第一二章基本概念及理论

第一章基本概念及理论一、有机化合物和有机化学1、有机化学、有机化合物的定义有机化学（organicchemistry）是研究有机化合物的来源、制备、结构、性能、应用以及有关理论和方法学的科学。把有机化学定义为研究烃及其衍生物的化学。2、有机化合物的特性◆对热不稳定，容易燃烧◆熔点较低◆难溶于水，易溶于有机溶剂◆反应速度比较慢◆发生副反应◆同分异构体的存在很普遍二、研究有机化合物的一般步骤1、分离提纯:分离提纯的方法：重结晶、升华、蒸馏、层析法以及离子交换法等。2、纯度的检验:纯的有机物有固定的物理常数，如：熔点、沸点、比重、折射率等。3、实验式和分子式的确定a、进行元素定性分析，找出分子中存在哪几种原子。b、进行元素定量分析，找出各种原子的相对数目，即决定经验式（实验式）。c、测定分子量，确定各种原子的确实数目，给出分子式。4、结构式的确定根据红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱、质谱等确定结构式。三、共价键的一些基本概念及分子结构与其物理性质的关系(一)、价键理论1、价键的形成可看作是原子轨道的重叠或电子配对的结果。2、共价键的饱和性3、共价键的方向性.如：(二)、杂化轨道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。1、SP3杂化为了使SP3轨道，彼此达到最大的距离及最小的干扰，以碳原子为中心，四个轨道分别指向正四面体的每一个顶点，所以碳原子的四个轨道都有一定的方向性，轨道彼此间保持一定的角度，按照计算，这个角度应该是109.5度，这样可以使每个轨道达到最低干扰的程度。如:甲烷2、SP2杂化一个S轨道与两个P轨道形成三个SP2轨道。三个SP2的轨道，对称地分布在碳原子的周围，处于同一个平面上，三者之间的夹角是120度。π键的形成3、SP杂化一个S轨道和一个P轨道形成两个SP杂化轨道，如乙炔(三)、分子轨道理论分子中电子的运动状态,即分子轨道,用波函数ψ来表示.1、分子轨道法中目前最广泛应用的是原子轨道线性组合法例如：两个原子轨道组成两个分子轨道，其中一个分子轨道是由两原子轨道的波函数相加组成：ψ1=φ1+φ2另一个分子轨道是由两个原子轨道的波函数相加组成：ψ2=φ1-φ2分子轨道电子云密度分布：分子轨道电子填充:服从鲍里原理，能量最低原理，洪特规则2、由原子轨道组成分子轨道时，必须符合三个条件：a、对称匹配（就是对称性相同）b、原子轨道重叠部分要最大。C、能量相近3、σ轨道和π轨道π轨道四四、、共共价价键键的的键键参参数数1、键长:键长是共价键结合的两个原子核核心之间的矩离。2、键角:两个共价键之间的夹角。3、键能:当A和B两个原子（气态）结合生成A-B分子（气态）时，所放出的能量称为键能。4、键矩:正（或负）电荷中心的电荷值（e)与正负电荷中心之间的矩离(d)的乘积:键矩μ=e*d五、共价键的断裂------共价键的断裂有两种方式：均均裂裂和异异裂裂均裂：A-B→A+B（成键的一对电子平均分给两个原子或原子团）均裂生成的带单电子的原子或原子团，称为游离基（或自由基）经过均裂生成游离基的反应，称为游离基反应（或自由基反应）异裂：A-B→A++B-（成键的一对电子为某一原子或原子团所占有）经过异裂生成离子的反应称为离子型反应（分为亲电和亲核反应两种）六六、、分分子子间间的的作作用用力力及及其其对对熔熔点点、、沸沸点点、、溶溶解解度度的的影影响响1、分子间的作用力①偶极-偶极作用(取向力):极性分子间的相互作用，亦即偶极矩间的相互作用，称为偶极-偶极作用，一个分子的偶极矩正端与一个分子的偶极矩负端间有相互吸引作用。②色散力:瞬时偶极矩之间的相互作用，称色散力。这种分子间的作用力，只有在分子比较接近时才存在，其大小与分子的极化率和分子的接触表面的大小有关。这种作用力没有饱和性和方向性，在非极性分子中存在，在非极性分子中也存在，对于大多数分子来说，这种作用力是主要的。