有机化学课件徐寿昌全.ppt

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1、有 机 化 学,Organic Chemistry,授课教师：周 密,教材:徐寿昌主编（第二版）高等教育出版社,学习、研究有机化学的方法,理解 记忆 实践 规律,预习；认真听课（补充内容的笔记）；再独立完成作业（勤翻书本）；做完作业后的单元（总结）复习；适当做些课外参考书上的习题。,测验题题型命名、鉴别、排列顺序、完成反应、反应机理、合成、推测结构,教学目的与要求,1掌握重要的典型有机化合物的命名方法、结构、性 质，了解它们的应用；2理解用化学键理论和电子效应、空间效应解释一些简 单有机物结构与性能的关系；3掌握简单有机物的典型反应和重要的合成方法，掌握 各类化合物相互转变的基本规律；4了解典

2、型的、简单的反应历程、过渡态理论和活性中 间体；5了解立体化学的基本知识和基本概念。,本课程总学时为81学时,参考书:(1)袁履冰主编有机化学，高等教育出版社(2)胡宏纹主编有机化学，高等教育出版社(3)邢其毅,徐瑞秋,周政基础有机化学(上、下),高等教育出 版社(4)邢其毅等编著基础有机化学习题解答与解题示例，北京 大学出版社；(5)龚跃法等有机化学习题详解,华中科技大学出版社,Chapter 1 有 机 化 合 物 的 结 构 和 性 质,1-1有机化合物和有机化学,1806年柏则里斯（Berzelius）首先提出(有机化学)名词，以区别于其它矿物质的化学 无机化学1828年，魏勒（F.W

3、hler）在实验室由氰酸铵(NH4OCN)合成尿素(NH2CONH2),促进了有机化合物的人工合成:,1845年Kolbe合成了醋酸；1854年，柏赛罗(M.berthelot)合成油脂类化合物等。1848年葛梅林（L.Gmelin)提出，有机化合物 就是含碳化合物，有机化学 是研究含碳化合物的化学。事实上有机化合物除了含有碳元素外，还含有H、O、N、S、X等元素，其中尤以C、H元素为主。,从结构上看,所有的有机化合物都可以看作碳氢化合物以及从碳氢化合物衍生而得的化合物。,1874年肖莱马（K.Schorlemmer）又将有机化学 定义为研究碳氢化合物及其衍生物的化学。当然,对CO、CO2、C

4、O32-等简单化合物习惯上还是称作无机化合物.,1901-2008年诺贝尔化学奖，73届 与有机化学有关；二十世纪47项重大发明，8项 与有机化学有关。,自然界中碳的循环,1-2 有机化合物的特点,绝大多数有机物只是由碳，氢，氧，卤素，硫和磷等少数元素组成,但种类繁多。碳元素:核外电子排布 1s22s22p2 碳原子相互结合能力很强（碳链和碳环）,1.2.1 结构上存在同分异构现象,分子式相同而结构相异因而其性质也各异的不同化合物,称为同分异构体,这种现象叫同分异构现象。a、碳-碳能形成长链、环 b、碳原子有强成键能力,eg1:乙醇和二甲醚 CH3CH2-OH,CH3-O-CH3eg2:丁烷和

5、异丁烷 CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3 CH3,丁烷和异丁烷的异构,只是分子中各原子间相互结合的顺序不同而引起的,只是构造不同而导致的异构现象,又叫做构造异构现象.此外,有机化合物还可由于构型（顺、反；Z、E；R、S）和构象不同而造成异构现象.,碳化合物含有的碳原子数和原子种类越多,它的同分异构体也越多。如:C7H16的同分异构体数 9 个;C8H18的同分异构体数可达18个;C10H22的同分异构体数可达75个。（产生同分异构现象的本质是在分子中原子成键的顺序和空间排列方式不同.）,2、大多不溶于水：也有的有机物可以溶于水，甚至与水混溶 EtOH。,1、大多易燃烧：也有

6、例外，如CCl4，不但不燃且可用于灭火。,1.2.2 性质上的特点：,3、熔点较低：超过3000C以上很少。4、分解温度比较低：超过4000C的很少，但碳纤维30000C还稳定。,5、反应速度比较慢：不像无机反应可以瞬间完成；也有反应速度很快的，比如炸药的爆炸，反应速度很快。,6、大多数有副反应：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。,共价键：两原子各提供一个电子形成把两个原子 结合在一起的化学键。碳元素:核外电子排布 1S22S22P2,不易获得或失去价电子,易形成共价键.,1-3 有机化合物中的共价键,(1)路易斯结构式:用共用电子的点来表示共价

