有机化学讲义课件

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1、有机化学,游志军 2004年1月,第1章 绪 论 1.1 有机化合物和有机化学,1. 有机化合物(简称有机物)的定义(organic compound)含碳化合物或碳氢化合物(简称烃)及其衍生物.(母体) (H被其它原子或基团取代) 组成元素: C、H、O、N、S、P、X(卤素)等. Organ : 器官; “有机”的原意: 具有生命力(受当时生命力学说的影响) 有机物和无机物遵循着同样的化学规律,二者之间没有不可逾越的鸿沟. CO、CO2、 H2CO3及其盐类的性质更接近于无机物,放在无机化学中学习.,2. 有机化学的课程内容和特点 内容: 包括有机物的结构、命名、制备、物理性质与化学性质、

2、官能团之间的相互转化, 以及在此基础之上建立起来的规律和理论. 特点: 基础课3. 教学安排和成绩评定教学安排: 授课内容分两大部分:上半部分: 1至8章(第4章选讲) 期中考试 下半部分: 9至14章、19章 期末考试 成绩评定: 期末考试占50, 平时成绩占50 (含期中考试 40 平时作业、考勤 10),4. 学习方法和要求(1)以课件为纲, 紧扣教材内容, 既要注意保持学科知识的完整性、连贯性和系统性, 又要结合专业特点有所侧重.(2)坚持听课, 课后自觉复习, 按时独立完成作业.(3)注意对相关知识的归纳和总结, 在理解的基础上记忆.(4)不耻下问, 注意与老师和同学的沟通和交流.,

3、1.2 有机化学与生命科学的互动和融合,有机化学广泛地渗透到生命科学的各个领域: 生物化学、分子生物学、医学、药学、农学, 并为生命科学的研究提供理论基础和实验基础. 生命科学则为有机化学的发展充实了丰富的内容. 有机化学和生命科学之间的交叉和融合, 导致了许多新的科学发现, 并将不断推动两门学科的发展. 学习并掌握有机化学的基本知识和理论, 有利于深刻认识生命现象的化学本质, 在分子水平上深入认识和研究探索生命的奥秘.,1.3 有机化合物中的分子结构,1.3.1 有机化合物的化学键 共价键 共价键(covalent bond)的定义:原子之间以共用电子对的方式形成的化学键. 按成键方式, 共

4、价键分为两种基本类型: 键 和 键 阐述共价键的形成和本性的基本理论:价键理论(简称V.B法) 轨道杂化理论 共振论 分子轨道理论(简称M.O法) 其中, 轨道杂化理论和共振论是价键理论的发展和延伸.,表征共价键基本性质(属性)的物理量: 键长 键角 反映了有机物分子的空间构型. 键能(E) 和 键离解能(D) 衡量共价键强度的物理量.对于多原子分子,键能是同类共价键的键离解能的平均值. 例如 甲烷中的CH 键. 键的极性由于成键原子的电负性不同而引起的.成键原子的电负性差值越大, 键的极性越强.偶极矩是衡量共价键极性大小的物理量, 用表示. = q . d 偶极矩的单位是 C . m 即 库

5、仑.米偶极矩是一个矢量, 其方向用 + 表示.分子的偶极矩是分子中各个键偶极矩的矢量和.,补充 共价键理论:1. 价键理论 1927年 (德)Heitler and London 提出利用量子力学中的Schrdinger方程近似处理氢分子结果的推广. (薛定锷方程)成键电子的运动定域于成键原子之间. 一个原子有几个未成对电子, 就可与几个自旋相反的电子配对,其原子轨道相互重叠成键. 重叠的部分越大,体系能量降低越多,所形成的共价键越牢固. 一个原子的化合价就是这个原子的未成对电子数.共价键的饱和性共价键的方向性 : 只有两个原子轨道以某一方向接近,相互间有最大重叠时,才能形成稳定的共价键. (

6、各原子轨道形状: S:球形 P:反八字形),2. 分子轨道理论 1932年 (美)密立根和(德)洪特提出 成键电子的运动并不局限于成键原子之间,而是在整个分子的区域内,即在整个分子体系的三维空间内,都有一定的分布概率(2) ，成键电子的运动是离域的.分子轨道包括: 成键轨道、反键轨道(能量由低到高)分子轨道理论的电子离域观点,对价电子在分子中运动形态的描述更为确切,并能很好地解释共轭分子的特性,但除共轭分子外,其它分子中电子离域的程度很小,仍可以方便地采用价键理论(包括轨道杂化理论和共振论)解释有机物的结构.,3.轨道杂化理论 1931年 Pauling 和 Slater 提出碳原子的外层电子

7、构型为 2s2 2px 2py , 未成对电子数为2, 在有机物中碳原子的化合价为什么不是2价而是4价?轨道杂化理论认为, 在形成分子的瞬间, 碳原子首先从基 态吸收能量, 经电子跃迁到激发态: 跃迁2px 2py 2pz 2px 2py 2pz2s 2s基态碳原子 激发态碳原子此激发态碳原子还要进一步发生轨道杂化混合再平均 分配,也就是由激发态的2s轨道和2p轨道以不同的组合方式 相互作用形成杂化轨道. 有机碳原子的杂化轨道,通常有以下三种:,1,1,(1)sp3杂化轨道杂化2px 2py 2pzsp3杂化态2s激发态碳原子 sp3杂化轨道的形状:简化为: 四个sp3杂化轨道在空间的排列方式

