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1、有机化学 一门博大精深，处于核心和主导地位的科学 主讲：张文勤,第一章 绪 论,本章重点： 键能【决定反应成败】 电负性【决定反应类型、机理】 Lewis 酸碱和软硬酸碱【决定反应速度】,第一章 绪 论,1.1 有机化合物和有机化学 1.2 分子结构和结构式 1.3 共价键 1.3.1 共价键的形成 1.3.2 共价键的属性 1.3.3 共价键的断裂和有机反应的类型 1.4 分子间相互作用力 1.4.1 偶极-偶极相互作用 1.4.2 van der Waals 力 1.4.3 氢键 1.5 酸碱的概念 1.5.1 Brnsted 酸碱理论 1.5.2 Lewis 酸碱理论 1.5.3 硬软酸
2、碱原理 1.6 有机化合物的分类 1.6.1 按碳架分类 1.6.2 按官能团分类,1.1 有机化合物和有机化学,绝大多数有机化合物含有碳氢两种基本元素， 有机化合物：碳氢化合物及其衍生物,有机物 无机物,有机化合物,变化规律,性质,有机反应,结构与反应性之间的关系,组成,结构,有机化学的研究内容：,有机化学：是研究有机化合物结构、性质 、相互转化与应用的一门科学,理论机理,有机化学重要性： 衣：棉花、化纤、染料、香料、化妆品 食：脂肪、碳水化合物、蛋白质、维生素、药物 住：油漆、涂料、清洁剂 行：汽油、纸张、油墨、网络、电脑、手机等,无机化学,有 机 化 学,高分子化学,材料化学,环境化学,
3、农业化学,精细化工,药物化学,化学生物学,分子生物学,食品化学,生物化学,1.2 分子结构和结构式,分子(molecules): 由原子按一定排列顺序，相互键合 相互影响结合而成的整体。,这种排列顺序和相互作用关系称为分子结构(molecular structures)。,分子性质不仅取决于组成分子的原子种类和数目（分子式），更重要取决于分子结构。,C2H6O,CH3CH2OH,CH3OCH3,乙醇,二甲醚,分子式相同，结构不同的现象叫做同分异构。由原子之间键合次序不同而产生的异构现象叫构造异构，这在有机化学里非常普遍。随着组成分子的原子数目增加，构造异构体数目激增。例如：C4H10O就包含7
4、种异构体。,由于存在复杂的异构现象，有机化学里都用结构式来描述化合物: 缩简式正规、键线式便捷,表示方式：,短线式(dash formulas): 缩简式(condensed formulas): 键线式(bond-line formulas):,CH3CH2CH2CH3,分子结构(molecular structures):,1.3 共价键,是有机化合物中典型的化学键。,1.3.1 共价键的形成,离子键(ionic bonds)： 成键电子完全归属于电负性大的原子。,共价键(covalent bonds)： 由两个原子间共用一对或几对电子产生的化学键,(1) 价键理论(valence bon
5、d theory),共价键的形成：是成键原子的原子轨道 (电子云)相互交盖的结果,H,H,+,H,H,=,氢原子 轨道交盖 氢分子,图1.1 氢原子的 s 轨道交盖形成氢分子,H2,交盖区域内的共用电子增加了其对成键原子 核吸引，降低了体系能量。成键电子定域在两个原子核之间。,杂化轨道理论(hybrid orbital theory) :,基态,2p,2s,1s,激发态,2p,2s,1s,杂化,杂化：混合后再重新分配,能量相等,(a) 碳原子轨道的sp3杂化,电子 跃迁,sp3 杂化态,1s,sp3,(2) 轨道杂化,碳原子在基态时的电子构型：,碳原子的基态电子构型只能形成两个共价键，与实际上
6、碳是四价的特征不符。,sp2和sp杂化与sp3杂化类同，参加杂化的只是其中的2个和1个2p轨道，杂化轨道图形分别如下：,4个sp3杂化轨道指向四面体的顶点，夹角109.5o,(3) 分子轨道理论(molecular orbital theory),分子轨道(MO)：由原子轨道线性组合而成。,+,+,-,节面,*,+,+,+,+,+,图1.2 氢分子轨道形成示意图,1,2,1, 2,成键电子在整个分子轨道中运动。, 1,*, 2,分子轨道,原子轨道,原子轨道,能 量,图 1.3 氢原子形成氢分子的轨道能级图,原子轨道组成分子轨道必须满足的条件： 能级相近 交盖程度越大，形成的键越稳定 对称性(位
7、相)相同,1.3.2 共价键的属性,键长(bond lengths)：成键原子的原子核间的平均距离。 同种共价键因受其他键的影响不同，长度并不一致。,(2) 键能 (bond energy): 形成共价键时体系释放的能量, 或断裂共价键时体系吸收的能量。,键能反映了共价键的强度，键能越大，则键越牢固。,Bond Lengths and Energies of Commonly Chemical Bonds,Bond Lengths and Energies of Commonly Chemical Bonds,Bond Lengths and Energies of Commonly Chem
8、ical Bonds,(3) 键角(Bond angles),键角：两价以上的原子在与其它原子成键时，键与键之间的夹角。,甲烷 乙醚 甲醛,键角反映了分子的空间结构,(4) 键的极性和诱导效应,共价键的类型：,非极性共价键(nonpolar covalent bonds)： 两个相同的原子成键, 电子云对称分布在两个原子之间，所形成的键叫做非极性共价键。,极性共价键(polar covalent bonds): 电负性不同的原子成键时，电子云偏向电负性较大原子一侧。,共价键的极性大小是用偶极矩()来度量的。,= q.d,q: 电荷 d: 正负电荷之间的距离 :单位为Cm (库仑米), = 3.
