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第6章 立体化学1第1页，本讲稿共65页 长瓣兜兰长瓣兜兰 花两侧长瓣的螺旋是左右对称的，右侧是左花两侧长瓣的螺旋是左右对称的，右侧是左 旋，左侧是右旋。旋，左侧是右旋。科学科学2002,Vol.54,No.552第2页，本讲稿共65页构造异构构造异构立体异构立体异构碳链异构碳链异构官能团位置异构官能团位置异构官能团异构官能团异构构象异构构象异构构型异构构型异构同同分分异异构构互变异构互变异构顺反异构顺反异构旋光异构旋光异构对映异构对映异构非对映异构非对映异构6.1 手性分子和对映异构手性分子和对映异构3第3页，本讲稿共65页分子结构三要素：构造、构型、构象。分子结构三要素：构造、构型、构象。构造异构构造异构：具有相同的分子式，因分子中各原子连接的次序和具有相同的分子式，因分子中各原子连接的次序和方式不同而产生的异构。它不反映原子在分子结构中的方式不同而产生的异构。它不反映原子在分子结构中的空间相对位置。空间相对位置。4第4页，本讲稿共65页 构型异构：构型异构：具有相同的分子式，相同的原子连接的次序，不同具有相同的分子式，相同的原子连接的次序，不同 的空间排列方式而产生的异构。的空间排列方式而产生的异构。构型异构体构型异构体是是“刚性刚性”结构，结构，异构体之间不能随意转化异构体之间不能随意转化。即不同。即不同构型构型之间的之间的 转化要经过断键和再成键的过程。转化要经过断键和再成键的过程。构象异构：构象异构：在不断开键的情况下，仅仅通过分子内在不断开键的情况下，仅仅通过分子内键旋转的键旋转的 角度不同而产生的异构，构象异构的角度不同而产生的异构，构象异构的最大特点是异构最大特点是异构 体之间可以相互转化。体之间可以相互转化。5第5页，本讲稿共65页手性现象在分子结构中普遍存在手性现象在分子结构中普遍存在 6.1.1 手性与手性分子手性与手性分子6第6页，本讲稿共65页乳酸乳酸2-丁醇丁醇 7第7页，本讲稿共65页6.1.2 旋光性与对映异构旋光性与对映异构 如果一个化合物的分子与其镜象不能叠合，必然如果一个化合物的分子与其镜象不能叠合，必然存在着一个与其镜象相应的化合物，二者相互对映，存在着一个与其镜象相应的化合物，二者相互对映，却不能叠合，却不能叠合，这种互为实物和镜象对映关系的异构体这种互为实物和镜象对映关系的异构体称为对映异构体，简称对映体。称为对映异构体，简称对映体。对映异构体的性质差异就表现为旋光性的不同对映异构体的性质差异就表现为旋光性的不同1、对映异构体、对映异构体8第8页，本讲稿共65页 互为实物和镜象是一对对映异构体互为实物和镜象是一对对映异构体CH3CH(OH)COOH 乳酸乳酸*9第9页，本讲稿共65页手性手性(Chirality)：一个物体若与其镜像不能重合，称这个物体具一个物体若与其镜像不能重合，称这个物体具有手性；也叫手征性。有手性；也叫手征性。不能与自身镜像重合的分子称为不能与自身镜像重合的分子称为手性分子手性分子（chiral molecules）。由手性分子引起的异构称由手性分子引起的异构称 为为对映异构。对映异构。小结：小结：10第10页，本讲稿共65页2、对映异构体的旋光活性对映异构体的旋光活性对映体对映体互为实物与镜象关系的立体异构体互为实物与镜象关系的立体异构体 使偏振光向左旋称为使偏振光向左旋称为左旋体左旋体；用；用“”表示；向表示；向右右旋的称为旋的称为右旋体右旋体；用；用“+”表示。表示。对映异构体结构差别很小，因此具有相同熔点、对映异构体结构差别很小，因此具有相同熔点、沸点、密度、折光率、在非手溶剂中的溶解度以及光沸点、密度、折光率、在非手溶剂中的溶解度以及光谱性质），但它们对偏振光的作用不同。谱性质），但它们对偏振光的作用不同。