有机化合物概述综述

学习目的：1.掌握σ键、π键的定义和主要特点；2.掌握有机化合物的命名方法；3.熟悉有机化合物的分类；4.了解有机化合物的结构理论；5.了解有机化学与医学的关系。复习引入：.有机化合物大量存在于自然界，如粮、油、棉、麻、毛、丝、木材、糖、蛋白质、农药、塑料、染料、香料、医药、石油等大多数都是有机化合物。有机化合物和医学关系密切人体及动植物的基本组成：糖、脂类、蛋白质和酶、核酸、维生素、激素等都是有机化合物；中草药的有效成分一般也属于有机化合物。讲授新课：第一节有机化合物和有机化学一、有机化合物的概念1.有机化合物：碳氢化合物及其衍生物；2.有机化学：研究碳氢化合物及其衍生物的化学。在化学上，通常把含有碳氢两种元素的化合物称为烃。因此，有机化合物就是烃及其衍生物；有机化学也就是研究有机化合物的化学。二、有机化合物的特点1、可燃性：绝大数有机化合物都可以燃烧，如棉花、汽油、木材、酒精等。如大多数无机化合物，如酸、碱、盐、氧化物等都不能燃烧。因而有时采用灼烧试验可以区别有机物和无机物。2、熔点低：在室温下，绝大多数无机化合物都是高熔点的固体，而有机化合物通常为气体、液体或低熔点的固体。例如，氯化钠和丙酮的相对分子质量相当，但二者的熔、沸点相差很大。大多数有机化合物的熔点一般在400oC以下，而且它们的熔、沸点随着相对分子质量的增加而逐渐增加。一般地说，纯粹的有机化合物都有固定的熔点和沸点。3．难溶于水：水是一种强极性物质，所以以离子键结合的无机化合物大多易溶于水，不易溶于有机溶剂。而有机化合物一般都是共价键型化合物，极性很小或无极性，所以大多数有机化合物在水中的溶解度都很小，但易溶于极性小的或非极性的有机溶剂（如乙醚、苯、烃、丙酮等）中，这就是“相似相溶”的经验规律。正因为如此，有机反应常在有机溶剂中进行。4．反应速度慢无机反应是离子型反应，一般反应速度都很快。如盐酸与氢氧化钠反应，硝酸银与氯化钠生成AgCl沉淀的反应等都是在瞬间完成的。有机反应大部分是分子间的反应，反应过程中包括共价键旧键的断裂和新键的形成，所以反应速度比较慢。一般需要几小时，甚至几十小时才能完成。为了加速有机反应的进行，常采用加热、光照、搅拌或加催化剂等措施。5．副反应多，产物复杂有机化合物的分子大多是由多个原子结合而成的复杂分子，常常可以在不同部位同时发生反应，得到多种产物。因此在有机反应中，除了生成主要产物以外，还常常有副产物生成。为了提高主产物的收率，控制好反应条件是十分必要的。由于得到的产物是混合物，故需要经分离、提纯的步骤，以获得较纯净的物质。6．同分异构现象普遍存在同分异构现象是造成有机化合物数目繁多（现已知有机化合物有1千万种以上）的主要原因之一。所谓同分异构现象是指具有相同分子式，但结构不同，从而性质各异的现象。例如，乙醇和甲醚，分子式均为C2H6O，但它们的结构不同，因而物理和化学性质也不相同。乙醇和甲醚互为同分异构体。由于在有机化学中普遍存在同分异构现象，故在有机化学中不能只用分子式来表示某一有机化合物，必须使用构造式或构型式。三、有机化合物的结构理论（一）原子结构的基本概念原子是由原子核和核外电子两部分组成的，电子绕核作高速运动。常用小点的密度大小来表示电子出现的几率大小。这样的图像看起来就好像云雾一样，因此形象地称为电子云。1．电子云：电子云是电子在核外空间出现几率密度分布的一种形象描述。2．原子核外电子的运动状态在多电子原子中，电子的能量并不相同。带有负电荷的电子离核越近，它的能量就越低；离核越远能量就越高。能量最低的称为第1电子层，用n＝1（或K）表示；离核稍远能量稍高的为第2电子层，用n＝2（或L）表示；由里向外以此类推，依次用n=1、2、3、4、5、6、7或K、L、M、N、O、P、Q表示。因此，n的数值越小，表示电子离核越近，电子的能量越低；反之，n的数值越大，表示电子离核越远，电子的能量就越高。（1）电子层n在同一电子层上，电子的能量也稍有差别，电子云的形状也不相同。根据这一差别，又把一个电子层分成一个或几个亚层，分别用s、p、d、f等表示。