有机化学 第一章绪论

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1、第一章 绪 论 Introduction第一章 绪论 -目录n1.1 有机化合物n1.2 有机化学发展及研究内容n1.3 有机化合物结构n1.3.1 价键理论n1.3.2 分子轨道理论n1.3.3 非共价键作用对有机物性质的影响n1.4 有机化合物构造式写法n1.5 有机化合物的分类n1.6 有机化学中酸碱概念第一章 重点问题n1. 有机化学的定义及研究内容n2. 价键理论 n(1)价键形成n(2)杂化轨道理论n3.共价键键参数n4. 有机化合物构造式书写n5. 有机化学中酸碱概念1.1 有 机 化 合 物 Organic Compounds1. 有机化合物定义-碳氢化合物及其衍生物 例: 烷

2、烃、醇类、 芳香烃、 糖、 脂肪、蛋白质 . 2. 来源: (1) 天然产物(2) 合成产物 一百多年来，人工已合成了700多万种有机化合 物;目前，已得到了1000多万种有机化合物 建立了一套系统地鉴定和测定有机化合物的方 法 逐步建立和完善了有机化学的理论体系3. 有机化学-研究有机化合物来源、 组 成、 结构、性质、反应机理、合成方法的 理论与应用的学科维生素C(Vitamin C)氯霉素自 然 界 中 碳 的 循 环 4. 有机物特点 (1). 数量多. 已知的化合物有一千多万种,其中有机化合物占 绝大多数,而其余九十几种元素组成的无机化合物 只有几十万种.而且每年还要新合成和发现几万

3、到 几十万种有机化合物. 两个原因: (一)是组成有机化合物的碳原子可以是一个碳原子到 几十万甚至几百万个碳原子; (二)有机化合物普遍存在异构现象使其数量大大增加 . (虽然无机化合物也有异构现象,但是没有有机化物 普遍和复杂.比如,含以八个碳原子为主的汽油 (C8H18),已经确认的碳氢化合物就有二百种以上.) 构造 构型异构体4. 有机物特点(2). 易燃, 受热, 易碳化.大多数有机化合物易燃烧, 也有例外,比如四氯化碳,不但不燃,而且可以灭火. (3). 熔点,沸点较低.大多数有机化合物熔点较低,超 过300 以上很少.因为,分子间范德华力(8- 42kJ/mol)小于无机物分子间静

4、电引力. (4).分解温度较低,很少超过400. (5).反应速度较慢,常伴有副反应. 因为共价键 不易解离,分子不同部位可发生反应.大多数有机化 学反应都有副反应,反应不是定量进行的,所以一般 情况下有机化学反应式不用配平,只要写出主要产物 就可以.(5) 反应速度较慢,常伴有副反应例1例21.2 有机化学发展及研究内容n1.2.1 发展历史:n1828， Friedrich Wohler (氰酸铵加热分解产生尿素).1845年，柯尔柏(H. Kolber)合成了醋（CH3COOH）n之后，不断有有机物被人工合成，如石蜡烃、醇、 脂肪酸、甘油、苹果酸、甲醛糖、毒芹碱和尿酸等n特别是在1854

5、年贝特罗(M. Berthelot)合成了脂肪n这一发现引起巨大轰动，因为脂肪是细胞组织内的 物质.它的人工合成意味着 “生命力论”被彻底推翻n尔后,布特列洛夫合成了糖类化合物;.n1857年,Kekule(德)提出碳原子的四价学说.在此基础 上发展了有机化合物结构学说,对有机化学的发展起了 很大推动作用.n1874年,vantHoff(荷)和LeBel(法)提出碳的四面体构 型学说.建立了分子的立体概念,开创了以立体观点来 研究有机化合物的立体化学(stereochemistry).n1917年,Lewis(美)用电子对来说明化学键的生成.n1931年.Huckel(德)用量子化学的方法来解

6、决不饱 和化合物和芳烃的结构问题.n1933年,Ingold(英)用化学动力学方法研究饱和碳 原子上亲核取代反应的机理.n60年代,Hoffman.福井谦一(日)发现分子轨道守恒 原理,提出前线轨道理论.n80-90年代,Corey提出合成子概念.并合成出许多 复杂结构的具有生理活性的有机化合物.发展(近代)：有机化合物分类系统的建立有机合成的发展(煤焦油的工业利用)有机化合物结构理论的建立1.2.2 有机化学是一门迅速发展的学科19012003年，诺贝尔化学奖共93项，其中有机化学方面的化学奖58项，占化学奖63%当代有机化学发展的一个重要趋势:与生命科学的结 合. 1980年(DNA)-1

7、997年(ATP)与生命科学有关的化学诺 贝尔奖八项.1.2.3 有 机 化 学 研 究 内 容n四项内容:分离,结构,反应和合成, 反应机理1. 分离,提取: 从自然界或反应产物通过蒸馏,结晶, 吸附,萃取,升华等操作孤立出单一纯净的有机物.4.反应机理: 研究从原料到产物经历的中间过程, 可合理改变反应条件了解结构与活性关系3.反应和合成 : 从某些有机化合物(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).2. 结构测定: 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.有机化学的基本内容结构命名制备物理性质化学性质官能团之间的相互转化应用在此基础之上建立起来

