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1、参考书：胡宏纹主编有机化学(第三版)上、下册。,教材：李景宁主编有机化学(第五版) 上、下册。,任课教师：王常清,邢其毅等基础有机化学(第二版)上、下册， (第三版)上、下册 。,美福尔哈特肖尔有机化学-结构与功能(原著第四版)，戴立信等译。,有机化学的涵义其发展简史； 有机化合物的结构、特性和分类； 共价键的理论、共价键参数及其应用； 研究有机物的一般方法； 有机物的分类。,有机化合物的特性，共价键参数。,第一章 绪论,1 有机化合物和有机化学,(1) 有机化合物,1848年L.Gmelin ：有机化合物定义为含碳化合物。,十几年后，C.Schorlemmer：有机化合物是碳氢化合物及其衍生
2、物。,有机化合物中除C、H以外，还含有O、N、S、P、卤素等少数几种元素。,碳和简单的碳化合物，如CO、CO2、CS2、HCN等习惯上仍归属为无机化合物。,1-1 有机化学的研究对象,有机化合物与人们的生活密切相关：,有机化合物种类繁多，数量巨大，且增加很快。,19651970年，年均新增26.2万种，19952000年，年均新增130万种。,衣、食、住、行都离不开有机化合物。,动植物体和人类本身也是由有机化合物组成的。,(2) 有机化学,研究有机化合物来源、制备、结构、性能、应用，以及有关理论、变化规律和方法的科学。,有机化学的主要研究内容：,分离：从自然界或反应产物中，得到单一纯净的有机物
3、；常用蒸馏、结晶、吸附、萃取、升华等操作。,结构：对分离出的有机物进行化学和物理行为的了解，阐明其结构和特性。,反应和合成：从原料经过一系列反应，转化成已知的或新的有机化合物(产物)。,有机化学是一门迅速发展的学科。,与有机化学有密切关系的：,主要分支：有机合成化学、天然有机化学、生物有机化学、元素有机化学、物理有机化学、有机分析化学等。,19012000年，Nobel化学奖共91项，其中有机化学方面的有56项，占61.5%。,药物化学、香料化学、农药化学、食品化学等学科，以及生命科学、材料科学、环境科学。,能源、工业、农业等方面。,有机化学正处于富有活力的发展时期，趋势和特点是：,与生命科学
4、密切结合。,有机化学为分子生物学的建立和发展开辟了道路：,价键理论、构象理论、各种反应及其反应机理，成为现代生物化学和化学生物学的理论基础。,确定DNA为生物体遗传物质，是由生物学家和有机化学家共同完成的。,蛋白质、核酸的组成和结构的研究，顺序测定方法的建立，合成方法的创建等。,有机合成仍然占有独特的核心地位。,1973年Woodward等完成维生素B12的全合成，分子式为C63H88CoN14O14P。,1989年Kishi等完成海葵毒素的全合成，海葵毒素结构非常复杂，分子式为C129H223N3O54。,选择性反应，尤其是不对称合成，已成为有机化学的热点和前沿领域。,从20世纪下半叶起，化
5、学的主要任务不再是发现新元素，而是合成新分子，特别是人们感兴趣的明星分子。,徐光宪,分子式：C129H223N3O54 有64个手性中心， 可能的异构体271。,海葵毒素,分子识别和分子设计正在渗透到有机化学的各领域。,计算机技术引入，在结构测定、分子设计和合成设计等方面，都发挥着重要的作用。,有机化学在农用化学品、药物和医用化学品，以及分子电子材料的开发中，起着主导作用。,绿色有机合成：原料简单、条件温和，经过简单步骤，快速、高选择性、高效地转化为目标分子。,使用环境友好催化剂和介质，采用洁净的电合成技术，发展和应用安全的化学产品。,有机化合物和无机化合物之间没有绝对的分界。,2 有机化合物
