有机化学绪论

有机化学OrganicChemistry教材与参考教材陆涛主编，有机化学学习指导与习题集，人民卫生出版社，2011邢其毅，基础有机化学（第三版上下），高等教育出版社，2008FrancisA.Carey.OrganicchemistryNewYork，McGraw-Hill，2009课前预习听课、记笔记整理、归纳和总结做习题（巩固）——重要讨论及答疑学好有机化学的几个重要环节切记：不要死记硬背：理解不要临时抱佛脚第一章绪论一、有机化合物和有机化学二、有机化合物的结构理论三、共价键的参数与断裂方式四、有机化合物的分类及表示五、有机酸碱理论第一节有机化合物和有机化学有机化合物最早的有机化合物来自于动植物体（有机体）“生命力”学说认为：有机化合物只能由有机体产生。无机化合物则存在于无生命的矿藏中。FriedrichWohle(1800-1882)GermanyNH2CNH2ONH4CNO+-由氰酸铵（无机物）制得尿素（有机物）(1828)inorganicorganic韦勒（F.Wohle）为什么要学习有机化学？什么是有机化合物？什么是有机化学？有机化合物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。神经刺激视觉CisTransNOpsinNOpsinRhodopsinMetarhodopsinⅡhν有机化合物使世界色彩斑斓红橙OMeOOOCNCNClClH2CNN黄NNO绿蓝CNFFFO紫Ibuprofen（布洛芬）止痛药：CCH2CHCH3HOOCCH3HCH3CCH2CHH3CH3CCOOHHH3C立即止痛在体内转变成左式所代表的化合物，止痛有机化合物保护我们的健康弗莱明发现青霉素获得1945年诺贝尔奖，青霉素的发现开辟了一条新的治病途径，拯救了成千上万人的生命。HNONOSHHOO－有机化合物保护我们的健康青霉素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双螺旋结构现代文明的基础——纸，由有机化合物纤维素组成纤维素结构H2NCNH2ONOpsinHNONOSHHOO－OMeO有机化合物（OrganicCompounds）含碳元素，是碳的化合物。有机化学（OrganicChemistry）——研究有机化合物的组成、结构、性质、反应、合成、反应机制及相互间转变规律等的一门科学。有机化合物中常见的元素截止2010.2.7，化合物数量总数为51，986，33763,522,495有机化合物的共同特点：1.对热不稳定，易燃烧（极少数例外）2.易溶解于有机溶剂中，一般难溶于水3.熔点较低（一般在300oC以下）4.反应速度慢，产物复杂，经分离提纯得纯净物5.同分异构现象普遍，同分异构体较多同分异构现象（isomerism）具有相同的分子式，但具有不同分子结构的现象同分异构体（isomer）具有相同的分子式，但具有不同分子结构的化合物，互称同分异构体C2H6OHCHHOCHHHHCHHCHHOH甲醚乙醇构造异构C47H51NO14紫杉醇是一种全新的光谱抗癌药，副作用小，国际医疗界认为紫杉醇是近10年来发现的最有希望的抗癌药物。紫杉醇（taxol）紫杉醇（taxol）129carbonatoms,221hydrogenatoms,54oxygenatoms,and3nitrogenatoms水螅毒素第二节有机化合物的结构理论1.Kekulé（凯库勒）和Couper（古柏尔）的结构理论有机化合物中碳原子为四价；碳原子除与其它元素结合外，自身可形成单键、双键、三键；解决分子中原子相互结合的顺序和方式，阐明同分异构体。一、有机化合物的结构理论初期发展2.Buterov（布特列洛夫）、Van’tHoff（范霍夫）、LeBel（勒贝尔）的经典结构理论原子价基础上提出化学结构的概念；立体结构的初步认识；杂化轨道理论。•离子键：两个带异性电荷的离子通过静电吸引。1.