8、的规律和理论1.3 有机化合物结构1.3.1 有机物化学键类型 1.3.2 价键理论 1.3.3 杂化轨道理论 1.3.4 分子轨道理论 1.3.5 共价键类型 1.3.6 共价键键参数 1.3.7 共价键断裂方式1.3.1 有机物化学键类型1. 离子键(Ionic bonds) -离子之间通过静电 引力结合.2. 共价键 (Covalent bonds)-原子通过共享 电子对,与两个成键原子的原子核相互吸引 成键.3. 配价键 -(一种特殊的共价键)共用电子对 在成键前是属于一个原子的(给予体),接受 电子的原子为接受体.1.3.2 价键理论(电子定域)1. 原子轨道-原子中电子的运动状态

9、用波函数表示。表示方法：电子云的形状和疏密、界面图的大 小s, p, d, f (形状、伸展方向）原子核外电子的排布规律：(1)能量最低原则电子先填充低能量轨道(2)Pauli不相容原理-自旋相反的两个电子可以填 充在同一轨道(3)Hund规则-电子以自旋相同的状态尽可能填充 在能量相同（伸展方向不同）的轨道上CN1s 2s 2px 2py 2pz2. 价键形成-不同原子轨道的重叠或电子配对 的结果当两个原子互相接近，生成共价键时，它们的 原子轨道相互重叠，自旋相反的两个电子在原 子轨道重叠的区域内为两个成键原子所有，重 叠程度越大，核间电子密度大，价键越强。 3. 共价键的饱合性-原子中未成

10、键电子与 另一原子中的某一电子配对后，不能再与 第三个电子配对4.共价键的方向性原子轨道有方向性(p,d,f), 形成共价键时,分子中原子的位置应能使原子轨 间最大限度的重叠(分子的立体结构)共价键的方向性沿x轴方向最大重叠成键沿y轴方向重叠小不成键价键理论要点：1. 共价键是两个原子轨道相互重叠 的结果2. 成键电子定域于成键原子之间3. 共价键具有饱和性4. 共价键具有方向性1.3.3 杂化轨道理论 HybridizationnC 1s22s22p2 2s22px12py12pz0 nN 1s22s22p3 2s22px12py12pz1nO 1s22s22p4 2s22px22py12p

11、z1 n如果C、N、O与氢成键使用原子轨道 p 轨道，则H-C-H、H-N-H 和 H-O-H的键角应该是900杂化轨道理论 Hybridizationn事实上，分子的键角并不等于原子轨道间 的夹角因此提出了杂化轨道理论，认为C、N、O在与 氢原子成键时使用的是 s 与 p 轨道的杂化轨 道 本课程主要采用杂化轨道理论来解释有机化合物结构 和性质。轨 道 杂 化同一原子的能量相近的轨道可进行杂化，组成能量相等的杂化轨道，这样使成键能力更强，体系能量降低，成键后可达到最稳定的分子状态。（杂化轨道数目等于参与杂化的原子轨道数目）n sp杂化： 如 BeCl2 直线型分子n sp2 杂化：如 BF3

12、 平面型分子n sp3 杂化：如 CH4 正四面体结构 碳原子的杂化杂化轨道理论 （Hybridization）nC 1s22s22p2 n2s22px12py12pz0 2s12px12py12pz1 n1s + 1px + 1py + 1pz 4 sp3n每个轨道有一个电子 （1） sp3 Hybridizationpromotionhybridization杂化轨道-能量相近的原子轨道经能量均化 的过程所形成的能量相等的轨道（1） sp3 Hybridization形成一个四面体碳甲烷中化学键（1） sp3 Hybridization乙烷中键C C 键键： s 键（ sp3 - sp3

13、）C H 键键： s 键（1s - sp3）（1） sp3 HybridizationnC 1s22s22p2 n2s22px12py12pz0 2s12px12py12pz1 n1s + 1px + 1py + 1pz 3 sp2 + 1 pzn每个轨道有一个电子promotionhybridization（2） sp2 Hybridization（2） sp2 Hybridization形成一个平面碳原子乙烯中共价键C=C 键键：1 s 键 （ sp2 sp2 ） + 1 键（p p）C H 键键： s 键（1s sp2）nC 1s22s22p2 n2s22px12py12pz0 2s12

14、px12py12pz1 n1s + 1px + 1py + 1pz 2 sp + 1 py + 1pzn每个轨道有一个电子 promotionhybridization（3） sp Hybridization（3） sp HybridizationTo form a linear carbon乙炔中共价键(Bonding in Ethyne)CC 键键： 1 s 键 （ sp2 sp2 ） + 2 键 （p p）C H 键键： s 键 （1s sp）现代价键理论的局限性：1. 只能用于解释两个原子相互作用而形成的共价键2. 不能解释多原子分子形成的共轭双键1.3.4 分子轨道理论 (Molec

15、ular Orbital Theory)n分子轨道:分子中电子的运动状态,由原子轨道线性 组合而成.电子从原子轨道进入成键的分子轨道,形 成化学键,从而使体系能量降低,形成稳定的分子.n原子轨道组成分子轨道时,必须符合三个原则: na) 对称性匹配原则nb) 原子轨道重叠部分要最大(方向性)nc) 能量相近原则分子轨道理论是从分子的整体出发去研究分子 中每个电子的运动状态,认为形成化学键的电子是在 整个分子中运动的(电子可以离域),该理论认为化学 键是原子轨道重叠产生的,任何数目的原子轨道重叠 可以形成同样数目的分子轨道.分子轨道理论（电子离域论）要点：1. 成键电子的运动不是局限于两个成键原子 之间，而是在整个分子的区域内；2. 分子中价电子的运动状态用分子轨道描述3. 分子中的电子根据能量最低原理、保里原 理和洪特规则填充在分子轨道上；4. 决定分子化学性质的主要是原子的价电子氢分子的轨道和轨道能级图能