《有机化学教学课件：第一章 课程介绍》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有机化学教学课件：第一章 课程介绍（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、有有 机机 化化 学学参考书目：参考书目：刑其毅刑其毅 有机化学，高等教育出版社有机化学，高等教育出版社胡宏文胡宏文 有机化学，高等教育出版社有机化学，高等教育出版社John McMurry Organic Chemistry, Sixth Edition, Thomson PressHttp:/ 的的什么是有机化学，它是怎么发展的有机化学主要研究什么，和我们的生活有什么关系有机化学如何分类，如何对有机化合物进行分析有机化合物的结构如何表征，（有机化合物的结构式和价键理论）第一节、什么是有机化学：第一节、什么是有机化学：有机化学：有机化学：现代有机化学是指含碳化合物的化学，含碳化合物就被认为是
2、有机化合物；有机化学就是研究有机化合物的结构、性质和合成的学科。含碳化合物有机化合物化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学元素周期表元素周期表红色为后来的合成元素红色为后来的合成元素CHOSNPCl有机化学的起源和发展（1）从有机体内提取有机物）从有机体内提取有机物 （ 1773 1805） 酒石酸、尿酸、乳酸等，酒石酸、尿酸、乳酸等，从动植物体内获取的化合物，结构比较复杂，加热不稳定。1789年，拉瓦锡发现有机化合物主要由碳、氢构成。1806，柏则里（Berzelius）有机化学区别于矿物质化学（无机化学）提出“生命力生命力”学说：动植物体内存在的神奇的生命力是合成有机化合物的学
3、说：动植物体内存在的神奇的生命力是合成有机化合物的必要条件。必要条件。（2）由提取进入到提取合成并举的时代由提取进入到提取合成并举的时代（180618281848）1828，F.Wohler：合成尿素：合成尿素从无机物合成得到有机物从无机物合成得到有机物一、有机化合物一、有机化合物受到了挑战1844年，H.Kolbe合成了醋酸（3）进入合成时代）进入合成时代（184919002001）1854年，M. Berthelot 合成了脂肪脂肪类物质；1861年，布特列洛夫 合成了糖类糖类维生素维生素B12 牛胰岛素牛胰岛素 紫杉醇紫杉醇合成生物大分子：蛋白、多肽等彻底否定了生命力学说二、有机化学发展
4、中的里程碑二、有机化学发展中的里程碑有机化学奠基于有机化学奠基于18世纪中叶世纪中叶。拉瓦锡（拉瓦锡（Lavoisier）指出：）指出：有机物主要由C, H, O三种元素组成康尼查罗（康尼查罗（Cannizzaro）：应用阿伏加德罗学说把实验式与分 子式区分开。如：实验式实验式：CH2， 乙烯，环戊烷，环己烷分子式分子式： 乙烯，C2H4，环戊烷，C5H10，环己烷，C6H12，克库勒（克库勒（Kekule）等）等：结构理论有机化学最基本的理论 十九世纪下半叶，有机合成研究取得了迅猛发展。十九世纪下半叶，有机合成研究取得了迅猛发展。二十世纪初，二十世纪初，开始了以煤焦油为原料制备合成染料，药物
5、和炸药的有机化学工业有机化学工业。二二十十世世纪纪四四十十年年代代，开始了以石油为主要原料的有机化工业，其中，以生产合成纤维、合成橡胶和塑料为主的有机合成材料工业的大发展，促进了现代工业和科学技术的发展。（高分子材料） 二十世纪九十年代：生命科学，生物化学的发展，利用二十世纪九十年代：生命科学，生物化学的发展，利用有机化学的理论从分子水平上研究生命活动有机化学的理论从分子水平上研究生命活动三、已经取得的成果三、已经取得的成果（i）制备了几千万种的化合物）制备了几千万种的化合物（ii）建立了一套系统鉴定和测定有机化合物的方法。建立了一套系统鉴定和测定有机化合物的方法。（iii）逐步建立和完善了有