③氢键:特殊的分子之间作用力，有方向性和饱和性。一般存在于O、N、F等非金属性强、电负性大的元素形成的化合物中.22、、分分子子间间的的作作用用力力对对物物质质的的某某些些物物理理性性质质的的影影响响①对沸点和熔点的影响Ⅰ沸点a、分子极性愈大，偶极-偶极作用愈大，沸点愈高。b、如果分子极性相同，则分子量愈大，色散力也愈大，故沸点随分子量升高而升高。c、如果分子极性相同，分子量也相同，则分子间接触面积大的，色散力大，沸点高。d、分子量接近,分子内OH键愈多,形成氢键愈多,沸点愈高.Ⅱ熔点分子对称性高,排列比较整齐，熔点较高.如:正戊烷熔点:-17度,新戊烷熔点:-160度②溶解度:相似的溶解相似的七七、、电电子子效效应应--诱诱导导效效应应、、共共轭轭效效应应和和超超共共轭轭效效应应1、诱导效应:这种因某一原子或原子团的极性而引起电子沿着原子链向某一方向移动的效应，即σ键的电子移动，称为诱导效应。22、、共共轭轭效效应应①电子的定域运动：如乙烯，π键的两个P电子的运动范围局限在两个原子之间，这叫做定域的运动CH2=CH2。②电子的离域现象这种电子通过共轭体系的传递方式，叫做共轭效应。33、、超超共共轭轭效效应应这种σ键与π键的共轭称为超共轭效应.第第四四节节有有机机化化合合物物的的分分类类一、按碳架分类传统的有机化学家的分类方法是根据碳干的不同把它们分成三类：1、开链化合物：2、碳环化合物脂环化合物：芳香环化合物：杂环化合物：二二、、按按官官能能团团分分类类能决定化合物的特性的原子或原子团称为官能团第二章烷烃第第一一节节烷烷烃烃的的同同系系列列及及同同分分异异构构现现象象1.烷烃的同系列（Homologousseries）凡具有同一个通式，结构相似，化学性质也相似，物理性质则随着碳原子数目的增加而有规律地变化的化合物系列，称为同系列。同系列中的化合物互称为同系物。相邻的同系物在组成上相差CH2，这个CH2称为系列差。2.烷烃的同分异构现象烷烃同系列中，甲烷、乙烷、丙烷只有一种结合方式，没有异构现象，从丁烷起就有同分异构现象。分分子子式式相相同同，，而而构构造造不不同同的的异异构构体体称称为为构构造造异异构构体体。。同分异构体的书写技巧:先写最长链,然后进行减碳变位.伯、仲、叔和季碳原子。如戊烷的同分异构体中：直接与一个碳原子相连的称为伯（Primary）或一级碳原子，用1o表示；直接与二个碳原子相连的称为仲（Secondary）或二级碳原子，用2o表示；直接与三个碳原子相连的称为叔（Tertary）或三级碳原子，用3o表示；直接与四个碳原子相连的称为季（Quaternary）或四级碳原子，用4o表示；第第二二节节烷烷烃烃的的命命名名法法1普通命名法。通常把烷烃称为某烷，某是指烷烃中碳原子的数目。由一到十用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示。如：C11H24，叫十一烷。凡直链烷烃叫正某烷。如：CH3CH2CH2CH2CH3正戊烷把在碳链的一末端有两个甲基的特定结构的烷烃称为异某烷。在五或六个碳原子烷烃的异构体中含有季碳原子的可加上新某烷2烷基:烷烃分子从形式上消除，一个氢原子而剩下的原子团称为烷基。2.系统命名法----IUPAC命名法。在系统命名法中，对于直链烷烃的命名和普通命名法是基本相同的，仅不写上正字。支支链链烷烷烃烃的的命命名名法法的的步步骤骤：：选取主链（母体）:选一个含碳原子数最多的碳链作为主链。（写出相当于这个主链的直链烷烃的名称）含多取代基时，编号采用“最低次序”原则。主链碳原子的位次编号。确定主链位次的原则是要使取代基的位次最小。从距离支链最近的一端开始编号。位次和取代基名称之间要用一连起来，写出母体的名称。⑴、如果有几个不同的取代基时，把小的取代基名称写在前面，大的写在后面；⑵、如果含有几个相同的取代基时，把它们合并起来，取代基的数目用二、三、四……等表示，写在取代基的前面，其位次必须逐个注明，位次的数字之间要用，隔开。烷基大小的次序：甲基乙基丙基丁基戊基己基.4．