因此对映异构体也叫因此对映异构体也叫旋光异构体。旋光异构体。11第11页，本讲稿共65页（1）偏振光）偏振光 普通光线普通光线尼克尔棱镜尼克尔棱镜平面偏振光平面偏振光12第12页，本讲稿共65页 只在一个平面上振动的光称为平面偏振光，简称只在一个平面上振动的光称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。偏振光或偏光。能使平面偏振光振动平面旋转的物质，称为能使平面偏振光振动平面旋转的物质，称为旋光旋光性物质性物质，也叫光学活性物质）；，也叫光学活性物质）；反之为非光活性物质。反之为非光活性物质。13第13页，本讲稿共65页 （2）旋光度和比旋光度）旋光度和比旋光度 旋光性物质旋光性物质使平面偏振光旋转的角度称为使平面偏振光旋转的角度称为旋光度旋光度，用用表示。表示。14第14页，本讲稿共65页 旋光度的测量（用旋光仪进行测量）旋光度的测量（用旋光仪进行测量）随测定时所用溶液的浓度（随测定时所用溶液的浓度（随测定时所用溶液的浓度（随测定时所用溶液的浓度（c)c)、盛液管的长度、盛液管的长度、盛液管的长度、盛液管的长度(l)(l)、温度温度温度温度(t)(t)、光波、光波、光波、光波()以及溶剂的性质等而改变。以及溶剂的性质等而改变。以及溶剂的性质等而改变。以及溶剂的性质等而改变。15第15页，本讲稿共65页表示比旋光度；表示比旋光度；旋光仪中读到的旋光度；旋光仪中读到的旋光度；l 盛液管的长度；（盛液管的长度；（dm）C 溶液的浓度；（溶液的浓度；（g/ml）当物质溶液的浓度为当物质溶液的浓度为1g/ml，盛液管的长度为，盛液管的长度为1分分米时，所测物质的旋光度即为比旋光度。米时，所测物质的旋光度即为比旋光度。比旋光度比旋光度t 若所测物质为纯液体，计算比旋光度时，只要若所测物质为纯液体，计算比旋光度时，只要把公式中的把公式中的 C 换成液体的密度换成液体的密度d 即可。即可。16第16页，本讲稿共65页 比旋光度是旋光性物质的物理常数，与入射光比旋光度是旋光性物质的物理常数，与入射光的波长、温度有关。的波长、温度有关。常将常将写作写作 t 葡萄糖：葡萄糖：D20 =+52.5 所用溶剂不同也会影响物质的旋光度。所用溶剂不同也会影响物质的旋光度。因此在不用水为溶剂时，需注明溶剂的名称，因此在不用水为溶剂时，需注明溶剂的名称，例如，右旋的酒石酸在例如，右旋的酒石酸在5%的乙醇中其比旋光的乙醇中其比旋光 度为：度为：=+3.79(乙醇，乙醇，5%)。17第17页，本讲稿共65页6.1.3 对称因素与手性判断对称因素与手性判断为什么乳酸分子具有手性为什么乳酸分子具有手性？连有四个各不相同基团的碳原子称为连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子手性碳原子（或手性中心）用（或手性中心）用C*表示。表示。18第18页，本讲稿共65页l l 手性碳手性碳 手性分子的特征手性分子的特征连有四个不同基团的碳原子连有四个不同基团的碳原子手性碳手性碳(chiral carbon)手性中心手性中心(Chiral center)手性碳标记手性碳标记*19第19页，本讲稿共65页 凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都具有手性，是手性分子。具有手性，是手性分子。分子是否具有手性分子是否具有手性分子是否具有手性分子是否具有手性 分子本身分子本身的对称性的对称性分子结构的不对称性是存在对映异构的充分必要条件分子结构的不对称性是存在对映异构的充分必要条件 20第20页，本讲稿共65页1、对称面、对称面 若有一个平面把分子分成两半，这两半是实物与若有一个平面把分子分成两半，这两半是实物与镜像的关系，则此平面是分子的对称面。