有机化学理论课第一章绪论

-1-第一章绪论一、教学目的和要求绪论只是从整体上阐述了有机化学的一般概念，在本章中涉及的一些名词，无论是有关化学键及分子结构方面的，或是有关有机物分类方面的，对学上来讲，也都不是新的概念。所以，在系统的讨论的有机化学的主要内容之前，有必要将无机化学中已学过的一些基本知识和基本理论略加复习，再从有机化学的角度加以研究讨论和概括，其中特别重要的是关于共价键的特性及属性。这些基本知识和基础理论，在以后的学习过程中经常用到。教学要求：1、掌握有机化合物和有机化学的定义，有机化合物中共价键性质及有机化合物的特点。2、了解有机反应的基本类型3、掌握有机化合物的分类原则，熟悉官能团二、教学重点与难点有机化合物及共价键的特性及其属性的基本知识和基础理论三、教学方法和教学学时1、教学方法：以课堂讲授为主，结合必要的课堂讨论。教学手段以板书和多媒体相结合。2、教学学时：2学时四、教学内容：1、有机化合物和有机化学2、有机化合物在组成和结构上的特点3、价键的本质4、共价键的属性5、有机化合物的特性6、有机化合物的分类7、有机化学与生物、食品、医学等科学的关系五、课后作业、思考题1.1有机化学的产生和发展1.1.1简述有机化学的产生和发展史化学是研究物质的组成、结构、性质及变化的科学，有机化学是化学的分支，是研究有机化合物的组成、结构、性质及变化的科学。人类与有机化合物打交道已有几千年的历史，但有机化学作为一门科学则产生于19世纪初。我国早在夏、商时代就知道了酿酒、制醋，并使用中草药医治各种疾病，但直到18世纪末人类才开始得到纯的有机物，并通过特殊的燃烧实验发现这些物质的主要组成元素是碳、氢、氧、氮等少数几种。“有机物”最初的含义是“有生机之物”，当时人们认为有机物只能从动、植物的体内受神秘的“生命力”的作用才能产生。而“无机物”则是从矿物等没有生命的物质内提取的，有机物与无机物在组成、性质上都相差非常大。1824年，德国化学家魏勒在实验室中用无机物氰酸银和氨水合成了有机物尿素，于1828年发表论文《论尿素的人工合成》，从而一举突破了“生命力学说”，打破了无机物和有机物的绝对界限，开创了有机化学的新纪元。现在的有机化学早已不再局限于从天然物质中提取有机物，绝大多数有机物都是人工合成的。有机化学的研究也形成了多个学科领域，如有机合成化学、天然有机化学、生物有机化学、物理有机化学、元素有机化学等等。-2-1.1.2现代定义：有机化合物(OrganicCompounds)：即碳氢化合物及其衍生物。有机化学(OrganicChemistry)：研究碳氢化合物及其衍生物的组成、结构、性质和变化的科学。1.1.3有机化学从一开始就与生命科学紧密联系在一起。据不完全统计，从1966～2004，诺贝尔化学奖获得者约40%的奖项与生命科学有关。2004年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙-西查诺瓦、阿弗拉姆-赫尔什科和美国科学家伊尔温-罗斯。三人因在蛋白质控制系统方面的重大发现而共同获得该奖项。他们突破性地发现了人类细胞如何控制某种蛋白质的过程，具体地说，就是人类细胞对无用蛋白质的“废物处理”过程。他们发现，人体细胞通过给无用蛋白质“贴标签”的方法，帮助人体将那些被贴上标记的蛋白质进行“废物处理”，使它们自行破裂、自动消亡。下表是摘取近几年来有关的奖项：2004阿龙·西查诺瓦、阿弗拉姆·赫尔什科(以色列)、伊尔温·罗斯(美国)因在蛋白质控制系统方面的重大发现而共同获得该奖项2003彼得·阿格雷,罗德里克·麦金农(美国)细胞膜通道方面做出的开创性贡献2002约翰·芬恩（美国）、田中耕一（日本）、库尔特·维特里希（瑞士）生物大分子进行识别和结构分析的方法(NMR和MS)1997P.B.博耶（美国）J.E.沃克尔（英国）发现人体细胞内负责储藏转移能量的离子传输酶1993K.B.穆利斯（美国）发明“聚合酶链式反应”法M.史密斯（加拿大）开创“寡聚核苷酸基定点诱变”法1989S.奥尔特曼，T.R.