（2）电子亚层和电子云形状S电子亚层电子云是以原子核为中心的球形p电子亚层电子云形状是纺锤形（或哑铃形）d、f电子亚层电子云形状比较复杂。电子层n1234567电子亚层1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d6f7s7p7d7fp亚层三个轨道相互垂直，互成90度夹角s亚层一个轨道P亚层三个轨道如：xyz电子云不仅有一定的形状，而且还有一定的空间伸展方向。（3）电子云的伸展方向及轨道轨道：具有一定的形状和伸展方向的电子云所占据的空间。轨道的表示：d亚层5个轨道f亚层7个轨道电子亚层伸展方向、原子轨道数目最多可容纳电子数S12p36d510f714（4）电子的自旋电子的自旋有两种方向，可用顺时针和逆时针或表示。在一个轨道中最多只能容纳自旋方向相反的两个电子。电子层1234电子亚层1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f亚层上的轨道数1131351357亚层上的最多电子数2262610261014电子层上的最多轨道数14916电子层上的最多电子数281832前四层，电子层上的最多电子数2n2前四层，电子层上的最多轨道数n2结论：能量从低到高顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p1s2s2p3s3p3．原子核外电子的排布原子结构示意图碳CC1s22s22p2核外电子排布为：H1s1Cl1s22s22p63s23p5轨道表示式为：1s1s2s2pHCCl练习：1s2s2p1s2s2p3s3pONS1s2s2p顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p核外电子排布为：1s22s22p21、碳原子的结构碳原子在元素周期表中，是第二周期第四主族元素。核外有六个电子。轨道表示式为：1s2s2p（二）杂化轨道理论碳原子结构示意图甲烷分子模型由于碳原子的最外层电子数为4个，碳原子既不容易得到电子，也不容易失去。因此，碳原子之间相互结合或与其它原子结合时，都是通过共用电子对而结合成共价键。碳原子总是以四个价键与其它原子或自身形成单键、双键或叁键。2、价电子的激发碳原子在成键的过程中首先要吸收一定的能量，使2s轨道的一个电子跃迁到2p空轨道中，形成碳原子的激发态。激发态的碳原子具有四个单电子，因此碳原子为四价的。2s2p2s2p激发激发：电子得到能量，由能量低的轨道跃迁到能量高的轨道的过程。3、轨道的杂化杂化：能量相近的、不同类型的轨道混合起来重新组合成新轨道的过程。碳原子在成键时，四个原子轨道可以“混合起来”进行“重新组合”形成能量等同的新轨道，称为杂化轨道。杂化轨道的能量稍高于2s轨道的能量，稍低于2p轨道的能量。杂化轨道的数目等于参加组合的原子轨道的数目。杂化轨道的成键能力增强（成键能力：sp3﹥sp2﹥sp﹥p﹥s）1、sp3杂化由一个2s轨道和三个2p轨道杂化形成四个能量相等的新轨道，叫做sp3杂化轨道，这种杂化方式叫做sp3杂化。碳原子轨道的杂化的形式：2s2p4个sp3杂化碳原子轨道的杂化的形式：sp3杂化轨道的形状及能量既不同于2s轨道，又不同于2p轨道，它含有1/4的s成分和3/4的p成分。sp3杂化轨道是有方向性的，四个sp3杂化轨道呈四面体分布，轨道对称轴之间的夹角均为109°28’。如甲烷分子中的4个C—H键。sp3杂化结构模型空间伸向：四个sp3杂化轨道呈正四面体分布，轨道对称轴之间的夹角均为109°28’形状：一头大一头小。sp3杂化结构模型甲烷CHHHHCCHHHHHHCH3CH3乙烷σ键：电子云沿轨道对称轴方向（“头碰头”方式）重叠所形成的共价键。碳碳单键上的碳原子都是sp3杂化sp22s2p2p杂化2、sp2杂化由一个2s轨道和两个2p轨道重新组合成三个能量等同的杂化轨道，称sp2杂化。sp2杂化轨道含有1/3的s成分和2/3的p成分，这三个sp2杂化轨道的对称轴在同一平面上，并以碳原子核为中心，分别指向正三角形的三个顶点，对称轴的夹角为120°。