用镜像的关系，则此平面是分子的对称面。用表示。表示。21第21页，本讲稿共65页2、对称中心、对称中心 若分子中有一点，从分子中的任一原子或基团出发，若分子中有一点，从分子中的任一原子或基团出发，向该点引一直线，若在距该点等距离处，有一相同的原向该点引一直线，若在距该点等距离处，有一相同的原子或基团，这点是对称中心，用子或基团，这点是对称中心，用i表示。表示。i 只要分子有对称面或对称中心，该分子就无手性。只要分子有对称面或对称中心，该分子就无手性。只要分子有对称面或对称中心，该分子就无手性。只要分子有对称面或对称中心，该分子就无手性。反之就为手性分子。反之就为手性分子。反之就为手性分子。反之就为手性分子。手性分子具有旋光性。手性分子具有旋光性。手性分子具有旋光性。手性分子具有旋光性。22第22页，本讲稿共65页 分子是否具有手性取决于其本身的对称性。分子是否具有手性取决于其本身的对称性。凡是分子中凡是分子中具有对称面和对称中心的分子一般为具有对称面和对称中心的分子一般为非非手性分子手性分子；反之分子具有手性。；反之分子具有手性。手性分子存在手性分子存在一对对映一对对映异构异构体体。手性分子具有旋光性手性分子具有旋光性。注意注意：要把一种构型转变成它的对映异构体，必要把一种构型转变成它的对映异构体，必须断裂分子中的化学键，然后对调两个基团的位置。须断裂分子中的化学键，然后对调两个基团的位置。小结：小结：23第23页，本讲稿共65页6.2 对映异构体的书写与构型标记对映异构体的书写与构型标记6.2.1 构型的表示方法构型的表示方法 锯架式，透视式，锯架式，透视式，Newman，Fischer投影式投影式透视式（或伞形式）透视式（或伞形式）“楔前虚后实平面楔前虚后实平面”透视式球棒模型球棒模型24第24页，本讲稿共65页锯架式锯架式：Newman式：25第25页，本讲稿共65页费歇尔费歇尔（Fischer）投影式）投影式投影规则：投影规则：手性碳放在纸面上，手性碳放在纸面上，伸向纸面前方的键放在横键上，伸向纸面后方的伸向纸面前方的键放在横键上，伸向纸面后方的 键放在竖键上；键放在竖键上；主链竖着写，命名时编号小的碳在最上方。主链竖着写，命名时编号小的碳在最上方。（横键朝前，竖键朝后，十字交叉点代表手性碳）横键朝前，竖键朝后，十字交叉点代表手性碳）26第26页，本讲稿共65页 注：注：（1）不能任意调换两基团的位置，）不能任意调换两基团的位置，调换一次，构型调换一次，构型 改变；调换两次，构型不变。改变；调换两次，构型不变。（2）Fischer投影式在纸面内旋转投影式在纸面内旋转90，构型改，构型改 变；旋转变；旋转180构型不变。构型不变。（3）离开纸面翻转）离开纸面翻转180构型反转。构型反转。27第27页，本讲稿共65页6.2.2 构型表示法的互换构型表示法的互换 Fischer投影式是全重叠式构象，转化为锯架式或投影式是全重叠式构象，转化为锯架式或 Newman投影投影式后，其构象仍是式后，其构象仍是全重叠式构象。全重叠式构象。注注：交叉式交叉式重叠式重叠式Fischer投影式投影式 交叉式转换成重叠式，构象改变，但构型不变。28第28页，本讲稿共65页29第29页，本讲稿共65页 6.2.3 构型的标记构型的标记 需要区别手性碳原子的构型，需要区别手性碳原子的构型，IUPAC规定，对映规定，对映 异构体异构体手性碳原子构型手性碳原子构型用用R和和S标记标记。（1 1）根据）根据“次序规则次序规则”确定四个不同基团的优先确定四个不同基团的优先次序，由大到小排序：次序，由大到小排序：abcdabcd。（2 2）确定）确定R R、S S：把最小基团：把最小基团d d置于离观察者置于离观察者最远最远位置，从位置，从a a，b b，c c为为顺时针顺时针旋转，则为旋转，则为R，若为，若为逆时针逆时针旋转，则为旋转，则为S。