7、键的 结构式.(2)凯库勒结构式:用一根短线代表一个共价键.,路易斯结构式,凯库勒结构式,C+4H C H,H,H,H,C,H,H,H,H,如两个原子各有一个未成对电子并且自旋方向相反，就可偶合配对，形成一个共价键；,量子化学的价键理论:,共价键具有饱和性；,共价键具有方向性(最大重叠原理):两个电子的原子轨道的重叠部分越大,形成的共价键就越牢固.,方向性决定分子空间构型，因而影响分子性质.,共价键具有方向性(最大重叠原理):,2p,1s,y,x,1s,2p,y,x,（a）x轴方向结合成键,（b）非x轴方向重叠较小不能形成键,分子轨道理论着眼在整个分子中电子的排布规律，认为电子可在分子范围内分

8、布，是一种离域的观点，而分子轨道则由有一定条件的组成分子的原子轨道线性组合得到。（条件是能量相近、轨道对称性匹配、能最大重叠）。,原子轨道原子中每个电子的运动状态都可以用一个单电子的 波函数（x，y，z）来描述.称为原子轨道,因此 电子云的形状也可以表达为轨道的形状.,分子轨道理论内容：,(2)分子中价电子的运动状态,即分子轨道,用波函数(psai)来描述;(薛定谔方程的解)(3)分子轨道由原子轨道线性组合Linear Combination of Atomic Orbitals形成(LCAO),形成的轨道数与参与成键的原子轨道数相等.1=1+2(符号相同,即:波相相同.成键轨道)2=1-2(

9、符号不同,即:波相相反.反键轨道),每个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子.电子总是首先进入能量低的分子轨道.,2个氢原子轨道组成2个氢分子轨道,成键轨道1=1+2,反键轨道2=1-2,能量相近的原子轨道可进行杂化，组成能量相等的杂化轨道，使成键能力更强，成键后可达到最稳定的分子状态。,思考：,碳原子有两个未成对的外层电子，为什么不与2个结合为CH2，而是与4个生成CH4？,有机物的碳原子结构主要有三种杂化状态，即SP3、SP2、SP杂化，一般状态下它们分别具有四面体、平面三角、直线型的空间形态。,1.3.3 杂化轨道理论,碳原子基态的电子构型,2p 2s 1s,一个2s电子激发至能量较高的2

10、pz空轨道只需要402 kJ/mol,能 量,2p 2s 1s,基态,激发态,sp3杂化态,碳原子2s电子的激发和sp3杂化,C采取sp3杂化轨道与4个H原子的s原子轨道形成4个 sp3-s型的C-H键(CH4)比形成CH2要稳定的多.(4144-402)kJ/mol。形成CH4 时仍有约1255 kJ/mol能量释放出。所以这个体系比形成两个共价键的CH2稳定的多。,这四个sp3杂化轨道的能量是相等的,每一轨道相等于1/4 s成分,3/4 p成分.,sp3杂化轨道的图形,一、键长形成共价键的两个原子的原子核之间的距离.(不同化合物中同一类型的共价键也可能稍有不同)二、键角(方向性)任何一个两

11、价以上的原子,与其它原子所形成的两个共价键之间的夹角.如CH4，键角109.5o三、键能 气态原子A和气态原子B结合成A-B分子(气态)所放出的能量,也就是气态分子A-B离解成A和B两个原子(气态)时所吸收的能量.,1-4 有机化合物中共价键的性质,键能泛指多原子分子中几个同类型键的离解能的平均值.,离解能:一个共价键离解所需的能量.指离解特定共价键的键能.（在多原子分子中，即使相同的键其解离能也不相同）,甲烷C-H键键能取其平均值为-1,四、键的极性和元素的电负性分子的偶极矩,HH，ClCl，成键电子云对称分布于两个原子之间，这样的共价键没有极性。1、键的极性：两个不同原子组成共价键时，由于

12、两原子吸引电子的能力不同，成键电子云非对称地分布在两核周围，使分子的一端带电荷多些，而另一端带电荷少些，这种键具有极性。如：H(+)Cl(-)，H3C(+)Cl(-),键的极性大小主要取决于成键两原子的电负性值之差，与外界条件无关，是永久的性质。,3、偶极矩：正电中心或负电中心的电荷与两个电荷中心之间的距离d的乘积.(方向性:正到负,一般用符号表示。qd(D,德拜)4、分子偶极距的判断 双原子分子：键的极性就是分子的极性，键的偶极矩 就是分子的偶极矩。多原子分子：分子的偶极矩是分子中各个键的偶极矩的 向量和。,HCl CH3Cl HCCH,=1.03D,=1.87D,=0,2、电负性：一个元素