9、57 10-30 Cm,Electronegativity,双原子分子偶极矩共价键的偶极矩 多原子分子偶极矩各个共价键偶极矩矢量和, 6.47x10-30C.m, 3.28x10-30C.m, 1.08x10-30C.m, 0,诱导效应(Inductive effect)：,由于分子内成键原子的电负性不同，而引起分子内电子云密度分布不均匀。这种影响沿分子链静电诱导地传递下去，这种分子内原子相互影响的电子效应诱导效应(I),诱导效应：沿饱和键链依次传递，沿不饱和 键链交替传递,pKa: 2.85 4.05 4.59 4.81,诱导效应：随距离增加迅速衰减，超过4个化学键就可以忽略。,有机反应的本
10、质：旧键的断裂和新键的生成,1.3.3 共价键的断裂和有机反应的类型,共价键断裂的方式：,异裂(heterolytic bond cleavage):,碳正离子 (carbocation),碳负离子 (carbanion),碳正离子、碳负离子、自由基都是有机反应活性中间体。经过自由基进行的反应叫做自由基反应；经过碳正离子、碳负离子进行的反应叫做离子型反应。,1.4 分子间相互作用力 1.4.1 偶极偶极相互作用：,极性分子带部分正电荷的一端与另一个分子带部分负电荷的一端的静电吸引作用。,极性分子之间强的偶极作用导致其沸点较相近分子量的非极性分子高。例如：丙酮沸点58oC；丁烷：-0.5oC,1
11、.4.2 van der Waals 力,非极性分子之间存在的吸引力,van der Waals (范德华)力：,瞬间偶极和诱导偶极之间相反电荷的 区域彼此吸引,1.4.3 氢键(hydrogen bonds),Y: 电负性很强，原子半径较小,两个甲醇分子之间形成的氢键：,分子间作用力大小顺序为：,氢键 偶极-偶极吸引力 van der Waals力,1.5 酸碱的概念 1.5.1 Brnsted 酸碱理论,Brnsted 定义：,酸：给出质子的分子或离子 碱：接受质子的分子或离子,酸 碱 碱 酸,共轭碱,共轭酸,弱酸的共轭碱是强碱：,强酸的共轭碱是弱碱：,1.5.2 Lewis 酸碱理论,L
12、ewis 酸(Lewis acid)： 能够接受未共用电子对的分子或离子,Lewis 碱(Lewis bases)： 能够给出电子对的分子或离子,Lewis 碱：,Lewis 酸：,Lewis 酸,Lewis 碱,Lewis 酸碱复合物,Lewis 酸 碱 酸碱复合物 Brnsted 碱 酸或碱,Lewis 碱 复合物 碱 碱 Brnsted 酸或碱 酸或碱 酸或碱,1.5.3 软硬酸碱原理,Pearson 将 Lewis 酸碱分为：,硬酸：接受体的体积小，带正电荷多， 价电子层没有未共用电子对,软酸：接受体的原子体积大，带正电荷少， 价电子层里有未共用电子对,硬碱：给予体的原子体积小，电负性
13、高， 可极化性低，不易被氧化,软碱：给予体的原子体积大，电负性低， 可极化性高，易被氧化,硬酸 硬碱,对外层电子（价电子）束缚牢固,软酸 软碱,对价电子束缚不牢,“硬”、“软” 是用来描述酸碱抓电子的 松紧程度。,“软亲软、硬亲硬” H2SO4比 H2SO3稳定,1.6 有机化合物的分类 1.6.1 按碳架分类,乙烷 1丁烯 丙炔 乙醇,开链化合物（脂肪族化合物）：,脂环化合物：,环己烷 环戊二烯 环辛烯 环己醇,芳香族化合物：,苯 萘 苯酚 氯苯,杂环化合物：,四氢呋喃 噻吩 吡啶 糠醛,1.6.2 按官能团分类,官能团(functional groups):,容易发生反应的原子或基团,表1
14、.3 一些常见的重要官能团,化合物类型 化合物 官能团构造 官能团名称,本章重点 1、了解有机化学重要性 2、深刻理解电负性（诱导效应、氢键） 、键长、键能 电负性决定反应类型 键能决定反应成败 3、掌握有机酸碱理论,参考书(Reference): Francis A. Carry Organic chemistry 4th edition 2. John McMurry Organic chemistry 5th edition 3. T.W. Graham Solomons Organic chemistry 5th and 6th edition 4. 王积涛主编有机化学（第二版） 5. 邢其毅主编基础有机化学 （第二版）,
