1-第一章3学时

有机化学教案使用教材：徐寿昌主编《有机化学》第二版主讲教师：杜玲枝第一章有机化合物的结构与性质学习要求1．掌握共价键理论的要点、共价键的属性及重要参数。2．掌握主要官能团的式子。3.掌握共价键的均裂、异裂。4．理解有机化合物的特点，从中弄清与无机化合物的主要区别。5．理解有机化合物的分类原则。6.理解有机化学中的酸硷概念。7．了解有机化合物和有机化学的涵义。8．了解有机化学的发展简史。9．了解有机化合物的研究程序和方法。讲授时数:3学时本章节重点、难点：1.共价键理论2.分子轨道理论3.共价键的键参数教学方法采用多媒体和板书相结合的课堂讲授方法§1.1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，是化学学科的一个分支，它的研究对象是有机化合物。什么是有机化合物呢？早期化学家将所有物质按其来源分为两类，人们把从生物体（植物或动物）中获得的物质定义为有机化合物，无机化合物则被认为是从非生物或矿物中得到的。现在绝大多数有机物已不是从天然的有机体内取得，但是由于历史和习惯的关系，仍保留着“有机”这个名词。有机化学发展简史象人类认识其它事物一样，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。如：1773年首次由尿内取得纯的尿素.1805年由鸦片内取得第一个生物碱--吗啡.*1828年，德国化学家，维勒（wohler,F）首次人工用氰酸铵合成了尿素。*从19世纪初至中期有机化学成为一门学科，建立了经典的有机结构理论。1857年凯库勒提出了碳是四价的学说。1858年，库帕（Couper,A·S）提出：“有机化合物分子中碳原子都是四价的，而且互相结合成碳链。”构成了有机化学结构理论基础。1861年，布特列洛夫提出了化学结构的观点，指出分子中各原子以一定化学力按照一定次序结合，这称为分子结构；一个有机化合物具有一定的结构，其结构决定了它的性质；而该化合物结构又是从其性质推导出来的；分子中各原子之间存在着互相影响。1865年，凯库勒提出了苯的构造式。1874年，范特霍夫(VantHoff.J.H)和勒贝尔(LeBel,J.A)分别提出碳四面体构型学说，建立了分子的立体概念，说明了旋光异构现象。1885年，拜尔（VonBaeyer.A)提出张力学说。至此，经典的有机结构理论基本建立起来。20世纪建立了现代有机结构理论。1916年，路易斯（Lewis,G.N)提出了共价键电子理论。20世纪30年代，量子力学原理和方法引入化学领域以后，建立了量子化学。20世纪60年代，合成了维生素B12，发现了分子轨道守恒原理。20世纪90年代初，合成了海葵毒素，有人誉之为珠穆朗玛峰式的成就。自从拉瓦锡（Lavoisier.A.L)和李比希（VonLiebig.J.F)创造有机化合物的分析方法之后，发现有机化合物均含有碳元素，绝大多数的含氢元素，此外，很多的有机化合物还含氧、硫、氮等元素。于是，葛美林（Gmelin.L)凯库勒(KeKule.A)认为碳是有机化合物的基本元素，把“碳化合物称为有机化合物”，“有机化学定义为碳化合物的化学”。后来，肖莱马（Schorlemmer,c.)在此基础上发展了这个观点，认为碳的四个价键除自己相连之外，其余与氢结合，于是就形成了各种各样的碳氢化合物——烃，其他有机化合物都是由别的元素取代烃中的氢衍生出来的，因此，把有机化学定义为研究烃及其衍生物的化学。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有机化合物中的原子都是以共价键结合起来的，从本质上讲，有机化学是研究共价键化合物的化学，因此，要研究有机化学应先了解有机化学中普遍存在的共价键。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1．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。例如：碳原子可与四个氢原子形成四个C—H键而生成甲烷。由一对电子形成的共价键叫做单键，用一条短直线表示，如果两个原子各用两个或三个未成键电子构成的共价键，则构成的共价键为双键或三键双键三键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P4（3）共价键的方向性——成键时，两个电子的原子的轨道发生重叠，而P电子的原子轨道具有一定的空间取向，只有当它从某一方向互相接近时才能使原子轨道得到最大的重叠，生成的分子的能量得到最大程度的降低，才能形成稳定的反之。S和P电子原子轨道的三种重叠情况2．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··+4HC··×HC·×·H×·H·H××CHHHHCCCC+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ClClClHHH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。基本观点：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。П轨道的示意图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P62．键角P63．键能P9应注意键能与离解能在概念上的区别，多原子分之中共价键的键能是指同一类的共价键的离解能的平均值。如甲烷的四个C—H的离解能是不同的。见P92．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→表示例如：μ=1.03Dμ=1.94DABψψψ12（反键轨道）（成键轨道）ψ2=ψAψBψ+ψ1=AψBψ-（原子轨道）能量+-+-+++-+-成键轨道（Π）反键轨道（Π）*能量HCH3ClClδδδδδδHCH3ClClδδδδδδ常见共价键的键矩见P10表1—4。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）。见P10—111.5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．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。2．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。亲电反应由亲电试剂进攻而引发的反应。离子型反应亲核反应由亲核试剂进攻而引发的反应。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同族元素来说FClBrI对-I同周期元素来说-F-OR-NR2不同杂化状态的碳原子来说–C≡CR–CR=CR2-CR2-CR3对+I:具有+I效应的原子团主要是烷基，其相对强度如下：(CH3)3–(CH3)2CH–CH3CH2–CH3–上述所说为静态诱导效应，有机反应中还有动态诱导效应的作用§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、分离提纯研究一个新的有机物首先要把它分离提纯，保证达到应有的纯度。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C:X(2)(1)(1)(2)+XCXC碳正离子碳负离子CH2CH2ClCH3δδδδδδδYCHCXCδδδδIII=0纯的有机物有固定的物理常数，如：熔点、沸点、比重、折射率等。测定有机物的物理常数可检验其纯度，纯的化合物的熔点距很小。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有机化合物的分类有机化合物分类的方法主要有两种1.1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1.2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。常见的重要官能团见P13表1—5有机化学的重要性近20多年来，有机化学在各方面有了长足的进步。在对重要的天然产物和生命基础物质的研究中，有机化学取得了丰硕的成果。维生素，抗生素，甾体，萜类，生物碱，碳水化合物，肽，核苷等的发现，结构测定和合成，为学科本身的发展增添了丰富的内容，为人类的保健事业提供了有效的武器。高效低毒农药的开发，动植物生长调节剂和昆虫信息物质的研究和开发，为农业的发展提供了重要手段。自由基化学，金属有机化学等的发展，促进了巨大的高分子材料工业的建立。含有杂原子的单体的研制更使我们有了具备多种优异性能的特种有机材料