、对映体等基本概念。 ⚫ 掌握分子对称因素与手性的关系，学会判断分子是否具有手性。 ⚫ 了解手性化合物与医学的关系。 情感价值目标 ⚫ 通过学生观察模型理解手性异构体和手性分子的概念，并通过“巴斯德 实验”首次发现并手工分离出手性异构体的科学史使学生感受到“从简 单平凡中发现不平凡之美”的哲学思想 ⚫ 通过模型的使用，使学生了解手性异构体的两个基本条件：镜像对称和 不能重叠，从而感受到“对称世界的不对称之美”。 ⚫ 通过“反应停”事件发生的原因，了解“手性”是一把“双刃剑”，使 学生从中得到启示，意识到事物发展具有“否定之否定”的辩证唯物主 义关系。 教学重难点 ⚫ 重点：手性异构体和手性分子的概念及结构特点；判断手性分子的方法 ⚫ 难点：手性异构体和手性分子的结构特点以及如何判断手性分子 教法学法 ⚫ 教学方法：根据“手性”这一节抽象特点，采用直观教学（借助模型组 合和拆分），即“边讲、边演示、边归纳”的探究教学法。充分运用有机 物实物模型和电脑多媒体辅助，让学生观察模型，产生从感性到理性认

识的飞跃，继而对手性异构体和手性分子的概念和结构特点有直观的认识，再演示归纳出规律，与学生达成共识。真正掌握方法和要点，最后进行练习巩固难点。学习方法：学生积极动脑、动手、动口，充分的进行探究和讨论、交流；体现以学生为主体、教师为主导的教学特点。教学用具球棍模型、手套、多媒体课件高阶性：1.“手性”是这个对称世界中的不对称之美，学生掌握这一概·念之后，自然地引发手性的起源问题，能促进学生对这个客观世界的深度思考：2.由手性的介绍引出目前科研上的前沿研究课题一一手性合成。创新性：1.从宏观到微观，从模型到理论，循序渐地进带领学生掌握手?金课特点性的概念；2．从围绕手性的巴斯德科学实验、“反应停“事件，激发哲学思想，体现课堂思政；3.了解“手性”是一把“双刃剑”，感受其在生产药物上的巨大意义，并树立强烈的社会责任感。.挑战度：掌握手性的判断方法，能自行判断分子的手性。第一小节：手性的概念【引入】不知道大家有没有想过：镜子里的“自己”真的跟实实在在的我们模一样吗？【展示】互为镜像的乳酸分子模型是同一种分子？还是不同的两种分子？两个分子互为镜像，分子式相同，原子组成和排列也相同；请大家尝试一下让这两个分子在三维空间上重合。【结论】发现无论如何两个分子都不能重合，学生自己体会到这是两种不同的教学过程分子：这两种分子严格说来属于分子式相同而结构不同的同分异构体，化学上叫做对映异构体。【概念】就像我们的双手，左手和右手互为镜像，但却在三维空间里不能重叠所以对映异构体也称手性异构体：有手性异构体的分子叫做手性分子，比如我们活动桌上的两个乳酸分子，其中任何一个分子都是手性分子。【引导】就像我们的左手和右手，五指的排列次序没有不同，但是在空间上的排列方向却是相反地，这就是造成“手性”的根本原因，也就是手性