6、的特点,碳原子与其他原子成键，以共价键为主。,(1) 结构上的特点,有机化学之所以成为化学中的一个独立学科，是因为有机物确有其内在的联系和特性。,通过与其他元素的原子共用外层电子，而达到惰性气体的电子构型。,已知的有机化合物有2000多万种，其中绝大多数由碳、氢、氧、氮等几种元素组成。,少数还含有卤素、硫、磷等元素和周期表中其他元素。,原因：碳原子互相结合形成分子的骨架，别的元素的原子就连在这个骨架上。,分子骨架有多种形式，有直链、支链、环状等。,含5个碳原子的化合物，开链的分子骨架有：,若三个骨架都和氢结合的话，分子式是相同的(C5H12)。,具有相同的分子式而结构不同的化合物，称为同分异构
7、体，这种现象称为同分异构现象。,有机化学中，不能只用分子式来表示一个有机化合物，而必须用构造式。,有机化合物在物理性质方面表现为：,熔点、沸点低，挥发性大；常温下多为气体，液体或低熔点固体(mp. 400 )。,水溶性较差，大多数有机化合物难溶于水；低分子量醇、醛酮、羧酸以及氨基酸、糖类化合物易溶于水。,(2) 性质上的特点,有机化合物在化学性质方面表现为：,绝大多数能燃烧，生成CO2和H2O，如汽油、酒精等，但也有例外，如CCl4为灭火剂。,热稳定性差，受热易分解(200300)。,反应速度慢，反应复杂、副反应多，产率较低。,原因：无机化合物之间为离子反应；有机化合物多为分子间反应，可能在分
8、子的几个部位发生反应。,有机反应式书写：只写出主要反应物和产物，常用箭头不用等号，有时在箭头上写出必要条件。,一般不用配平，在计算理论产率时才配平。,碳是第二周期，第四主族的元素。有机化合物中的原子都是以共价键结合起来的。,1 共价键的理论,原子轨道：用波函数表示。,关于共价键的现代理论，需要量子力学的知识和复杂的数学运算。这里简单介绍处理方法和结果。,s,pz,py,px,1-2 有机化合物的结构,单个sp3杂化轨道,能量相近的原子轨道可杂化形成能量相等的杂化轨道。,杂化,4个sp3杂化轨道,价键理论：量子化学中处理化学键问题的一种近似方法。,共价键的形成：,原子轨道重叠(电子匹配)。,形成
9、共价键(定域键)。,两个原子都有未成对电子，且自旋相反。,甲烷分子中CH键的电子云是围绕键轴对称分布的，这种类型的键叫做键。,单键：由一对电子形成的共价键，用一条短直线表示。,双键或三键：两个原子共用两个或三个电子对构成的共价键。,价键理论的核心：,强调电子运动的局部性，电子运动只与两个原子有关。,共价键的实质就是活动在两个原子核之间的自旋相反的电子把两个原子结合在一起的作用力。,价键理论的要点：,共价键的饱和性：原子的价键数=原子未成对电子的数目。,未成对且自旋相反的电子可配对，形成一个共价键。,共价键的方向性：共价键键能与原子轨道重叠程度成正比。,2px,2px,1s,1s,有效重叠，可以
10、成键,重叠较小，不能成键,分子轨道理论：与价键理论相互补充。,是从分子的整体出发去研究分子中每一个电子的运动状态。,形成的化学键的电子是在整个分子中运动的(离域)。,通过Schrdinger方程的解，可以求出描述分子中的电子运动状态的波函数，称为分子轨道。,每一个分子轨道有一个相应的能量E，E近似的表示在这个轨道上的电子的电离能。,反键轨道,分子轨道，是由能量相近的原子的原子轨道进行线性组合得到的。,成键轨道,H2的分子轨道：,E,1s1,1s2,反键轨道,成键轨道,乙烯的分子轨道：,E,2p1,2p2,由原子轨道组成分子轨道时，必须符合三个条件：,对称匹配，既组成分子轨道的原子轨道的位相(符
11、号)必须相同。,最大重叠，原子轨道重叠的部分要最大，越大越好，使所形成的键稳定。,能量相近，成键的原子轨道的能量相相近能量差越小越好。,分子轨道理论的核心：电子不是属于某个原子的，而是属于整个分子的。,分子轨道理论要点：,分子中任何电子都是在所有核和其余电子所构成的势场中运动。,分子轨道可由原子轨道线性组合而成，n个原子轨道线性组合形成n个分子轨道。,每一分子轨道具有相应能量，分子的总能量等于被电子占据的分子轨道能量的总和。,分子轨道同原子轨道一样，容纳电子时也遵循能量最低原理，Pauli原理，Hund规则。,描述分子中单个电子运动状态的波函数称为分子轨道。,2 共价键的参数,(1) 键长,键