13、吸引电子的能力。,一、共价键的断裂方式均裂:两个原子之间的共用电子对均匀分裂,两个原子各保留一个电子的断裂方式。产生活泼的自由基(游离基).自由基：具有不成对电子的原子或集团。A:B A+B Cl:Cl(光照)Cl+Cl CH4+Cl CH3+H:Cl,1-5 共价键的断裂与反应类型,发生键均裂的反应称为均裂反应（自由基型反应）,异裂:共价键断裂时,两原子间的共用电子对完全转移到其中的一个原子上的断裂方式。结果产生正、负离子.A:B A+B-(CH3)3C:Cl(CH3)3C+Cl-,二、反应类型1.自由基反应：有自由基参与的反应。2.离子型反应：由共价键异裂产生离子的反应。,发生键异裂的反应

14、称为异裂反应（离子型反应）。,3.协同反应：有机反应过程没有明显分步的共价键均裂或 异裂,只是通过一个环状的过渡态,化学键的 断裂和新化学键的生成同时完成而得到产物.,离子型反应及自由基型反应又可分为取代反应和加成反应等等；,因此离子型反应中有亲核取代反应、亲电取代反应、亲核加成反应 和亲电加成反应等等,离子型反应中根据反应试剂的类型又可分为亲电反应和亲核反应。,凡是能给出质子 的叫酸。如：HCl、H3O+凡是能与质子 结合的叫碱。如：Cl-、H2O,1-6 有机化学中的酸碱概念,1.布伦斯特和路易斯酸碱定义,(1)布伦斯特(B)酸碱（泛称的酸碱概念）,强酸的共轭碱必是弱碱（如：HCl和Cl-

15、）弱酸（CH3COOH）的共轭碱是强碱（CH3COO-）酸碱的概念是相对的：如HSO4-,路易斯(L)酸：能接受外来电子对,具有亲电性.在反应时,有亲近另一分子的负电荷中心的倾向,又叫亲电试剂.如 AlCl3,(2)路易斯(L)酸碱,路易斯(L)碱：能给予电子对,具有亲核性.在反应时,有亲近另一分子的正电荷中心的倾向,又叫亲核试剂(“核”作为正电荷的同义语).如 NH3,有些化合物按布伦斯特定义不是酸，但按路易斯定义却是酸。eg：BF3(酸)+:NH3(碱)F3B-NH3 AlCl3(酸)+:Cl-(碱)Cl3Al-Cl=AlCl4-,在一般的有机化学资料中，一般泛称的酸碱都是指按布伦斯特定义

16、的酸碱，当需要涉及路易斯酸碱的概念时，都专门指出它们是路易斯酸碱。,(3)酸碱的强弱在有机化学中关于酸的强弱，一般是指布伦斯特定义的酸所给出质子能力的强弱。以酸性常数Ka的负指数pKa表示。pKa值越低酸性越强.,与pKa相应的有表示碱强度的pKb值，但有机碱（例如胺类）也常常用它共轭酸的pKa值来表示碱性的强弱。,(1)开链族化合物(脂肪族化合物):,1-7 有机化合物的分类,1.按碳链分类,(2)碳环族化合物 A:脂环族化合物:B:芳香族化合物:,(3)杂环化合物:,按分子中含有相同的、容易发生某些特征反应的(1)原子(如卤素原子)(2)原子团(如:羟基-OH、羧基-COOH、硝基-NO2

17、，氨基-NH2 等)(3)或某些特征化学键结构(如双键 C=C、叁键-CC-)等分类.,2.按官能团分类,-C=C-碳碳双键；-CC-碳碳叁键；-OH 羟基；C-O-C 醚键；X(F,Cl)卤原子；C=O 羰基；,-CHO 醛基-COOH 羧基；-SO3H 磺酸基；-NO2 硝基；-NO 亚硝基；-NH2 氨基等,1-8 有机化学的发展及学习有机化学的重要性,有机化学是一门迅速发展的学科,当代有机化学发展的一个重要趋势：与生命科学的结合。,有机化学是现代科学技术（如生命科学、医药学、农业、能源、材料科学、食品、日用化工）的重要基础学科生命、医药、材料科学中的化学问题是有机化学发展的重要推动力资源和环境问题的解决需要有机化学,是一门基础化学，专业基础课是一门重要的考研课程,有机化学的重要性,