离子键和共价键——八隅体规则•共价键：两个原子间共用电子对。八隅体(Octet)：原子总是倾向获得与惰性气体相同的价电子排布(价电子层达到8个电子的稳定结构)二、化学键结论：共用一对电子，单键；共用两对电子，双键；共用三对电子，三键HCHHHHCHHHCCHHCCHHO◆有机化合物的共价键与Lewis（路易斯）式HCHHHHCHHHCCHHCCHHO····Lewis式Kekulé式Kekulé式多原子离子的Lewis式及配位键Lewis式◆有机化合物的Kekulé式在Kekulé式中，用线条表示成键电子对，如：HCHHCCHHHHHHCHHCCBrHCHHBrHHHCCHHCOCHHHHCCCOHHH2.原子轨道和电子云3.价键理论——解释化学键形成基本要点：1、形成共价键的电子，必须自旋方向相反，每一对电子形成一个共价键；2、共价键具有饱和性，元素原子的共价数等于该原子的未成对电子数；3、共价键具有方向性，需满足最大重叠原理。4.杂化轨道理论Pauling于20世纪30年代提出杂化轨道理论。基本要点：(1)原子在成键时，可以变成激发态；而且能量相近的原子轨道可以重新组合形成新的原子轨道，既杂化轨道。(2)杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目。(3)杂化轨道的方向性更强，成键能力更大。C原子的电子排布如下1s2s2p碳原子的sp3杂化中轨道能量的变化◆碳原子的sp3杂化HCHHH形成正四面体，轨道轴间夹角109.5º单个sp3杂化轨道四个sp3轨道轴键角碳原子的sp2杂化中轨道能量的变化◆碳原子的sp2杂化杂化轨道成平面型，轨道轴夹角120º，未杂化p轨道垂直此平面单个sp2杂化轨道碳原子的sp杂化中轨道能量的变化◆碳原子的sp杂化杂化轨道成直线型，轨道轴夹角180º，未杂化p轨道垂直此直线单个sp杂化轨道5.分子轨道理论节面线性组合：最大重叠原则、能量近似原则、对称性匹配原则电子排布：Pauling不相容原则、能量最低原则、Hund规则1、键长形成共价键的两个原子核间的距离称为键长。下表是常见共价键平均键长。共价键共价键键长/nm键长/nmCCCHCNCOCFCClCBrCICCCC0.1540.1470.1430.1410.1090.1770.2120.1340.1200.191第三节共价键的几个参数和断裂方式一、几个重要参数注意：同一类型的共价键键长在不同化合物中可能稍有不同。CH3CH2CH0.151CH3CHC0.14562、键角指键与键之间的夹角。注：键角不仅与碳原子的杂化方式有关，还与碳原子上所连原子或原子团有关。CHHHH109.5oO104oCOHH118o121oCH2CH2CH21040甲烷C-H键键能（415.3kJ.mol-1)是上述离解能的平均值。3、键能指成键时体系放出的能量或断键时体系吸收的能量。多原子分子键能通常是键的离解能平均值。CH3CH2HEd(CH2H)=439kJ.mol-1CH2CHHEd(CHH)=448kJ.mol-1CHCHEd(CH)=347kJ.mol-1CH4CH3HEd(CH3H)=423kJ.mol-1常见共价键的平均键能共价键共价键键能/kJ.molCCCHCNCOCFCClCBrCICCCC347305360485414339218611837285键能/kJ.mol-1-1当成键原子相同时，形成的共价键无极性（H-H）。当成键原子电负性不同时，电负性大的原子带部分负电荷（δ-）；电负性小的原子带部分正电荷（δ+）。键的极性强弱用偶极矩或键矩，即部分电荷与电荷之间距离的乘积（μ）来衡量。μ=q.d（C.m)4、键的极性和可极化性δ+δ-HClHClμ=3.57x10-30（C.m)偶极矩是一个矢量，多原子分子偶极矩是各个共价键偶极矩的矢量和：μ=6.42x10-30(C.m)μ=3.28x10-30(C.m)μ=0(C.m)CClClHHCClHHHCClClClCl偶极矩为零的分子是非极性分子；偶极矩不为零的分子是极性分子；偶极矩越大，分子极性越强。