. 识的飞跃，继而对手性异构体和手性分子的概念和结构特点有直观的认 识，再演示归纳出规律，与学生达成共识。真正掌握方法和要点，最后 进行练习巩固难点。 ⚫ 学习方法：学生积极动脑、动手、动口，充分的进行探究和讨论、交流； 体现以学生为主体、教师为主导的教学特点。 教学用具 球棍模型、手套、多媒体课件 金课特点 ⚫ 高阶性：1.“手性”是这个对称世界中的不对称之美，学生掌握这一概 念之后，自然地引发手性的起源问题，能促进学生对这个客观世界的深 度思考；2.由手性的介绍引出目前科研上的前沿研究课题——手性合成。 ⚫ 创新性：1. 从宏观到微观，从模型到理论，循序渐地进带领学生掌握手 性的概念；2. 从围绕手性的巴斯德科学实验、“反应停“事件，激发哲 学思想，体现课堂思政；3. 了解“手性”是一把“双刃剑”，感受其在 生产药物上的巨大意义，并树立强烈的社会责任感。 ⚫ 挑战度：掌握手性的判断方法，能自行判断分子的手性。 教学过程 第一小节：手性的概念 【引入】不知道大家有没有想过：镜子里的“自己”真的跟实实在在的我们一 模一样吗？ 【展示】互为镜像的乳酸分子模型是同一种分子？还是不同的两种分子？两个 分子互为镜像，分子式相同，原子组成和排列也相同；请大家尝试一 下让这两个分子在三维空间上重合。 【结论】发现无论如何两个分子都不能重合，学生自己体会到这是两种不同的 分子；这两种分子严格说来属于分子式相同而结构不同的同分异构 体，化学上叫做对映异构体。 【概念】就像我们的双手，左手和右手互为镜像，但却在三维空间里不能重叠， 所以对映异构体也称手性异构体；有手性异构体的分子叫做手性分 子，比如我们活动桌上的两个乳酸分子，其中任何一个分子都是手性 分子。 【引导】就像我们的左手和右手，五指的排列次序没有不同，但是在空间上的 排列方向却是相反地，这就是造成“手性”的根本原因，也就是手性

异构体的根本特征，【设问】在人类历史上，“手性”分子到底是怎么被发现的呢？【史话】1848年，法国生物学家巴斯德在研究酒石酸盐时，用放大镜仔细观察其晶体结构，发现有两种互为镜像的晶体，并小心翼翼地用镊子从酒石酸盐中分离出这两种旋光性质不同的晶体。这是人类首次发现分子的不对称性并成功地通过手工拆分出手性异构体。这一发现也奠定了现代有机立体化学的基础。2003年，由美国科学家发起的，全球化学家投票评选的“化学史上十项最美的实验”中，该实验被选为十项之首。为什么这个实验被评为“历史上最美的化学实验”呢？你觉得它美在哪里？【思想】这个实验之所以美，在于实验者巴斯德的耐心、在于它发现了不对称之美、在于简单与艺术的完美结合等等。在我看来呢，它最大的美在于巴斯德于简单平凡中关注到了常人忽略的细节，最终得出了不简单不平凡的结论。在日常生活中，那些最深刻的东西往往由于我们本身认识的缺失而随手弃之，还是那句老话，“生活中不是缺少美，而是缺少发现的眼睛。”在我们化学的研究发现中亦是如此。第二小节：分子的对称性与手性【设问】是不是所有互为镜像的分子都不是同一种分子呢？【展示】展示丙酸分子模型。这两个分子互为镜像，尝试让这两个分子在三维空间上重合，发现两分子可以重合。【结论】互为镜像的分子可以是两种不同的分子，也可以是同一种分子。【设问】为什么两个互为镜像对称的乳酸在空间不能重合，而两个互为镜像对称的丙酸在空间却可以重合？【讨论】主要原因在于丙酸中有两个完全一样的氢原子，这两个氢原子是没有差别的，因此可以通过旋转一定的角度使两者重合。【设问】你认为要想使两个分子不能重合，必须要满足什么条件？【讨论】碳原子上要连有四个不同的原子