步骤步骤1、R-S构型构型标记标记绝对构型标记绝对构型标记30第30页，本讲稿共65页如何确定大、中、小？如何确定大、中、小？31第31页，本讲稿共65页 （3）次序规则（）次序规则（sequence rule)取代基按其第一个原子的原子序数大小排列，取代基按其第一个原子的原子序数大小排列，原子序数大者为原子序数大者为“较优较优”基团。若为同位素，则质量基团。若为同位素，则质量重的定为重的定为“较优较优”基团。基团。IBrClFOHNH2CH3D H32第32页，本讲稿共65页 如果两个基团的第一个原子相同，则比较与之如果两个基团的第一个原子相同，则比较与之相连的第二个原子，以此类推。相连的第二个原子，以此类推。33第33页，本讲稿共65页次序规则似次序规则似“奖牌奖牌”规则规则 含有双键或叁键基团，可以分解为连有两个含有双键或叁键基团，可以分解为连有两个或三个相同原子。或三个相同原子。另注：另注：Z型优先于型优先于E型，型，R型优先于型优先于S型。型。34第34页，本讲稿共65页 对映异构体的命名是在物质的名称前标出对映异构体的命名是在物质的名称前标出R或或S即可即可 OH.COOHCH3HR-乳酸（乳酸（2R-2-羟基丙酸）羟基丙酸）例如：例如：35第35页，本讲稿共65页如果：如果：a b c dd在竖键上在竖键上顺时针：R-逆时针：逆时针：S-S-R-S-R-（最小基团不正则歪法则）（最小基团不正则歪法则）d在横键上在横键上顺时针：S-逆时针：R-Fischer投影式中投影式中R、S的简便确定法的简便确定法36第36页，本讲稿共65页 含两个以上手性碳原子的化合物命名时应对每一个含两个以上手性碳原子的化合物命名时应对每一个手性碳原子逐一进行手性碳原子逐一进行R、S标记，同时要注明各标记的标记，同时要注明各标记的手性碳原子的位号。例如：手性碳原子的位号。例如：37第37页，本讲稿共65页2、D-L构型标记构型标记相对构型标记相对构型标记D-（+）-甘油醛甘油醛L-（-）-甘油醛甘油醛38第38页，本讲稿共65页HOCOOHHCH3OHCOOHHCH3L-(+)-乳酸乳酸D-(-)-乳酸乳酸 化合物的构型化合物的构型 R、S 或或D、L与旋光方向无关，构与旋光方向无关，构型标记是人为规定的。型标记是人为规定的。而旋光方向通过旋光仪测定结而旋光方向通过旋光仪测定结果。果。注：注：39第39页，本讲稿共65页 练习：练习：用用 R-S 标记法给下列化合物命名标记法给下列化合物命名答案：答案：1）2R-2-氯丙酸，氯丙酸，2）2S-2-氨基丙酸，氨基丙酸，3）S-1-氯氯-1-溴乙烷。溴乙烷。4）2R-1-甲氧基甲氧基-2-氯丙烷，氯丙烷，5）2S-2-羟基丁烷羟基丁烷40第40页，本讲稿共65页*含有一个手性碳原子的化合物，一定是手性分子含有一个手性碳原子的化合物，一定是手性分子,具有旋光性。存在一对对映异构体，其中一个是左旋，具有旋光性。存在一对对映异构体，其中一个是左旋，一个是右旋。如乳酸一个是右旋。如乳酸:D15=+2.6，D15=-2.6 对映体对偏振光的作用正好大小相同，方向相反。对映体对偏振光的作用正好大小相同，方向相反。6.3 含一个手性碳原子化合物的对映异构含一个手性碳原子化合物的对映异构41第41页，本讲稿共65页 对映体之间性质的异同点：对映体之间性质的异同点：（1）物理性质和化学性质一般都相同，对偏振光的作）物理性质和化学性质一般都相同，对偏振光的作 用不同，旋光方向相反。用不同，旋光方向相反。（2）在手性环境条件下，对映体会表现出某些不同的）在手性环境条件下，对映体会表现出某些不同的 性质，如反应速度有差异，生理作用的不同等。性质，如反应速度有差异，生理作用的不同等。