切赫（美国)发现RNA自身具有酶的催化功能1988J.戴森霍弗、R.胡伯尔分析了光合作用反应中心的三维结构1984R.B.梅里菲尔德（美国)开发了极简便的肽合成法1982A.克卢格（英国)开发了结晶学的电子衍射法，并从事核酸蛋白质复合体的立体结构的研究1980P.伯格W.吉尔伯特（美国）从事核酸的生物化学研究F.桑格（英国)确定了核酸的碱基排列顺序1.1.4有机化学发展中的两个事例：①富勒烯Fullerenes富勒烯（学名），又称足球烯、碳六十、又译巴基球、巴克球（BuckyBall），英文为BuckminsterFuller，简称Fullerene。富勒烯是一种全碳分子，它由60个碳原子形成一个由12个正五边形和20个正六边形组成的闭合系统，与金刚石、石墨一起构成了碳元素的三种同素异形体。C60球棍模型如下：-3-图1.1C60球棍模型1985年9月4日18时56分4.7秒，在美国赖斯大学化学实验室，克鲁托（H.W.Kroto，英）、柯而（R.F.Curl，美）和史莫利（R.E.Smalley，美）三位教授从激光束照射石墨产物中用质谱法检出了由60个碳原子组成的球团碳六十分子，这一发现轰动科学界，它不仅为碳的同素异形体家族增添了一名新的成员，更重要的是，这个意料之外的发现开辟了化学研究的新领域，由此这三位科学家荣获1996年诺贝尔化学奖。富勒烯的命名原因：1985年，克鲁托（Kroto）等获得了以碳六十为主的质谱图，受建筑学家富勒为1967年蒙特利尔世界博览会设计的巨蛋建筑物（用五边形和六边形构成的拱形圆顶建筑）的启发，提出了C60结构，Kroto等认为C60是由60个碳原子组成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形组成。为了纪念此事，克鲁托便把碳六十以巨蛋建筑物的设计者巴克尼斯特-富勒（BuckminsterFuller）之名來命名，所以称富勒烯。富勒烯（Fullerene）并不局限于碳六十，它还有系列分子（Cn）（n＝20，60，70，76，84，…），均为含偶数个碳原子、具有类似碳六十结构的分子，因此富勒烯也作为碳六十、碳七十等此类物质的统称。由于碳六十等富勒烯新物质的发现，引发新的科技革命！碳六十的用途：富勒烯结构奇特新颖，具有许多激动人心的物理特性：超导、特殊的磁学性质、光电导性质以及非线性光学性质。从C60被发现的短短的十多年以来，富勒烯已经广泛地影响到物理学、化学、材料学、电子学、生物学、医药学各个领域，极大地丰富和提高了科学理论，同时也显示出巨大的潜在应用前景。据报道，对C60分子进行掺杂，使C60分子在其笼内或笼外俘获其它原子或集团，形成类C60的衍生物。例如C60F60，就是对C60分子充分氟化，给C60球面加上氟原子，把C60球壳中的所有电子“锁住”，使它们不与其它分子结合，因此C60F60表现出不容易粘在其它物质上，其润滑性比C60要好，可做超级耐高温的润滑剂，被视为“分子滚珠”。再如，把K、Cs、Tl等金属原子掺进C60分子的笼内，就能使其具有超导性能。用这种材料制成的电机，只要很少电量就能使转子不停地转动。再有C60H60这些相对分子质量很大的碳氢化合物热值极高，可做火箭的燃料。等等。②海葵毒素(C145H264N4O78)1989年，Kishi经8年的努力，由24位研究生和博士后完成了全合成。海葵毒素是由海洋生物中分得的一个最复杂的天然有机物，也是目前最毒的化合物（LD500.4μg/kg，-4-为河豚毒素的25倍)。有64个手性中心，可能存在271个异构体。这一复杂立体专一的合成显示了有机合成界当今所具有的非凡的能力。图1.2海葵毒素结构式1.2有机化合物的特性有机化合物与无机化合物相比有很大的区别，具体表现在有机化合物具有如下一些特性：1.2.1数量庞大，异构现象复杂。组成有机化合物的元素并不多，绝大多数有机化合物只是由碳、氢、氧、氮、卤素、硫、磷等少数元素组成，但是有机化合物的数量却非常庞大，截止1998年底，在全球最大的化学文摘——美国化学文摘上登记的化合物总数为18.8百万种，其中绝大多数是碳的化合物，无机物只有几十万种，且每年又有数以千计的新的有机物出现。