第一讲 第一章 绪论1

OrganicChemistry有机化学主讲：郭津利辅导：郭津利第一讲（1）教材高鸿宾主编，有机化学（第四版），高等教育出版社，2005年。第一讲（2）主要参考书1、邢其毅等编，基础有机化学（上、下），高等教育出版社，第二版，2000年；2、胡宏纹主编，有机化学（上、下），高等教育出版社，第三版，2002年；3、魏荣宝主编，有机化学，天津大学出版社，第一版，2003年；4、高鸿宾、齐欣主编，有机化学学习指南，高等教育出版社，2005年；5、管萍、马政生、朱光明编，有机化学典型题解析及自测试题，西北工业大学出版社，2002年。第一章绪论（Introduction）第一讲（3）1.1有机化合物和有机化学1.2有机化合物的特性1.3分子结构和结构式1.4共价键（碳碳单键、双键和三键）1.4.1共价键的形成1.4.2共价键的属性1.4.3共价键的断裂和有机反应的类型1.5分子间相互作用力1.6酸碱理论1.7有机化合物的分类1.7.1按碳架分类1.7.2按官能团分类1.8有机化合物的研究程序本章提纲第一讲（4）•1874年，肖莱马对有机化学的定义：研究烃及其衍生物的化学。1.1有机化合物和有机化学1.1.1有机化合物和有机化学的定义有机化合物碳化合物的化学碳化合物有机化学•有机化合物也称碳和氢为主要元素的化合物，或称碳氢化合物及其衍生物。其它常见元素：O、N、P、S、X；•有机化合物数目庞大，种类繁多。•简单的含碳化合物不属于有机化合物，例如CO、CO2、碳酸盐、金属氰化物等具有典型的无机化合物的性质。定义：有机化合物是指碳氢化合物及其衍生物；有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学，是研究有机化合物的来源、组成、制备、结构、性质、应用及其变化规律的科学。第一讲•1806年，瑞典化学家柏则里(J.Berzelius)首次提出“有机化学”这一名称；•1848年，葛梅林（L.Gmelin〕对有机化学的定义：是研究碳的化学；（5）1.1.2有机化学的产生和发展（1）从有机体内提取有机物(1769–1805)第一讲（6）（2）由提取进入到提取合成并举的时代(1806–1828–1848)FriedrichWohler(1800-1882)GermanyPb(OCN)2+2H2O+2NH32H2N-C-NH2O+Pb(OH)2尿素的人工合成，给人们提供了一个从无机物制备有机物的例证，动摇了“生命力”学说的基础。直到1845年，柯尔伯(H.Kolbe)首次合成了醋酸；1854年，法国化学家柏赛罗(M.Berthelot)合成了油脂等有机物，生命力学说才彻底被否定。从此有机化学进入了提取合成并举时代。维生素B12、富勒烯C60、C70、牛胰岛素的合成。石头变棉花石灰石生石灰电石,碳化钙乙炔醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯聚乙烯醇H2C=CH-OCCH3H2OCaCO3CaOCCaC2HCCHCH3COOH,Hg2+O聚合H2CCHnOCOCH3ROHH2CCHnOHHCHO维尼纶（聚乙烯醇缩甲醛）第一讲（8）•1861年，布特列洛夫提出了化学结构的概念；•1857年，凯库勒提出了有机物分子中碳原子是四价的，而且互相结合成碳链；（3）逐步建立与完善了有机化学的理论•1865年，凯库勒提出了苯的构造式；•1861年约翰•约瑟夫•洛希米特（JohannJasefLoschmidt182l～1895），第一个发表了苯的正确结构，这要比凯库勒早四年！•1885年，拜耳提出了环的张力学说；•1874年，肖莱马把有机化学定义为：烃及其衍生物的化学；•1916年，路易斯提出了共价键的概念；•20世纪60年代，发现了分子轨道对称守恒原理。•20世纪30年代，建立了量子化学及分子轨道理论；•据中国化学会2002年报道：“截止1999年12月31日，人类已知的化合物数量已达2340余万种。”