. 异构体的根本特征。 【设问】在人类历史上，“手性”分子到底是怎么被发现的呢？ 【史话】1848 年，法国生物学家巴斯德在研究酒石酸盐时，用放大镜仔细观 察其晶体结构，发现有两种互为镜像的晶体，并小心翼翼地用镊子从 酒石酸盐中分离出这两种旋光性质不同的晶体。这是人类首次发现分 子的不对称性并成功地通过手工拆分出手性异构体。这一发现也奠定 了现代有机立体化学的基础。2003 年，由美国科学家发起的，全球 化学家投票评选的“化学史上十项最美的实验”中，该实验被选为十 项之首。为什么这个实验被评为“历史上最美的化学实验”呢？你觉 得它美在哪里？ 【思想】这个实验之所以美，在于实验者巴斯德的耐心、在于它发现了不对称 之美、在于简单与艺术的完美结合等等。在我看来呢，它最大的美在 于巴斯德于简单平凡中关注到了常人忽略的细节，最终得出了不 简单不平凡的结论。在日常生活中，那些最深刻的东西往往由于 我们本身认识的缺失而随手弃之，还是那句老话，“生活中不是 缺少美，而是缺少发现的眼睛。”在我们化学的研究发现中亦是 如此。 第二小节：分子的对称性与手性 【设问】是不是所有互为镜像的分子都不是同一种分子呢？ 【展示】展示丙酸分子模型。这两个分子互为镜像，尝试让这两个分子在 三维空间上重合，发现两分子可以重合。 【结论】互为镜像的分子可以是两种不同的分子，也可以是同一种分子。 【设问】为什么两个互为镜像对称的乳酸在空间不能重合，而两个互为镜 像对称的丙酸在空间却可以重合？ 【讨论】主要原因在于丙酸中有两个完全一样的氢原子，这两个氢原子是 没有差别的，因此可以通过旋转一定的角度使两者重合。 【设问】你认为要想使两个分子不能重合，必须要满足什么条件？ 【讨论】碳原子上要连有四个不同的原子

【结论】我们把这种连有四个不同的原子或原子团的碳原子叫做手性碳原子，记作*C。【设】是否分子中只要有手性碳原子就一定是手性分子呢？【多媒体】分子A和B在三维空间上重合。【设问】这种分子中有没有手性碳原子？【观察】每个分子中都有两个手性碳原子CH3CH3CHCH38H2i【结论】当分子中只有一个手性碳原子，分子一定具有手性；当分子中有两个或多个手性碳原子，分子不一定有手性。【设问】任意给出一个分子，要怎么来判断这个分子是否具有手性呢？【思考】要判断是不是手性分子，关键还要看该分子有无对称因素（对称轴、对称面、对称中心）。有些分子即使有手性碳原子，但如果分子是对称的，则该分子不是手性分子。【结论】一般具有对称因素（对称面或对称中心）的分子，是非手性分子。若分子中有碳原子：分子中只有一个手性碳原子，该分子是手性分子；分子中含有多个手性碳原子，该分子不一定是手性分子。【手性之美】手性异构体呈镜像对称，但手性分子却没有对称因素，本身就是不对称的；这种看似矛盾的对称问题，却恰恰体现了我们这个对称世界中的不对称之美！【课堂练习】手性分子的判断。第三小节：对映异构体的生物活性差异【引入】像自然界中的很多看似对称却彰显手性的现象，无处不蕴含着天然的不对称之美。有句话说“美丽是危险的”，当我们欣赏美的同时却没有多加注意做出防备，悲剧就会悄然来临。“手性之美”也是如此。【历史】“反应停”事件。“反应停”能迅速止痛并能够减轻孕妇的妊娠反应，然而其使用导致出现了大量畸形儿。随后的药物化学研究证实，在这

