第一章有机化合物的结构和性质

第一章有机化合物的结构和性质一、课时：2学时二、教学课型：理论课三、题目：有机化合物的结构和性质四、教学目的、要求（1）掌握有机化合物的特点（2）掌握有机化合物中的共价键（3）掌握有机化合物中的酸碱理论和有机化合物的分类五、教学重点：（1）有机化合物中的共价键（2）有机化合物的特点六、教学难点：有机化合物中的共价键和杂化理论七、教学手段：多媒体教学方法：讲授八、教学内容：1.1有机化合物和有机化学有机化学发展简史人们对有机化合物和有机化学的认识也是逐步深化的。人类使用有机物质虽已有很长的历史，但是对纯物质的认识和取得是比较近代的事情。直到十八世纪末期，才开始由动植物取得一系列较纯的有机物质。有机化学作为一门科学产生于19世纪，是化学最早的两个分之学科之一。无机物：从无生命的矿物中得到的化合物1828年，德国化学家Wohler从氰酸铵得到了尿素，打破了从无机物不能得到有机物的人为制造的神话：有机化合物不再具有传统的意义。1865年，凯库勒（德）指出有机物中碳为四价，发展了有机化合物结构学说；1874年，范特霍夫（荷）和勒比尔（法）开创了从立体观点来研究有机化合物的立体化学(stereochemistry)；1917年，Lewis（美）用电子对来说明化学键的生成；1931年，休克尔用量子化学方法解决不饱和化合物和芳烃的结构问题；1933年，Ingold等用化学动力学的方法研究饱和碳原子上亲核取代反应机理。有机化合物与有机化学的定义有机化学是研究有机化合物的组成、结构、性质及其变化规律的化学。自从化学工作者发现有机化合物以后，通过大量科学研究，在总结前人工作的基础上提出了有机化学和有机化合物的定义：1．有机化合物——碳化合物。有机化学——研究碳化合物的化学。2．有机化合物——碳氢化合物及其衍生物。有机化学——研究碳氢化合物及其衍生物的化学。1.2有机化合物的特点1.2.1.组成和结构之特点有机化合物：种类繁多、数目庞大（已知有七百多万种、且还在不但增加）但组成元素少（C，H，O，N，P，S，X等）原因：1）C原子自身相互结合能力强2)结合的方式多种多样（单键、双键、三键、链状、环状）3)同分异构现象（构造异构、构型异构、构象异构）例如，C2H6O就可以代表乙醇和甲醚两种不同的化合物、见P11.2.2质上的特点物理性质方面特点1)挥发性大，熔点、沸点低2)水溶性差（大多不容或难溶于水，易溶于有机溶剂）化学性质方面的特点1)易燃烧2)热稳定性差，易受热分解（许多化合物在200~300度就分解）3)反应速度慢4)反应复杂，副反应多1.3共价键的一些基本概念一、共价键理论对共价键本质的解释，最常用的是价键理论和分子轨道理论价键理论1）共价键的形成价键的形成是原子轨道的重叠或电子配对的结果，如果两个原子都有未成键电子，并且自旋方向相反，就能配对形成共价键。2）共价键形成的基本要点（1）成键电子自旋方向必需相反；（2）共价键的饱和性；（3）共价键的方向性S和P电子原子轨道的三种重叠情况1．分子轨道理论分子轨道理论是1932年提出了来的，它是从分子的整体出发去研究分子中每一个电子的运动壮态，认为形成的化学键的电子是在整个分子中运动的。通过薛定谔方程的解，可以求出描述分子中的电子运动状态的波函数ψ，ψ称为分子轨道，每一个分子轨道ψ有一个相应的能量E,E近似的表示在这个轨道上的电子的电离能。分子轨道理论认为，当任何数目的原子轨道重叠时，就可形成同样数目的分子轨道。例如：两个原子轨道可以线性的组合成两个分子轨道，其中一个比原来的原子轨道的能量低，叫成键轨道（由符号相同的两个原子轨道的波函数相加而成），另一个是由符号不同的两个原子轨道的波函数相减而成，其能量比两个原子轨道的能量高，这中种分子轨道叫做反键轨道。