其中绝大多数是有机化合物。•1901-2002，92届诺贝尔化学奖，70届与有机化学有关。世界化学工业中70%以上为有机化工。有机化学给我们带来光明当你注视这个页面的时候，你的眼睛正使用一种有机化合物来将光转变成神经刺激，让你知道见到什么。CisTransNOpsinNOpsinRhodopsinMetarhodopsinⅡhν有机化学使世界色彩斑斓红橙OMeOOOCNCNClClH2CNN黄NNO绿蓝CNFFFO紫神经刺激视觉第一讲（1）有机化学在现代人类社会中，起着非常重要的作用。1.1.3有机化学的重要性（10）学名：2-(4-异丁基苯基)丙酸止痛药：芬必得，布洛芬CCH2CHCH3HOOCCH3HCH3CCH2CHH3CH3CCOOHHH3C立即止痛到体内后转变成左式，止痛有机化学保护我们的健康弗莱明因发现青霉素而获得1945年诺贝尔奖，青霉素的发现开辟了一条新的治病途径，拯救了成千上万条命。HNONOSHHOO－青霉素第一讲（11）有机化合物为生命提供能源——碳水化合物（糖）OHHOHHOHHOHHOHOH葡萄糖直链淀粉的结构有机化合物——作为生命遗传物质DNA（传宗接代)美国人沃森&英国人克里克提出DNA双螺旋结构第一讲（12）现代文明的基础——纸，由有机化合物纤维素制得。纤维素结构什么是有机化学？为什么要学习有机化学？第一讲（13）有机化学是研究与生命活动和提高我们的生活质量相关的化学，有机化学是研究含碳化合物的科学。人类从生老病死到衣食住行都离不开有机化学。环境的污染，说明对化学知之甚少，与自然和谐相处，必须学好有机化学尽管人类运用自己的聪明才智可以合成各种各样的有机化合物，但所用的最基本、最原始的原料主要来自石油和煤——最初还是属于生命体的东西；最经济、最温和、效率最高的有机反应还是生命体内的有机反应。有机化合物中所包含的主要元素如下图所示：碳在周期表中的位置以及有机物中常见的其它元素第一讲（14）在重视生命科学的今天，也是有机化学大放光芒的时代。因为分子生物学中的分子就是有机分子，生物化学就是要研究有机化学反应在生命体内如何进行。当今生命科学的重大问题如生命的起源，重大疾病如癌症、艾滋病的治疗、都离不开对有机化合物的研究。金属有机化学生物有机化学美国科技情报研究所（ISI）统计当今化学领域的2个热点Over95%ofallknownchemicalcompoundsarecompoundsofcarbon.Overonehalfofpresentdaychemistsclassifythemselvesasorganicchemists.《IntroductiontoOrganicChemistry》有机化学在化学学科中处于前沿地位。有机化学，1994,4,445（2）有机化学是许多应用学科的基础第一讲（15）1.2有机化合物的特性（1）数目庞大，分子组成复杂。维生素B12的组成：C63H90N14O14PCo,有183个原子。“同分异构”现象的存在。例如：分子式为C2H6O的化合物有2个：乙醇：CH3CH2OH，b.p.78.5ºC甲醚：CH3OCH3，b.p.–23.6ºC例如：分子式为C9H10的烷烃，有35个异构体。以氯化物为例：无机氯化物：氯化钠NaCl,m.p.801ºC有机氯化物：氯乙烷CH3CH2Cl，m.p.–136.4ºC,b.p.12.2ºC（2）多数容易燃烧，热的稳定性较差。（3）熔点和沸点较低，熔点一般低于400°C。（4）难溶于水，较易溶于非极性或极性小的有机溶剂。（5）反应速率较慢，通常需要加热、催化剂或光照下反应才能进行。（6）反应复杂、副反应较多，产物通常是混合物。•例外：CCl4不但不然且可用作灭火剂，酒精、醋酸可与水互溶，在光照下甲烷氯代反应、三硝基甲苯(TNT)的分解可在瞬间进行等。第一讲（17）短线（蛛网）式（Kekule式）1.3分子结构和结构式•分子结构是指分子中原子的排列顺序和相互关系（方式）。