12、长是形成共价键的两个原子之间吸引力、排斥力达到平衡时的距离，一般为0.10.2nm。,同类化合物相同共价键的键长接近相等。,碳和同族元素的键长随原子序数的增加而增加。,0.176nm,0.194nm,0.214nm,相同的原子成键时，单键 双键 三键。,0.1456nm,相同共价键的键长随中心原子的杂化状态不同而不同。,0.120nm,0.1510nm,0.1530nm,0.134nm,0.153nm,118,(2) 键角,三个或三个以上原子成键时，两个共价键之间的夹角。,键角的大小随着分子结构的不同而有所变化，反映了分子的空间结构。,10928,105,121,一般相同类型的化学键的键长越长
13、，键能越小。,(3) 键能,是化学键形成时放出的能量，或化学键断裂时吸收的能量，可用来标志化学键的强度。,双原子分子的键能和键解离能数值相等；多原子分子如CH4的键能为相同键的平均解离能。,一些共价键的键能：,键能可以用热化学法、光谱法等方法来测定。,破裂的键：,生成的键：,反应热为：687.5-862-183.5 kJmol-1,利用共价键的键能，可以估算反应中的热效应。,(4) 键的极性,不同原子形成的共价键具有极性，用偶极矩表示。,偶极矩为矢量，方向从正电荷指向负电荷。,多原子分子的偶极矩是分子中各键的偶极矩的矢量和。,= 0, 0,= q d,(1) 两种断裂方式,均裂：成键电子平均分
14、给两个原子或原子团。,3 共价键的断裂,自由基,CH3表示甲基自由基，R表示烷基自由基。,异裂：成键电子全在一个碎片上，异裂有两种情况。,自由基、碳正离子、碳负离子都是有机反应进程中的活性中间体。,碳正离子,碳负离子,(2) 有机反应的类型,自由基反应：反应的活性中间体是自由基，通过共价键均裂进行反应，一般在光和热的作用下进行。,离子型反应：通过共价键异裂进行的反应，一般在酸碱或极性物质催化下进行。,周环反应：旧键的断裂和新键的生成同时发生。,离子反应根据反应试剂的类型不同又可分为亲电反应和亲核反应。,1 分离提纯,2 纯度检测,研究一个新的有机化合物，首先要把它分离提纯。,纯的有机化合物有固
15、定的物理常数，如熔点、沸点、相对密度、折射率等。,分离提纯的方法常用的有：重结晶、蒸馏、升华、色谱法、离子交换法等。,测定有机化合物的物理常数就可以检定它的纯度。,1-3 研究有机化合物的一般步骤,3 元素分析和分子式的确定,C的质量 = 4.7412/44 = 1.29g,H的质量 = 1.922/18 = 0.213g,O的质量 = 3.261.290.213 = 1.76g,实验式为CH2O ，分子式为C2H4O2。,例：3.26g样品含C、H、O三种元素，燃烧后得到CO2为4.74g，H2O为1.92g，测得相对分子量为60。,4 结构的确定,分子的结构包括分子的构造、构型和构象。,构
16、造：分子中原子互相连结的方式和次序。,构型：在构造式的基础上，分子中原子的空间排列方式。,构象：由于围绕单键旋转而产生的分子在空间的不同排列形式。,确定有机化合物结构的方法：化学方法，物理方法。,5 构造式的写法,价键式(Kekul结构式)：,点电子式(Lewis结构式)：,在多数场合中，常使用价键式及其简略写法。,(2) 碳环化合物：含有完全由碳原子组成的环。,脂环化合物，性质上和开链化合物相似。,1 按碳架分类,(1) 开链化合物：碳原子互相结合形成链状。,1-4 有机化合物的分类,丙烷,丙烯,乙醇,环戊烷,环己烷,环己烯,芳香族化合物，结构中大多含有苯环，性质上和脂环化合物不同。,苯,甲苯,萘,(3) 杂环化合物，分子中含有碳原子和其他原子组成的杂环，它们的母体与芳香族化合物有些相似。,呋喃,噻吩,吡啶,2 按官能团分类,官能团是决定化合物典型性质的原子团。,官能团,含有相