当具有相同长度的链可作为主链时，则应选择具有支链数目最多的链作为主链。5．如果支链上还有取代基时，从与主链相连的碳原子开始，把支链的碳原子依次编号，支链上取代基的位置就由这个编号所得的号数来表示。这个取代了的支链的名称可放在抬号中，或用带撇的数字来表明支链中的碳原子。1.用括号表示：2-甲基-5、5一、二（1、1-二甲基丙基）葵烷2.用带撇的数字表示：2-甲基-5、5一、二-1'、1'-二甲基丙烷葵烷。说明：1969年IUPAC命名法放弃了按取代基大小的次序，而按照取代基英文名称的第一个字母的次序来命名。第三节烷烃的构型碳原子的四面体概念及分子模型1.碳原子的四面体概念及分子模型。构型是指只有一定构造的分子中原子在空间的排列状况。Van'tHoff和LeBet同时提出碳正四面体的概念。认为碳原子相连的四个原子或原子团，不是在一个平面上，而是在空间分布成四面体。碳原子位于四面体的中心，四个原子或原子团在四面体是的顶点上。甲烷分子的构型是正四面体。常使用Kekiile模型（叫球棒模型）和Stuart（叫比例模型）。Kekiile分子模型，制作容易，使用也方便，只是不能准确地表示出原子的大小和键长。Stuart根据分子中各原子的大小和键长按照一定的比例放大（一般为2亿：1）制成分子模型。这种模型是比较符合分子形状的.2.碳原子的sp3杂化。C1s22s22p12py1,按照未成键电子的数目，碳原子应当是二价。然而，实际上甲烷等烷烃分子中碳原子一般是四价，而不是二价。原子杂化理论设想，碳原子形成烷烃时：它们的空间取向是分指向四面体的顶点。Sp3轨道的对称轴之间互成109028`。3.烷烃分子的形成由于C的四个sp3轨道的几何构型为正四面体，轨道对称夹角为109028`，这就决定的烷烃分子中碳原子的排列不是直线形的。甲烷的正四面体构型可用契性透视式表示：实线表示处在纸平面上的价键，虚契性线表示处在纸面的价键，实契性线表示处在纸面前的价键。第四节烷烃的构象1.乙烷的构象由于乙烷是由一个C-Cδ键，六个C-Hδ键连接形成的，δ键单键可绕键轴旋转。所谓构象是指有一定构造的分子通过单键的旋转，形成的各原子或原子团在空间的排布。由于单键的旋转，使连接在碳上的原子或原子团在空间的排布位置随之发生变化，所以构造式相同的化合物可能有许多构象。它们之间互为构象异构体。构象的表示方法。（以乙烷为例）透视式（锯架式）：纽曼式（Newman）：2.乙烷分子的能量曲线图由交叉式（反叠式）转变为重叠式（吸叠式）时必须吸收12.5KJ/mol的能量，由重叠式转变为交叉式时会放出12.5KJ/mol的能量。这只是乙烷的两个极限式，低温时，交叉式构象增多。从理论上讲，乙烷分子的构象是无数的，其他构象则界于上述两种极限构象之间。正丁烷的构象把正丁烷C1和C4作甲基，在饶单键旋转时，主要构象为：第五节烷烃的物理性质(了解)有机化合物的物理性质包括化合物的状态、熔点、沸点、比重、折光率、溶解度、旋光度，这些物理常数通常用物理方法测定出来的，可以从化学和物理手册中查出来。1.物质状态：2.沸点：3.熔点；正烷烃的熔点，同系列C1-C3不那么规则，但C4以上的是随着碳原子数的增加而升高。不过，其中偶数的升高多一些，以至含奇数和含偶数的碳原子的烷烃各构成一条熔点曲线，偶数在上，奇数在下。解释：在晶体中，分子间的作用力不仅取决于分子的大小，而且取决于警惕中碳链的空间排布情况。排列紧密（分子间的色散力就大）熔点就高。4.比重正烷烃的比重是随着碳原子的数目增加逐渐有所增大，二十烷以下的按近于0.78。这也与分子间引力有关，分子间引力增大，分子间的距离相应减小，比重则增大。5.溶解度：烷烃不容与水，能溶于某些有机溶剂，尤其是烃类中。相似相溶，结构相似，分子间的引力相似，就能很好溶解。第六节烷烃的化学性质1.氧化⑴在空气中燃烧：⑵在催化剂下可以使烷烃部分氧化，生成醇、醛、酸等①热裂把烷烃的蒸气在没有氯气的条件下，加热到4500C以上时，分子中的键发生断裂，形成较小的分子。这种在高温及没有氧气的条件下发生键断裂的反应