6、机化学的理论。逐步建立和完善了有机化学的理论。诺贝尔化学奖：几乎有一半以上的化学奖与有机化学有关，诺贝尔化学奖：几乎有一半以上的化学奖与有机化学有关，2005年是关于有机化合物烯烃的复分解反应。年是关于有机化合物烯烃的复分解反应。二十世纪（二十世纪（46项重大发明，项重大发明，8项与有机化学有关）。项与有机化学有关）。有机化学的时代有机化学的时代超过95的化合物含有碳有机化合物和我们的生活密切相关：衣服，家用物品、汽车、电子产品、药物，各种生物体超过50的化学家是有机化学家有机化学是各种生命活动的基础自自然然界界中中碳碳的的循循环环 有机化合物的特性同分异构现象：结构、官能团、构型化学反应慢反
7、应复杂，石油的形成易燃烧对热不稳定易溶于有机溶剂，不溶于水结构结构性质性质机理机理合成合成第二节、有机化学的研究内容决定原子在空间如何排布，进而形成复杂的化合物如何利用这些化合物理解分子的反应性、化学反应如何/为什么能够发生通过化学反应用简单分子构建复杂分之第三节、有机化合物的分类和分析第三节、有机化合物的分类和分析1、有机化合物的分类、有机化合物的分类按碳链分类按碳链分类按官能团分类按官能团分类官能团决定化合物典型性质的原子或原子团。含有相同官能团的化合物具有相似的化学性质，是同类化合物。按官能团分类可将有机物分为：烷、烯、炔、卤代烃、芳香烃、醇、酚、醚、醛、酮、醌、烷、烯、炔、卤代烃、芳香
8、烃、醇、酚、醚、醛、酮、醌、羧酸、羧酸衍生物、硝基化合物、胺、重氮和偶氮化合物、羧酸、羧酸衍生物、硝基化合物、胺、重氮和偶氮化合物、杂环化合物杂环化合物 等。通常将以上两种分类方法结合使用通常将以上两种分类方法结合使用。如：“开链烯烃”、“脂肪酸”、“芳香胺” 按官能团分类按官能团分类烷烃（烷烃（Alkanes） 羧酸羧酸（Acid）烯烃（烯烃（Alkenes）酯（酯（Ester）炔烃（炔烃（Alkynes）酰卤（酰卤（Carbonylhalide）芳烃（芳烃（Aromaties）酸酐（酸酐（Anhydride）卤烃（卤烃（Alkylhalide）酰胺（酰胺（Amide）醇（醇（Alcohol
9、）胺（胺（Amine）酚（酚（Phenol）磺酸磺酸醚（醚（Ether）醛酮（醛酮（Carbonylcompounds）一些常见官能团及其名称官能团优先次序规则官能团优先次序规则：(高鸿宾，实用有机化学辞典，高教出版社，1997)羧基、磺酸、酯，酰卤、酰胺、腈，醛基、酮基、醇羟基，酚、巯、氨基、（氢）、烷氧基、烷基、卤素、硝基。 2 2、有机化合物分析、有机化合物分析柱色谱法纯化有机物柱色谱法纯化有机物不同溶剂中苯酚的不同溶剂中苯酚的UV谱谱(a.庚烷庚烷b.乙醇乙醇)壬醛的红外光谱图壬醛的红外光谱图1HNMRspectrumofC4H11NO13CNMRspectrumofC4H11NO正己
10、烷的质谱图正己烷的质谱图第四节、有机化合物的特点第四节、有机化合物的特点1.组成上的特点：组成上的特点：主要主要： C， H 其次其次：O，S，P，N.特点特点： 元素种类单一，但种类繁多 原子序数小，半径小，易形成稳定共价键2、有机物性质上的特点：有机物性质上的特点：（1）易燃：一般有机物易燃烧，这与分子中含C、H有关；卤代烃难燃，如，四氯化碳可灭火；（2）熔、沸点低：有机物大多为分子晶体，因此，熔、沸点低，易挥发；（3）难溶于水，易溶于有机溶剂；（4）反应速度慢，副反应多：分子间反应，需要一定活化能，常需要加热、加催化剂来加速反应，且在反应时常伴有副反应，因此必须控制反应条件。3. 结构上