. 【结论】我们把这种连有四个不同的原子或原子团的碳原子叫做手性碳原 子，记作*C。 【设问】是否分子中只要有手性碳原子就一定是手性分子呢？ 【多媒体】分子 A 和 B 在三维空间上重合。 【设问】这种分子中有没有手性碳原子？ 【观察】每个分子中都有两个手性碳原子 CH3 H H H CH3 H CH3 H H H CH3 H 【结论】当分子中只有一个手性碳原子，分子一定具有手性；当分子中有两个 或多个手性碳原子，分子不一定有手性。 【设问】任意给出一个分子，要怎么来判断这个分子是否具有手性呢？ 【思考】要判断是不是手性分子，关键还要看该分子有无对称因素（对称轴、 对称面、对称中心）。有些分子即使有手性碳原子，但如果分子是对 称的，则该分子不是手性分子。 【结论】一般具有对称因素（对称面或对称中心）的分子，是非手性分子。若 分子中有碳原子：分子中只有一个手性碳原子，该分子是手性分子； 分子中含有多个手性碳原子，该分子不一定是手性分子。 【手性之美】手性异构体呈镜像对称，但手性分子却没有对称因素，本身就是 不对称的；这种看似矛盾的对称问题，却恰恰体现了我们这个对称世 界中的不对称之美！ 【课堂练习】手性分子的判断。 第三小节：对映异构体的生物活性差异 【引入】像自然界中的很多看似对称却彰显手性的现象，无处不蕴含着天然的 不对称之美。有句话说“美丽是危险的”，当我们欣赏美的同时却没 有多加注意做出防备，悲剧就会悄然来临。“手性之美”也是如此。 【历史】“反应停”事件。“反应停”能迅速止痛并能够减轻孕妇的妊娠反应， 然而其使用导致出现了大量畸形儿。随后的药物化学研究证实，在这

种药物是手性分子，只有其中一个异构体能减轻孕妇的妊娠反应，而另外一个异构体具有致畸毒副作用。【原理分析】一对对映体在生理活性和药理作用上产生如此大的差别的原因是什么？其实，一种化学物质一般是通过作用于细胞上的特定部位，才引起细胞的变化或改变。我们把细胞上的这种特定接受部位称为受体靶位。因为生物体内分子之间相互作用是发生在一个手性环境，不同的受体靶位具有不同的立体构型和构象。一个特异性手性分子的立体结构只有与特定受体靶位的活性部位相互匹配，才可以很好地进入其中，并产生相应的生理效应。而能够适合进入这个特定的受体靶位的分子，只是这一对对映体的其中之一。【启示】人类从这一药物史上的悲剧中吸取教训，不久各国纷纷规定，今后凡生产手性药物，必须把手性异构体分离开，只出售能治病的那种手性异构体的药物。同时，“反应停”事件也启示我们，事物的发展总是充满曲折的，符合“否定之否定”的辩证唯物主义发展观。【讨论】可见，“手性美”是一把锋利的“双刃剑”，如果利用得好，它就是造福人类的“天使”；一旦忽视或利用不当，它就是危害人类生命的“魔鬼”。“天使”和“魔鬼”只在一念之差，就看我们人类如何去把握好这个“度”。像“反应停”事件，我们人类为之付出了巨大的代价。【启发】正是有了60年代的这个教训，所以现在的药物在研制成功后，都要经过严格的生物活性和毒性试验，以避免其中所含的另一种手性分子对人体的危害。在化学合成中，这两种分子出现的比例是相等的，所以对于医药公司来说，他们每生产一公斤药物，还要费尽周折，把另一半分离出来。如果无法为它们找到使用价值的话，它们就只能是废物。在环境保护法规日益严厉的时代，这些废品也不能被随意处置，考虑到可能对公众健康产生的危害，这些工业垃圾的处理也是一笔不小的开支。怎么办呢？医药公司急切地寻找一种方法来解决这个问题。【手性催化】现在，这个令人头痛的问题已经逐渐得到解决。2001年，三位科学家用手性催化剂催化合成手性分子，这种方法被称为“不对称催