42第42页，本讲稿共65页外消旋体外消旋体：等量的左旋体和右旋体的混合物，一般用（等量的左旋体和右旋体的混合物，一般用（）来）来表示。表示。注意：注意：外消旋体没有旋光性；外消旋体没有旋光性；外消旋体与其左、右旋体的物理性质不同；外消旋体与其左、右旋体的物理性质不同；一般的物理方法不能分离外消旋体。一般的物理方法不能分离外消旋体。左旋仲丁醇和右旋仲丁醇的左旋仲丁醇和右旋仲丁醇的沸点、熔点、溶解沸点、熔点、溶解度、相对密度、折射率、比旋光度、构型的异同。度、相对密度、折射率、比旋光度、构型的异同。比较：比较：43第43页，本讲稿共65页6.4.1 含两个不同手性碳的化合物含两个不同手性碳的化合物6.4 含多个手性碳原子化合物的对映异构含多个手性碳原子化合物的对映异构2-羟基羟基-3-氯丁二酸（氯代苹果酸）氯丁二酸（氯代苹果酸）44第44页，本讲稿共65页不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映异构体非对映异构体45第45页，本讲稿共65页 分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象 非对映异构体的特征：非对映异构体的特征：1 物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。2 比旋光度不同。比旋光度不同。3 旋光方向可能相同也可能不同。旋光方向可能相同也可能不同。4 化学性质相似，但反应速度有差异。化学性质相似，但反应速度有差异。46第46页，本讲稿共65页表表3-8 氯代苹果酸的物理性代苹果酸的物理性质（2R，3R）-（2S，3S）-31.3(乙酸乙酯)+31.3(乙酸乙酯)173173 外消旋体146（2R，3S）-（2S，3R）-9.4（水）+9.4（水）167167 外消旋体153熔点（熔点（）构型构型异构体异构体D25非对映体可用一般的物理方法分离开来非对映体可用一般的物理方法分离开来47第47页，本讲稿共65页2、含两个相同手性碳的化合物、含两个相同手性碳的化合物 2,3-二羟基丁二酸二羟基丁二酸(酒石酸酒石酸)为例：为例：48第48页，本讲稿共65页 只有三种异构体，第一对是一对对映体；在第二只有三种异构体，第一对是一对对映体；在第二对异构体中，分子中有一个对称面，不是手性分子无对异构体中，分子中有一个对称面，不是手性分子无对映异构体。对映异构体。49第49页，本讲稿共65页 （3）和（）和（4）在结构上看，含有两个相同的手性碳）在结构上看，含有两个相同的手性碳原子，一个是原子，一个是R 型，一个是型，一个是S型，其构型相反，因此型，其构型相反，因此其旋光能力相同而方向相反，相互抵消，使整个分子其旋光能力相同而方向相反，相互抵消，使整个分子不显旋光性。不显旋光性。分子中虽然含有手性碳，却不是手性分子，因而分子中虽然含有手性碳，却不是手性分子，因而也没有旋光性的化合物，称为也没有旋光性的化合物，称为内消旋体内消旋体。内消旋体用。内消旋体用“meso-”或或“m-”表示。表示。50第50页，本讲稿共65页表表3-9酒石酸的物理性酒石酸的物理性质熔点170+121391760293432170-121391760293432140无1251667311480206无2061680296424（2R,3R）2S,3SMeso-酸（）-酸pKa1pKa2D25溶解度g(100g水)-1相对密度（20）酒石酸51第51页，本讲稿共65页 讨论：讨论：内消旋体与外消旋体的异同：内消旋体与外消旋体的异同：1）二者都无旋光性；）二者都无旋光性；2）内消旋体是纯的非手性物质，而外消旋体）内消旋体是纯的非手性物质，而外消旋体 是一对对映体的等量混合物；是一对对映体的等量混合物；3）内消旋体不可拆分，而外消旋体可拆分。）