分子的极性和可极化性共价键在外电场作用下，键的极性发生变化称键的极化性。用键的极化度度量，表示成键电子被成键原子的核电荷约束的相对程度。极化度与成键原子的体积、电负性和键的种类及外电场有关。体积越大，电负性越小，核对成键电子的约束越小，键的极化度就越大。例如：C－I＞C－Br＞C－Cl＞C－FR－I＞R－Br＞R－Cl＞R－FHCNOF2.22.53.03.54.0SiPSCl1.92.22.53.0Br2.9I2.6一些元素的电负性从成键原子的电负性值可以大致判断共价键极性的大小，差值越大，极性越大（一般差值在0.6～1.7之间）。电负性：原子在分子中吸引电子的能力。共价键的断裂方式，可分为均裂和异裂：（1）均裂：键断裂时原成键的一对电子平均分给两个原子或基团。自由基（freeradical）特点：有自由基中间体生成。自由基反应：发生共价键均裂的反应反应条件：光、热或自由基引发剂的作用下进行。二、共价键的断裂方式（2）异裂：键断裂时原成键的一对电子为别为某一原子或基团所占有。特点：有正离子或负离子中间体生成。离子型反应：发生共价键异裂的反应第四节有机化合物的分类和表示方法（一）按碳链分类开链族化合物碳环族化合物杂环族化合物脂环族芳香族按碳链分类一、有机化合物的分类（二）按分子不饱和程度的不同饱和脂肪族化合物、不饱和脂肪族化合物和芳香族化合物1.链状化合物（无环化合物，脂肪族化物）如：丁烷，丙烯，乙酸，丙醇等。OH（B）芳香族化合物OHNO22.环族化合物（按环的特点，分为两类）（A）脂环族化合物3.杂环化合物ONOCHO注：按碳链分类不能准确反映有机物的结构特点，故有很大的局限性。（三）按官能团分类在有机化合物中，决定某一类化合物主要性质的原子团称为官能团或功能基。一些常见重要官能团（p15表1-5）化合物类别官能团构造CCCC官能团名称烯烃炔烃卤代烃硝基化合物胺醇和酚X(F,Cl,Br,I)NO2NH2OH双键三键卤原子硝基氨基羟基醚醛酮腈羧酸磺酸OCHOCOCNCOOHSO3H醚键醛基(甲酰基)酮羰基氰基羧基磺酸基•构造：分子中原子相互连接的顺序和方式•构造式：表示分子构造的化学式•有机化合物构造的表示方法：蛛网式、缩写式（结构简式）和键线式二、有机化合物构造的表示方法脂肪族化合物常用缩写式，环状化合物常用键线式！蛛网式缩写式键线式CHCCHHOHHHHHCH3CH2CH2OHOHCCCCCHHHHHHHHHHH2CH2CCH2CH2CH2分子构造的表示方法HCCHHCOCHHH蛛网式缩写式键线式HCHHCCBrHCHHBrHHCH3CHBrCH2CH2BrCH3COCHCH2HCCCOHHHCCH2OHHCOHOBrBr棒球模型或球棍模型Stuart(斯陶特)模型或比例模型楔线式三、有机化合物立体结构的表示方法第五节有机酸碱理论简介用于有机化学中的酸碱理论有Brønsted酸碱理论和Lewis酸碱理论1.Brønsted酸碱理论酸是质子的给予体，碱是质子的接受体：JohannNicolausBrönsted1879-1947酸共轭碱碱共轭酸HClH++Cl－NH3+H+NH4+有机酸:•有机碱：–负离子（B-）–含有孤对电子可以和H+成键的化合物–含氮的胺类化合物，是最普通的有机碱–含氧化合物可作为碱和强酸反应，也可作为酸和强碱反应有机碱:酸释放出质子后产生的酸根，即为该酸的共轭碱；碱与质子结合后形成的质子化合物，即为该碱的共轭酸，如：CH3COH+H2OH3O++CH3COO-OH2O+CH3NH2CH3NH3++OHH2SO4+CH3OHCH3OH2++HSO4-酸碱碱的共扼酸酸的共扼碱•酸碱强度的表示酸的强度，可以在很多溶剂中测定，但最常用的是在水溶液中，通过酸的离解常数Ka来测定的。酸性强度可用pKa表示，pKa=-lgKa。pKa越小，酸性越