11、的特点结构上的特点主要元素主要元素C：1S22S2SP2（1）碳原子相互结合能力强碳原子相互结合能力强，它们之间通过共价键可相互结合成碳链或碳环。（2）同分异构现象同分异构现象：分子式相同分子式相同,结构不同的化合物称为同分异构体结构不同的化合物称为同分异构体,也叫结构异构体也叫结构异构体第五节、有机化合物的价键理论第五节、有机化合物的价键理论靠正负电荷相互吸引而形成的化学键称为离子键，金属化合物1、离子键、离子键2、共价键、共价键VantHoff提出了碳为四面体的学说：提出了碳为四面体的学说：克库勒（克库勒（Kekule）结构理论）结构理论：为解决原子在分子中的排布顺序或关系而提出。内容：（
12、1）原子在分子中按他们的化合价依一定顺序连接起来。（2）每一种元素有一定数目的化合价。(3)碳为四价，碳碳之间可相互成原子间共享电子对形成的化学键叫做共价键、这是原子间共享电子对形成的化学键叫做共价键、这是有机化合物最主要的连接方式有机化合物最主要的连接方式（1916年，lewis）8电子学说，原子形成化学键外层达到8电子比较稳定。NaCl,HCN,COCl2共价键共价键的研究内容2.1共价键的形成(甲)价键法(乙)分子轨道法2.2共价键的基本属性(甲)键长(乙)键能(丙)键角(丁)键的极性2.3共价键的断裂方式与有机反应的类型(甲)断键方式与反应类型均裂自由基反应异裂离子型反应周环反应(乙)
13、有机反应试剂的分类自由基试剂亲电试剂亲核试剂试剂与酸碱共价键最基本特点是具有饱和性和方向性共价键最基本特点是具有饱和性和方向性。在有机化合物中，所有的碳都是4价！成键原子间必须沿着电子云密度最大的方向重叠成键。描述共价键的两种理论：价键理论：形象直观，定域的观点，常用于描述非共轭体系；分子轨道理论：离域的观点，常用于描述共轭体系。将价键理论和分子轨道理论结合起来，可以较好地说明有机分子的结构。2.1.1价键理论（电子配对法）价键理论（电子配对法）（Valence Bond Theory） 1927年由Heiter和Londen提出氢分子的形成，由pauling推广到 双原子、多原子分子。基本要
14、点：基本要点：（i）形成共价键的两个电子，必须自旋方向相反；（ii）元素原子的共价数等于该原子的未成对电子数（共价键具有饱和性）；（iii）最大重叠原理（共价键具有方向性）。例例1 H2的形成成键电子处于成键原子之间。 CH4、C2H4、C2H2的形成杂化轨道的概念：简单的电子配对学说无法解释多原子分子体系杂化轨道理论杂化轨道理论: 由Pauling提出，基本要点：基本要点：（i）元素的原子在成键时可变成激发态，能量相近的原子轨道可以重新组合成新的原子轨道，称杂化轨道。（ii）杂化轨道的数目等于参与杂化的原子轨道数目，并包含原子轨道的成分。（iii）杂化轨道的方向性更强，成键能力增大。碳原子的
15、核外电子排布式碳原子的核外电子排布式： C:1S22S22Px12Py1(i) sp3杂化杂化甲烷分子中的碳原子采取sp3杂化。杂化的结果： sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。四个sp3杂化轨道完全相同，取最大的空间距离为正四面体正四面体构型（原子在空间的排列方式），轨道夹角为109.5。四个H原子只能从四面体的四个顶点进行重叠(因顶点方向电子云密度最大),形成4个CH键。(ii) sp2杂化杂化乙烯分子中的碳原子采取sp2杂化。杂化的结果：sp2轨道的s成份更大些 未参与杂化的p轨道间肩并肩重叠形成键(iii) sp杂化杂化乙炔分子中的碳原子采取sp杂化。sp杂化的结果：sp杂化碳