. 种药物是手性分子，只有其中一个异构体能减轻孕妇的妊娠反应，而 另外一个异构体具有致畸毒副作用。 【原理分析】一对对映体在生理活性和药理作用上产生如此大的差别的原因是 什么？其实，一种化学物质一般是通过作用于细胞上的特定部位，才 引起细胞的变化或改变。我们把细胞上的这种特定接受部位称为受体 靶位。因为生物体内分子之间相互作用是发生在一个手性环境，不同 的受体靶位具有不同的立体构型和构象。一个特异性手性分子的立体 结构只有与特定受体靶位的活性部位相互匹配，才可以很好地进入其 中，并产生相应的生理效应。而能够适合进入这个特定的受体靶位的 分子，只是这一对对映体的其中之一。 【启示】人类从这一药物史上的悲剧中吸取教训，不久各国纷纷规定，今后凡 生产手性药物，必须把手性异构体分离开，只出售能治病的那种手性 异构体的药物。同时，“反应停”事件也启示我们，事物的发展总是充 满曲折的，符合“否定之否定”的辩证唯物主义发展观。 【讨论】可见，“手性美”是一把锋利的“双刃剑”，如果利用得好，它就是造 福人类的“天使”；一旦忽视或利用不当，它就是危害人类生命的“魔 鬼”。“天使”和“魔鬼”只在一念之差，就看我们人类如何去把握好 这个“度”。像“反应停”事件，我们人类为之付出了巨大的代价。 【启发】正是有了 60 年代的这个教训，所以现在的药物在研制成功后，都要 经过严格的生物活性和毒性试验，以避免其中所含的另一种手性分子 对人体的危害。在化学合成中，这两种分子出现的比例是相等的，所 以对于医药公司来说，他们每生产一公斤药物，还要费尽周折，把另 一半分离出来。如果无法为它们找到使用价值的话，它们就只能是废 物。在环境保护法规日益严厉的时代，这些废品也不能被随意处置， 考虑到可能对公众健康产生的危害，这些工业垃圾的处理也是一笔不 小的开支。怎么办呢？医药公司急切地寻找一种方法来解决这个问 题。 【手性催化】现在，这个令人头痛的问题已经逐渐得到解决。2001 年，三位 科学家用手性催化剂催化合成手性分子，这种方法被称为“不对称催

化合成”。这个方法可以广泛地应用于制药、香精和甜味剂等化学行业，给工业生产一下子带来了巨大的好处，这项研究也获得了2001年度的诺贝尔化学奖。【手性合成】在合成药物过程中，可以只得到一种或者主要只得到一种手性分子，不得到或者基本上不得到它的手性异构分子，这种独特的合成方法就是手性合成。如下图所示：手性催化剂在催化手性分子合成时，可以比作握手，催化剂像迎宾主人伸出右手，而被催化合成的手性分子像客人，总是伸出右手去握手。【总结】手性、手性分子、对映异构体的生物活性差异简单回顾。【课后思考】手性是自然界的基本特征，也是自然界普遍存在的现象。研究表明，组成地球生命体的氨基酸和糖几乎都是单一的对映异构体，即手性分子在自然界通常只存在一个对映体，这种手性的起源来自于哪里呢？一、手性二、分子的对称性与手性1．手性分子完全相同的组成和原子排列互为镜像L不能重叠板书设计2．判断手性分子的方法1)具有对称面或对称中心的分子，是非手性分子。2）根据手性碳原子：当分子中只有一个手性碳原子，分子一定有手性。三、对映异构体的生物活性

. 化合成”。这个方法可以广泛地应用于制药、香精和甜味剂等化学行 业，给工业生产一下子带来了巨大的好处，这项研究也获得了 2001 年度的诺贝尔化学奖。 【手性合成】在合成药物过程中，可以只得到一种或者主要只得到一种手性分 子，不得到或者基本上不得到它的手性异构分子，这种独特的合成方 法就是手性合成。如下图所示：手性催化剂在催化手性分子合成时， 可以比作握手，催化剂像迎宾主人伸出右手，而被催化合成的手性分 子像客人，总是伸出右手去握手。 【总结】手性、手性分子、对映异构体的生物活性差异简单回顾。 【课后思考】手性是自然界的基本特征，也是自然界普遍存在的现象。研究表 明，组成地球生命体的氨基酸和糖几乎都是单一的对映异构体，即手 性分子在自然界通常只存在一个对映体，这种手性的起源来自于哪里 呢？ 板书设计 一、手性 二、分子的对称性与手性 1. 手性分子 完全相同的组成和原子排列 互为镜像 不能重叠 2. 判断手性分子的方法 1)具有对称面或对称中心的分子，是非手性分子。 2)根据手性碳原子：当分子中只有一个手性碳原子 ，分子一定有手 性。 三、对映异构体的生物活性