有机化合物的数量如此之多首先是因为碳原子相互结合的能力很强。碳原子可以相互结合成不同碳原子数目构成的碳链或碳环，一个有机化合物的分子中碳原子数目少则仅一、二个，多则可达几千、几万甚至几十万个（有机高分子化合物）。此外，即使是碳原子数目相同的分子，由于碳原子间的连接方式有多种多样，因而又可以组成结构不同的许多化合物。分子式相同而结构相异因而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。有机化合物的同分异构现象非常普遍，也很复杂，有由于构造、构型或构象不同而造成的各种不同的构象。1.2.2热稳定性差，易燃烧。热稳定性差：许多有机化合物在200~300℃时即逐渐分解。易燃烧：大多数有机物都可以燃烧，有些有机物如汽油等很容易燃烧。1.2.3熔点和沸点低。许多有机化合物在常温下是气体、液体，常温下为固体的有机物，它们的熔点一般也很低，超过300℃-5-的有机物很少，这是因为有机物晶体一般是由较弱的分子间引力维持所致。1.2.4难溶于水一般有机物的极性较弱或是完全没有极性，而水是强极性液体，因此一般有机物难溶或不溶于水，而往往可溶于某些有机溶剂，如苯、乙醚、丙酮、石油醚等。但一些极性较强的有机物如低级醇、羧酸、磺酸等也易溶于水。1.2.5反应速度慢，且副反应多。有机化合物的化学反应多数不是离子反应，而是分子间的反应，大多数有机反应需要一定时间才能完成反应。为了加速反应，往往需要加热、加催化剂或光照等手段来增加分子动能、降低活化能或改变反应历程来缩短反应时间。有机反应往往不是单一的反应，反应物之间可以同时进行若干不同的反应，可以得到几种产物。一般把在某种特定反应条件下主要进行的一个反应叫做主反应，其他的反应叫做副反应。选择最有利的反应条件以减少副反应来提高主要产品的数量（得率）也是有机化学家的一项重要任务。1.3有机化合物结构的表示法有机化合物的结构是指分子中各原子的连接顺序、连接方式及相应的空间排列。学习有机物结构的表示法首先要理解有机物的空间结构概念。1.3.1有机结构的立体概念有机化合物分子中各个原子在空间具有一定的排列方式，例如甲烷分子呈正四面体结构，碳原子位于正四面体的中心，四个氢原子分别位于正四面体的四个顶点：•图1.3碳原子的四面体模型（甲烷）甲烷分子的另外二种模型：图1.4甲烷斯陶特模型图1.5甲烷棍棒模型杂化轨道理论解释甲烷的正四面体空间结构：-6-图1.6C原子的sp3杂化轨道图1.7甲烷的4个C-Hσ键图1.8乙烯的σ键和π键1.3.2结构表示法：1、缩写式与折线式丁烷CH3CH2CH2CH3丙醇CH3CH2CH2OHOH戊烷CH3CH2CH2CH2CH32、透视式与投影式二氯甲烷透视式与投影式，理解二个不同的投影式表示同一个分子ClHHClHHHHClClClCl-7-HHHHHHHOH图1.9丙醇的投影式与结构模型（动画：丙醇结构模型）1.4有机化合物中的共价键（CovalentBonds）碳是组成有机物的主要元素，在周期表中位于第二周期第四主族，介于典型金属与典型非金属之间。它所处的特殊位置，使得它具有不易失去电子形成正离子，也不易得到电子形成负离子的特性，故在形成化合物时更倾向于形成共价键。大多数有机物分子的碳原子跟其它原子是以共价键相结合的，因此讨论共价键的性质具有重要意义。共价键的属性：共价键的属性包括键长、键角、键能、键的极性等。键长：形成共价键的两个原子的原子核之间，保持一定的距离，这个距离称为键长。不同的共价键具有不同的键长，即使是同一类型的共价键，在不同的分子中其键长也有可能稍有不同。键角：共价键有方向性，因此任何一个两价以上的原子，与其他原子所形成的两个共价键之间都有一个夹角，这个夹角就是键角。键长和键角决定了分子的空间形状。图1.10一氯甲烷(CH3Cl)球棍模型键长C-Cl=0.177nmC-H=0.109nm键角(