16、为直线构型 乙炔分子的骨架 2个相互的键 sp杂化轨道的s成分更大，电子云离核更近!两个sp杂化轨道取最大键角180。所以：乙炔分子中电子云的形状为对称于C-C键的圆筒形。 要点：要点：不同杂化态碳原子的电负性不同，导致其与氢原子或其他原子形成的键的性质不同。电负性：sp杂化碳sp2杂化碳sp3杂化碳!杂化轨道可形成键，如C-H、C-C、C-X、C-O、C-N等。键是有机分子构成碳链或碳环的基础。未参与杂化的p轨道可形成键，如C=C、C=O、CC、CN等。2.1.2分子轨道理论分子轨道理论分子轨道理论的基本出发点是把组成分子的所有原子做为一个整体来考虑，认为分子中电子围绕整个分子在多核体系内运
17、动，成键电子是非定域即离域的。 当原子组成分子时，形成共价键的电子是运动于整个分子区域。分子中价电子的运动状态即分子轨道，可用波函数来描述。 的具体形式可用薛定谔方程求得，但很复杂。常用量子力学的近似计算法-原子轨道线形组合来求。 两原子轨道组合形成分子轨道时，必须符合三个组合原则：能量相近原则、对称性原则和最大重叠原则， 所形成的分子轨道数目等于参与组合的原子轨道数目。 每一个分子轨道具有相应的能量，其能量随构成分子轨道的原子轨道类型不同以及分子轨道的重叠方式不同而异。分子轨道理论主要用来处理p电子或电子。乙烯分子中有两个未参加杂化的p轨道，这两个p轨道可通过线性组合（加加减减）而形成两个分
18、子轨道(轨道)：( )(* )示意图1,3-丁二烯示意图1,3-丁二烯2.2 共价键的基本参数共价键的基本参数用于表征化学键性质的物理量称键参数。主要指键长、键角、键键长、键角、键能能等。通过键参数，可以预测分子的构型，解释分子的稳定性和分子极性等性质。（1）键长（bond length）分子中成键两原子间的平均平衡核间距称之。分子中成键两原子间的平均平衡核间距称之。不同的共价键具有不同的键长。一般而言，在不同化合物中，两个原子以同一类型的键相互结合，它们的键长基本相同。例如：CC键长0.154nm CH 键长0.109nmC=C键长0.133nmCO 键长0.143nm相同的共价键，处于不同
19、的化学环境时，键长也稍有差异。一般地：键长越短，化学键越牢固，越不容易断开。常见共价键的键长共价键键长/pm共价键键长/pm共价键键长/pmC-H109C=C134C=C120C-C154C=N128CN116C-N147C=O122H-N103C-O143H-O96C-F141C-Cl177C-Br191C-I212键长数据可通过分子光谱或单晶体X-射线衍射等实验手段测得，还可用量子力学的近似方法，从已知热力学数据算得。（2）键角(bond angle)：两个共价键之间的夹角称之。两个共价键之间的夹角称之。键角数据也是通过分子光谱和X-射线衍射法确定的。理论上理论上，烷烃中C都是SP3杂化，
20、键角应相同，即109.5。实际中实际中，键角与成键中心原子的杂化态有关，也受分子中其他原子的影响。随分子结构不同，键角与理论值并不一致。当分子的键角与理论（平均）值相差很大时，就会使分子出现当分子的键角与理论（平均）值相差很大时，就会使分子出现一些特殊性质一些特殊性质。如：环丙烷中，C-C-C键角与理论键角相差约5 ，环丙烷性质与丙烷不同，化学性质活泼，不稳定。实例实例立体透视式的写法（3）键能（键能（bondenergy）:形成或断裂一个共价键放出或消耗的能量，称该键的离解能离解能。分子中多个同类型的键时，常用它们离解能的平均值来表示，分子中多个同类型的键时，常用它们离解能的平均值来表示，称
21、之为键能称之为键能E(KJ.mol-1)。 平均值：(423+439+448+347)4=414KJ/mol CH的键能为414KJ/mol。键能来衡量共价键的强度，化学键的键能越大，键越牢固。常见共价键的平均键能（KJ/mol）键键能键键能键键能O-H464.47C-F485.6C=C611.2N-H389.3C-Cl339.1C=C837.2S-H347.4C-Br284.6C=N615.2C-H414.4C-I217.8CN891.6H-H435.3C=O736.7(醛)C-C347.4749.3(酮)C-O360C-N305.6C-S272.1（4）键的极性和元素的电负性）键的极性和元