分子轨道能级图和原子轨道一样，每一个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子，电子总是优先进入能+H(1s)Cl(2p)重叠最大稳定结合不稳定结合（1）（3）不能结合（2）重叠较小ClClClHHHABψψψ12（反键轨道）（成键轨道）ψ2=ψAψBψ+ψ1=AψBψ-（原子轨道）能量量低的分子轨道，在依次进入能量较高的轨道。由原子轨道组成分子轨道时，必须符合三个条件：1）对称匹配——既组成分子轨道的原子轨道的符号（位相）必须相同。2）原子轨道的重叠具有方向性。3）能量相近。1.4共价键的键参数1．键长；2．键角；3．键能2．键矩——键的极性键矩是用来衡量键极性的物理量当两个不同原子结合成共价键时，由于两原子的电负性不同而使得形成的共价键的一端带电荷多些，而另一端带电荷少些，这种由于电子云不完全对称而呈极性的共价键叫做极性共价键，可用箭头表示这种极性键，也可以用δ+、δ-标出极性共价键的带电情况。例如：一个共价键或分子的极性的大小用键矩（偶极矩）μ表示μ=qxdq正电中心或负电中心的电荷d两个电荷中心之间的距离μ的单位用D(德拜Debye)表示键矩有方向性，通常规定其方向由正到负，用箭头→表示μ=1.03Dμ=1.94D双原子分子中键的极性就是分子的极性，键矩就是分子的偶极矩。对多原子分子来说，分子的偶极矩是各键键矩的向量和（与键的极性和分子的对称性有关）。1.5共价键的断裂有机化合物发生化学反应时，总是伴随着某些化学键的断裂和新的共价键的形成，共价键的断裂有两种断裂方式。1．均裂——成键的一对电子平均分给两个原子或原子团，生成两个自由基。A:BA•+B•自由基在有机反应中，按均裂进行的反应叫做自由基反应。HCH3ClClδδδδδδHCH3ClClδδδδδδ2．异裂——成键的一对电子在断裂时分给某一原子和原子团，生成正负离子。在有机反应中，按异裂进行的反应叫做离子型反应。亲电试剂——在反应过程中接受电子的试剂称为亲电试剂。亲核试剂——在反应过程中能提供电子而进攻反应物中带部分正电荷的碳原子的试剂。诱导效应诱导效应——在有机化合物中，由于成键原子或基团的电负性的不同而使成键电子云向电负性较大的原子团方向偏移的效应。1．诱导效应产生的原因——成键原子的电负性不同。2．诱导效应的传递——逐渐减弱，传递不超过五个原子，3．诱导效应的表示方法：以I表示诱导效应,以C—H键作为比较标准，4．诱导效应的相对强度：一般以电负性的大小作比较1.6有机化学中的酸碱概念布伦斯（Bronsted）、路易斯（Lewis）酸碱理论，共轭碱和共轭酸。1.7研究有机化合物的一般步骤1．分离提纯2．纯度的检验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。分子的结构包括分子的构造、构型和构象。构造：是分子中原子的连接方式和顺序（在不涉及到构型和构象时也称为结构）。5．人工合成1.8有机化合物的分类C:X(2)(1)(1)(2)+XCXC碳正离子碳负离子有机化合物分类的方法主要有两种按碳架分类：1．开链化合物2．碳环化合物（1）脂环化合物（2）芳香族化合物（3）杂环化合物按官能团分类官能团是指有机化合物分子中能起化学反应的一些原子和原子团，官能团可以决定化合物的主要性质。因此，我们可采用按官能团分类的方法来研究有机化合物。有机化学的重要性有机化学的任务1．发现新现象（新的有机物，有机物的新的来源、新的合成方法、合成技巧，新的有机反应等）研究新的规律（结构与性质的关系，反应机理等）2.提供新材料（提供新的高科技材料，推动国民经济和科学技术的发展）3.探索生命的奥秘（生命与有机化学的结合）。参考书：《基础有机化学》、刑其毅、徐瑞秋、周政编，高等教育出版社。《有机化学—提要、例题和习题》王永梅、王桂林编，天津大学出版社。《有机化学》美R·T·莫里森编，科学出版社。《有机化学》曾昭琼主编，高等教育出版社，第三版。《有机化学反应机理指南》英P·赛克斯著，科学出版社。