•分子结构通常用结构式表示，这种表示有机化合物分子结构的化学式一般使用有下列三种形式：第一讲（18）HCHHCCHHHHHHCHHCCBrHCHHBrHHHCCHHCOCHHHHCCCOHHH结构简式（浓缩式）CH3CH2CH3CH3CHBrCH2CH2BrCH3COCHCH2CCH2OHHCCH3CHCH2CH2CH2CH3CH3键线式BrOHOHO1.4共价键1.4.1共价键的形成第一讲（19）共价键的概念是LewisGN于1916年提出的。共价即电子对共用（或称电子配对）。例如氢分子的形成：H+HHH或写成HHLewis电子结构式短线式或价键式对于碳原子：HCHHHC+4H或写成CHHHH甲烷分子甲烷分子中的碳原子具有稳定八电子构型（通称八隅体，八隅规则）。这种共用一对电子形成的键称为单键；共用两对或三对电子则分别构成的双键或三键。例如乙烯和乙炔最稳定的Lewis结构：HHHH或写成CCCCHHHH乙烯或写成HHCCCCHH乙炔共价键具有方向性和饱和性。方向性和饱和性决定了分子的组成及形状。鲍林价键理论的观点是成键电子处于成键原子之间，是定域的。（1）价键理论（VB法）共价键的形成可看作是成键原子的原子轨道（或称电子云）相互交盖或电子配对的结果。+1s1s氢原子轨道交盖氢分子图1–1氢原子的s轨道交盖形成氢分子第一讲（20）（2）轨道杂化碳原子的电子构型：1s22s22px12py12pz0为什么在有机化合物中碳原子不是两价而是四价？1931年PaulingL和SlaterJC提出了轨道杂化，对此作出了合理的解释，同时还解释了有机化合物和无机化合物的许多问题。轨道杂化理论认为，碳原子生成键形成分子时，首先吸收能量：基态激发态1s22s12px12py12pz1电子构型2s轨道上的一个电子跃迁到2p轨道上，然后外层能量相近的2s轨道和2p轨道进行杂化，组成能量相等的几个轨道，称为杂化轨道。碳原子的轨道杂化一般有三种可能的类型：2s轨道和全部三个轨道2p进行杂化，称为sp3杂化；2s轨道和两个轨道2p进行杂化，称为sp2杂化；2s轨道和一个轨道2p进行杂化，称为sp杂化。2px2py2s2pz能量激发（吸收能量）2px2py2s2pz第一讲（21）（a）碳原子轨道的sp3杂化sp3杂化轨道基态激发态2px2py2s2pz能量激发（吸收能量）2px2py2s2pz杂化图1-2碳原子的sp3杂化109.5o(a)(b)图1-3碳原子的sp3杂化轨道第一讲（22）将进行了sp3轨道杂化的碳原子称为sp3杂化碳原子。烷烃分子中的碳原子均为sp3杂化碳原子。（b）碳原子轨道的sp2杂化2px2py2s2pz能量激发（吸收能量）2px2py2s2pz杂化2pysp2杂化轨道图1-4碳原子的sp2杂化三个sp2杂化轨道和未参与杂化的一个2p轨道中各有一个未成对电子，因此碳原子仍表现为4价。图1-5碳原子的sp2杂化轨道120o(a)(b)psp2sp2sp2(c)将进行了sp2轨道杂化的碳原子称为sp2杂化碳原子，与双键相连的碳原子一般是sp2杂化碳原子。（c）碳原子轨道的sp杂化两个sp杂化轨道和两个未参与杂化的一个2p轨道中各有一个未成对电子，因此碳原子也表现为4价。图1-7碳原子的sp杂化轨道2px2py2s2pz能量激发（吸收能量）2px2py2s2pz杂化2py2pzsp杂化轨道图1-6碳原子的sp杂化180o(a)(b)2pzsp(c)2pysp将进行了sp轨道杂化的碳原子称为sp杂化碳原子，与三键相连的碳原子一般是sp杂化碳原子。第一讲（24）第一讲（25）由上述讨论的碳原子的轨道杂化可以看出：杂化是单一原子的轨道进行混合再均分的过程；参加杂化的原子轨道数目与形成的轨道数目相等；多数杂化轨道的形状相似，但不完全相同；只有能量相近的轨道进行杂化，才能形成有效的杂化轨道；如碳原子的2s轨道和2p轨道能量很相近，可以进行杂化；在空间具有确定方向的轨道（如px、pz等轨道）决定杂化轨道的方向性；而无方向性的s轨道，只使杂化轨道更加“丰满”，而对杂化轨道的方向无影响；不同的杂化轨道在空间的取向不同，其