22、素的电负性+-CH3Cl非极性共价键（非极性共价键（nonpolarbond）：）：当两个相同原子形成共价键时，成键电子云是对称分布于两原子之间，这样的键没有极性，称非极性共价键。非极性共价键。极性共价键（极性共价键（polarizedcovalentbond）两个不同的原子结合形成共价键时，成键电子云不完全对称而呈现极性的共价键，称极性共价键，极性共价键，如：（一）极性（一）极性（A）键的极性）键的极性键的极性是由于成键原子的电负性不同而引起的，例如： 一般地： 成键原子电负性差大于1.7，形成离子键； 成键原子电负性差为0.51.6，形成极性共价键。键的极性用偶极矩(键矩)来度量：qd的单
23、位：Cm(库仑米)（从正指向负）q正、负电中心的电荷，d电荷中心之间的距离例：HClCH3Cl共价键u/10-30C.m共价键u/10-30C.m共价键u/10-30C.mH-C1.33C-N0.73C=O7.67H-N4.34C-O2.47CN11.67H-O5.04C-S3.00H-S2.72C-F4.70H-Cl3.60C-Cl4.78H-Br2.60C-Br4.60H-I1.27C-I3.97（B）分子的极性）分子的极性键的极性可引起分子的极性，分子的偶极矩等于键的偶极矩的矢量和。例如： 分子的极性影响化合物的沸点、熔点和溶解度等。 （二）电负性（二）电负性元素吸引电子的能力，称电负性
24、（电负性（electronegativity）。极性共价键就是形成共价键的两个原子具有不同电负性引起的。两原子间电负性相差越大，共价键的极性越大。各元素电负性见表：HCNOFBr2.22.53.03.54.02.9SiPSClI1.92.22.53.02.6某些元素的电负性(三）键的极化度键的极化度在外电场作用下，共价键的极性发生变化极性发生变化称做键的极化性。键的极化性用极化来度量，它表示成键电子被成键原子核电荷约束的相对程度。极化度与成键原子的体积、电负性、键的种类以及外电场的强度有关。例如：键的偶极矩和键的极化性反映了分子的化学反应活性和它们的物理性质小结：小结：绝大多数有机物分子中都存
25、在共价键。共价键的键能和键长反映了键的强度，即分子的热稳定性；键角反映了分子的空间形象；键的偶极矩和键的极化性反映了分子的化学反应活性和它们的物理性质。2.3 共价键的断裂方式与有机反应的类型共价键的断裂方式与有机反应的类型发生均裂的反应条件是光照、辐射、加热或有过氧化光照、辐射、加热或有过氧化物物存在。均裂的结果是产生了具有不成对电子的原子或原子团自由基。有自由基参与的反应叫做自由基反应自由基反应或均裂反应。均均裂裂2.3.1 断键方式断键方式异裂异裂发生异裂的反应条件是有催化剂、极性试剂、极性溶有催化剂、极性试剂、极性溶剂剂存在。 异裂的结果产生了带正电荷或负电荷的离子。发生共价键异裂的反
26、应，叫做离子型反应离子型反应或异裂反应。 大多数有机反应属于以上两种类型。还有一种称“协同反应”，也称为周环反应。周环反应周环反应反应经环状过渡态，旧键的断裂和新键的生成同时进行。例：2.3.2有机反应的类型有机反应的类型2.3.3 有机反应试剂的分类有机反应试剂的分类（根据反应活性中心分类）(A) 自由基试剂自由基试剂能产生自由基的试剂是自由基试剂。例如：常见的自由基试剂：X2、过氧化物、过氧化物(R-O-O-R)、偶氮化物、偶氮化物(R-N=N-R)等。 未成对电子的基团(B)亲电试剂亲电试剂常见的亲电试剂：常见的亲电试剂： H+、Cl+、Br+、SO3、BF3、AlCl3、+NO2等。等