8、: 正四面体形四个sp3杂化轨道分别指向以碳原子为中心的正四面体的四个顶点, 相互成 109.5角. sp3杂化轨道用于形成单键 (含1个键).例: 甲烷 CH4 的结构键: 两个原子轨道沿键轴方向头对头地重叠所构成的共价键. 键的形状呈圆柱形沿键轴对称分布,可沿键轴自由旋转.,(2)sp2杂化轨道杂化2px 2py 2pz 2pzsp2杂化态2s激发态碳原子 sp2杂化轨道的形状: 与sp3相似 三个sp2杂化轨道在空间的分布: 平面三角形三个sp2杂化轨道的对称轴处于以碳原子为中心的同一平面内,相互成 120角. 另一个未参加杂化的2p轨道垂直于此平面. sp2杂化轨道一般用于形成双键(包

9、括1个键和1个键).例: 乙烯 CH2CH2的结构键: 两个相互平行的未参加杂化的2p轨道肩并肩地重叠所构成的共价键. 键重叠程度较小,没有键稳定,键能较小,同时,组成键的任一原子不能绕键轴自由旋转.,(3)sp杂化轨道杂化2px 2py 2pz 2py 2pz sp杂化态2s激发态碳原子 sp杂化轨道的形状: 与sp3和sp2相似 两个sp杂化轨道在空间的分布: 直线形两个sp杂化轨道的对称轴处于以碳原子为中心的同一直线上,相互成 180角. 另两个未参加杂化的2p轨道相互垂直,并垂直于此直线. sp杂化轨道一般用于形成叁键(包括1个键和2个键).例: 乙炔 CHCH 的结构杂化轨道: 在形

10、成共价键的过程中,同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道重新组合,重新分配能量和空间方向,组成数目相等的成键能力更强的新的原子轨道.,4.共振论 1930年 Pauling提出许多分子或离子的结构应采用两个或更多个Lewis结构式来描述. 一个分子或离子的真实结构是共振于这些可能的结构之间的,是这些不同的可能结构的共振杂化体. 每一种可能的Lewis式叫做极限结构式或共振结构式. 例如, CO32：O: O: OOC :OC :OCO: O O: 不同极限结构式如何通过价电子转移而相互转变?仅涉及电子对和未共用电子对(孤对电子) 评价不同极限结构式的相对重要性(贡献)的经验规律 应用共振

11、论可以解释具有离域共轭体系的分子,例如苯、1,3丁二烯, 弥补了价键理论定域概念的局限性.,1.3.2 分子结构(structure)的基本含义应包括: 分子的构造(constitution)、构型(configuration)、和 构象(conformation) 构造: 是指组成分子的原子或基团的相互连接次序和方式. 构型: 是指组成分子的原子或基团的固有空间排列, 构型的改变必须靠化学键的断裂和新的化学键的形成. 构象: 是指组成分子的原子或基团的相对空间排列, 构象的改变不是靠化学键的断裂和新的化学键的形成, 而是靠化学键(主要是 CC单键)的转动, 其构象又可因化学键的转动而复原.

12、构型和构象都是有机物分子的立体化学状态, 是在分子构造相同时, 组成分子的原子或基团的空间排列状态.,1.3.3 有机化合物的同分异构现象 同分异构现象: 分子组成(分子式)相同, 而结构不同的现象.同分异构体: 分子组成相同, 而结构不同的物质.总结: 环烷烃和单烯烃 碳链异构 二烯烃和炔烃构造异构 官能团异构 醇和醚位置异构 醛和酮同分异构 羧酸和酯构象异构 (如: 蛋白质的变性)立体异构 顺反异构: 环、双键 构型异构 对映异构: 手性分子(又叫旋光异构、光学异构)构型异构和构象异构的基本区别?,1.3.4 有机化合物的结构式 书写结构式的基本原则是 满足八隅体结构, 成键时使各原子最外

13、层电子全充满 ( H: 2 其它原子: 8 ) 化合价: 相当于每个原子在结构式中的共价键数.常见价态: H: 1 C: 4 N: 3 O: 2 X(卤素): 1(有机物中) P: 5 S: 2 结构式的不同书写方式:1. 电子式 (又叫 Lewis 结构式) 不常用能清晰地表达出分子中每一个原子的外层电子构成, 也是其它不同形式的结构式的理论基础.2. 实线式 (又叫 Kekul 结构式 或 价键结构式) 常用用一短线表示Lewis结构式中原子间成键电子对.,实线式的简化形式: 简式 最常用例如 正丁烷 写成 CH3CH2CH2CH3 或 CH3(CH2)2CH3异丁烷 写成 CH3CHCH3 或 (CH3)3CHCH3 骨架式 常用于表示环状或碳链较长的化合物例如 环己烷 写成 正丁烷 写成 3. 构象式常用 Newman 投影式 (见书) 表示有机物分子的构象4. 立体结构式 (见书)表示三维空间里有机物分子的立体状态,