内消旋体不可拆分，而外消旋体可拆分。52第52页，本讲稿共65页 分子中所含手性碳越多，立体异构（对映异构体）分子中所含手性碳越多，立体异构（对映异构体）的数目越多。的数目越多。对映体对映体对映体对映体非对映体非对映体 分子中含有分子中含有n个手性碳的化合物，最多有个手性碳的化合物，最多有 2n 个立体个立体异构体，有异构体，有2n-1对对映异构体。对对映异构体。53第53页，本讲稿共65页6.5 环状化合物的立体异构环状化合物的立体异构 常常同时有顺反异构和对映异构常常同时有顺反异构和对映异构 1）判断顺反异构，）判断顺反异构，2）判断手性；）判断手性；3）讨论对映异构）讨论对映异构内消旋体内消旋体顺顺-1，2-环丙烷二甲酸环丙烷二甲酸SR54第54页，本讲稿共65页SSRR反反-1，2-环丙烷二甲酸环丙烷二甲酸（1R，2R）-1，2-环丙烷二甲酸环丙烷二甲酸（1S，2S）-1，2-环丙烷二甲酸环丙烷二甲酸55第55页，本讲稿共65页6.6 不含手性碳原子化合物的对映异构不含手性碳原子化合物的对映异构1、丙二烯型衍生物、丙二烯型衍生物56第56页，本讲稿共65页57第57页，本讲稿共65页如如2,3-戊二烯已分离出对映异构体戊二烯已分离出对映异构体58第58页，本讲稿共65页类似的还有：类似的还有：59第59页，本讲稿共65页6.6.2 联苯型化合物联苯型化合物60第60页，本讲稿共65页获得手性分子的重要意义获得手性分子的重要意义获得手性分子的重要意义获得手性分子的重要意义药物与人类的关系药物与人类的关系药物与人类的关系药物与人类的关系 构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进行的。性的方式进行的。性的方式进行的。性的方式进行的。生物体的酶和细胞表面受体是手性的生物体的酶和细胞表面受体是手性的生物体的酶和细胞表面受体是手性的生物体的酶和细胞表面受体是手性的,故对外消故对外消故对外消故对外消旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。6.7 手性有机化合物的制法手性有机化合物的制法61第61页，本讲稿共65页(R)(R)型型型型,有效，不致畸形有效，不致畸形有效，不致畸形有效，不致畸形(S)(S)型，致畸形型，致畸形型，致畸形型，致畸形Thalidomide(Thalidomide(反应停反应停反应停反应停)镇静和止吐药物镇静和止吐药物镇静和止吐药物镇静和止吐药物62第62页，本讲稿共65页 6.7.1 外消旋体的拆分外消旋体的拆分(1)机械拆分法机械拆分法(2)微生物拆分法微生物拆分法(3)选择吸附拆分法选择吸附拆分法(4)诱导结晶拆分法诱导结晶拆分法(5)化学拆分法化学拆分法 63第63页，本讲稿共65页6.7.2 不对称合成不对称合成 手性合成是在手性条件下进行的，如手性反应物、手性合成是在手性条件下进行的，如手性反应物、手性试剂、手性催化剂、手性溶剂等。手性试剂、手性催化剂、手性溶剂等。不对称合成的方法主要分为两类：不对称合成的方法主要分为两类：（1）选用手性化合物做起始反应物之一；）选用手性化合物做起始反应物之一；（2）起始反应物是对称的、非手性的，将其产物转化）起始反应物是对称的、非手性的，将其产物转化 为不对称的手性物质。为不对称的手性物质。相对手性合成相对手性合成绝对手性合成绝对手性合成64第64页，本讲稿共65页小结：小结：1、理解手性、旋光性、对映异构的概念、理解手性、旋光性、对映异构的概念2、熟练掌握、熟练掌握R-S构型的标记方法构型的标记方法3、熟练掌握、熟练掌握几种几种构构象象式和菲舍尔投影式之间的式和菲舍尔投影式之间的 相互转化。相互转化。作业：作业：P162 6-1、6-2、6-4、6-6、6-7、6-8 65第65页，本讲稿共65页