27、。亲电试剂的特点：有正电荷或空轨道。亲电试剂在进行化学反应时，进攻反应对象的负电中心。由亲电试剂首先进攻的反应称为亲电反应。对电子有亲合力的试剂是亲电试剂。例如： 缺电荷或者有空轨道，带正电（C）亲核试剂）亲核试剂对碳原子核有亲合力的试剂是亲核试剂。例如：常见的亲核试剂：常见的亲核试剂：OH-、NH2-、CN-、H3CO-、H2O、NH3等。等。亲核试剂的特点： 有负电荷或孤对电子。 亲核试剂在进行化学反应时进攻反应对象的正电中心。 由亲核试剂首先进攻的反应称为亲核反应。试剂的属性与反应条件或反应物的性质有关,例如：Cl2在高温或光照下是自由基试剂，在极性介质中是亲电试剂；HBr在极性介质中是
28、亲电试剂，在高温或光照下是自由基试剂。CH3CH=O+SO3H-CH3-CHSO3HO-第六节第六节有机酸碱的概念有机酸碱的概念 Arrhenius酸碱理论：1884年在水中能电离出质子的物种称为酸；能电离出氢氧根负离子在水中能电离出质子的物种称为酸；能电离出氢氧根负离子的物种称为碱。的物种称为碱。Arrhenius酸碱理论局限性：非水体系无法解释有机酸碱理论有机酸碱理论（1）布伦斯特(Brnsted)酸碱能给出质子者为酸(如HCl、CH3COOH)；能与质子结合者为碱(如OH-、NH3等)；（2）路易斯(lewis)酸碱能接受外来电子对者为酸(如H+、FB3、AlCl3等)；能给出电子对者为
29、碱(如Cl-、OH-、NH3、H2O等)。所有的lewis酸都是亲电试剂；所有的lewis碱都是亲核试剂。 Bronsted酸碱理论：酸碱理论：酸碱质子理论要点酸碱质子理论要点：凡能给出质子(H+)的物质是酸酸（acid），凡能接受质子的物质是碱碱(base)。酸给出质子后，剩余的部分必有接受质子的能力。例： 共共轭轭酸酸碱碱对对(conjugative pair of acid & base)：因一个质子的得失而相互转变的每一对酸碱；相应的反应称为酸碱半反应酸碱半反应。酸的强度用Ka或或pKa表示，pKa越小，酸性越大；碱的强度用Kb或或pKb表示，常见无机、有机酸的pKa值见P31 表1-
30、9。若酸为强酸，则其共轭碱为弱碱；反之，若碱为强碱，则其共轭酸为弱酸。（pKa + pKb = 14）形成弱酸弱硷的方向进行一种物质呈现酸性或碱性，与它所在环境有关。同理，酸性或碱性的强弱也与它所处的环境有关。如：水的酸碱性：又如：CH3COOH酸碱反应：酸碱强弱判断依据：酸碱强弱判断依据：化合物的酸性化合物的酸性主要取决于其解离出解离出H+或留下的负离子（共轭碱）或留下的负离子（共轭碱）的稳定性。负离子（的稳定性。负离子（A-）越稳定）越稳定，意味着A-与H+结合的倾向越小，共轭酸的酸性越大共轭酸的酸性越大。负离子的稳定性受中心原子负离子的稳定性受中心原子（与酸性氢直接相连的原子）的电负性、
31、原子半径的大小电负性、原子半径的大小、与其相连的原子团的结构以及溶原子团的结构以及溶剂剂等因素的影响。把酸碱电子论的概念进一步延伸，把一些分子中没有孤电子对，但存在电子云密度较高的部位，也划为碱，如：大多数有机反应是电子对的配给与接受。因此，大多数有机反应和Lewis酸碱反应是一致的。有机反应中的酸碱是相对的，在不同的体系中，同一种物质有机反应中的酸碱是相对的，在不同的体系中，同一种物质的酸碱性是会发生改变的。的酸碱性是会发生改变的。思考题：为什么有如此众多的有机物，和碳原子的结构有什么关系无机化合物和有机化合物的比较：熔点。沸点等，原因是什么？为什么碳的化合物是共价化合物而不是离子化合物键键的差别原子轨道、杂化轨道和分子轨道的定义和差别