碳原子还余下一个未参与杂化的2p轨道，仍保持原来的形状，它的对称轴垂直于三个sp2杂化轨道对称轴所在的平面。空间伸向：三个sp2杂化轨道呈正三角形分布，轨道对称轴之间的夹角均为120°2p轨道垂直于三个sp2杂化轨道所在的平面乙烯CCHHHHCH2=CH2C=C键：1s键+1p键π键：电子云沿轨道对称轴平行方向（“肩并肩”）重叠所形成的共价键。碳碳双键上的碳原子都是sp2杂化3、sp杂化由一个2s轨道和一个2p轨道重新组合成二个能量等同、方向相反的杂化轨道，称sp杂化。sp2s2p2p杂化3、sp杂化由一个2s轨道和一个2p轨道重新组合成二个能量等同、方向相反的杂化轨道，称sp杂化。sp2s2p2p杂化sp杂化轨道的形状与sp3、sp2杂化轨道的形状相似，sp杂化轨道含有1/2的s成分和1/2的p成分，二个sp杂化轨道伸向碳原子核的两边，它们的对称轴在一条直线上，互呈180°夹角。碳原子还余下二个未参与杂化的2p轨道，这二个2p轨道仍保持原来的形状，其对称轴不仅互相垂直，而且都垂直于sp杂化轨道对称轴所在的直线。乙炔CCHHHCCHC≡C键：1s键+2p键碳碳叁键上的碳原子都是sp杂化小结：杂化轨道的类型及特点类型参与杂化的轨道数未参与杂化的p轨道数杂化轨道成分杂化轨道数目空间结构轨道间夹角sp31个s+3个p01/4s+3/4p4个sp3正四面体109°28′sp21个s+2个p11/3s+2/3p3个sp2正三角形120°sp1个s+1个p21/2s+1/2p2个sp直线形180°四、有机化合物的结构（一）碳原子的结构特点1、碳原子的价态：4个共价键甲烷CH4CH3—CH3CH3—O—CH3CH3—Cl电子式：结构式：结构式：能表示有机化合物分子中原子间连接顺序和方式的图式。结构式如：结构简式：碳原子结构示意图CHHHH2、共价键的类型根据形成共价键时原子轨道的重叠方式不同：可分为σ键和π键σ键：电子云沿轨道对称轴方向（“头碰头”方式）重叠所形成的共价键。σ键π键存在可以单独存在，存在于任何共价键中不可以单独存在，只能与σ键同时存在形式成键轨道沿键轴重叠，重叠程度大成键p轨道平行重叠，重叠程度较小性质1、电子云呈柱状，沿键轴呈圆柱形对称，电子云密集于两核之间2、自由旋转3、键能大，键稳定4、不易被极化1、电子云呈块状，通过键轴有一对称面，电子云分布在平面上下方2、不能自由旋转3、键能小，键不稳定4、易被极化π键：电子云沿轨道对称轴平行方向（“肩并肩”）重叠所形成的共价键。在有机化合物中，碳原子的4个共价键不仅能与氢原子或其它原子相结合，而且碳原子之间也可以通过共价键相结合，称为自相成键。碳碳单键：两个碳原子之间共用一对电子形成的键称为碳碳单键；碳碳双键：两个碳原子之间共用两对电子形成的键称为碳碳双键；碳碳三键：两个碳原子之间共用三对电子形成的键称为碳碳三键。3.碳原子的成键方式HHCHCHHHHCHCHHHCCH碳碳单键碳碳双键碳碳叁（三）键4.碳原子的连接形式碳原子之间还可以互相连接形成长短不一的链状和各种形状，从而构成有机化合物的基本骨架。（二）、共价键的参数1、键长在正常的、未激发的分子中,各原子处于平衡的位置.这时两个成键原子核中心间的距离就是该键的键长,一般用纳米(nm)表示.键长取决于成键的两个原子的大小及原子轨道重叠的程度.成键原子及成键的类型不同,其键长也不相同.例如,C-C、C=C及C≡C的键长分别是0.154、0.133和0.121nm,即单键最长,双键次之,三键最短.2、键角分子中某一原子与另外两个原子形成的两个共价键在空间中的夹角,叫做键角.它的大小与分子的空间构型有关.例如,烷烃的碳原子都是sp3杂化的,所以H-C-C或H-C-H的键角都接近于109°28′；烯烃是平面型分子,碳是sp2杂化的,H-C-H或H-C-C的键角接近于120°；炔烃是线型分子,碳的杂化方式是sp,所以H-C-C的夹角为180°.3、键能和键离解能在25℃和101.325kPa下,以共价键结合的