有机化学绪论课件

有机化学绪论1 陕西师范大学化学化工学院 陈战国 Tel 第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 什么是有机化合物？ 有机化学的发展史 有机化学是介绍哪方面的内容？ 有机化学与生物学的关系是什么？ 价键理论-杂化轨道理论 有机化学绪论3 Introduction nExample: 脑白金（Melatonine) 有机化学绪论4 Introduction 感冒药 快克，康泰克，白加黑，康 必得，速效感冒胶囊，泰诺 主要成份为对乙酰氨基酚 伪麻黄碱是与对乙酰氨基 酚合方共用的治疗性感冒 药 有机化学绪论5 Introduction N，N-二甲基-2-（二苯甲氧基 ）乙胺盐酸盐(盐酸苯海拉明 ）能竟争性阻断组胺H1受体 而产生抗组胺作用，有镇静， 防晕动，止吐作用，可缓解支 气管平滑肌痉挛。抗过敏药物 N-甲基-3-甲氧基吗啡烃， （氢溴酸右美沙芬）有镇 痛作用，但没有吗啡的成 瘾性和吗啡样的其它副作 用。 有机化学绪论6 Introduction 白加黑 解热镇痛止咳药 成份: 每片含 日用片 夜用片 对乙酰氨基酚 325mg 325mg 盐酸伪麻黄碱 30mg 30mg 无水氢溴酸右 15mg 15mg 美沙芬 盐酸苯海拉明 - 25mg 有机化学绪论7 Introduction n 以上部分药物都是有机物。事实上，在自然界 里有机物随处可见，如：生物体大部分由有机物构 成；组成头发、皮肤、肌肉的蛋白质；控制遗传基 因的DNA；吃的食物；穿的衣服；汽油；轮胎； 塑料等 有机化学绪论8 一、 有机化学研究的对象与任务 1.1 什么是有机化合物、有机化学 有机化合物：Organic Compound 含碳的化合物（除CO、碳酸盐等）：碳氢化合物( 烃 hydrocarbon)及其衍生物（derivative) 有机化学： Organic Chemistry 研究有机物制备（preparation)、结构（structure) 、性质(property)、应用(application)的科学 有机化学意义：是研究生物体及生命 现象的基础 有机化学绪论9 有机化学研究的对象与任务 1.2 有机化学的产生和发展 1777年，瑞典化学家Bergman将化合物分为“ 无机”(inorganic compound)和“有机”(organic compound)两大类 。 1808年瑞典化学家Berzelius首先使用“有机化 学”(organic chemistry)这个名词 。 十九世纪初提出，至今约200多年的时间。 有机化学绪论10 1.2.1.有机化合物的提纯 n十八世纪末，化学家们已经得到了一系列纯的 有机化合物 。 n代表人物是瑞典化学家谢勒(Scheele, 1742 1786 )，他一生发现、提纯了不少有机化合 物 。 有机化学绪论11 1.2.1.有机化合物的提纯 nScheele的主要提纯工作 尿酸 正常男性尿酸水平约为140420umol/L，而女性约 为一半。痛风病人的尿酸水平为正常水平的2-3倍 有机化学绪论12 1.2.1.有机化合物的提纯 nScheele的主要提纯工作 n从柠檬中提取柠檬酸(1784) n从苹果中提取苹果酸(1785) 柠檬酸 苹果酸 有机化学绪论13 1.2.1.有机化合物的提纯 n其他化学家的分离提纯工作 n1773年，由尿中发现尿素 n1805年，由鸦片中得到第一个生物碱吗啡。 n1818年，由植物叶中分离出叶绿素。 n1820年，由植物中分离出马钱子碱、番木鳖碱、 辛可宁等生物碱。 有机化学绪论14 1.2.1.其他化学家的分离提纯工作 吗啡是鸦片中最主要的生物碱 （含量约10-15%），1805年法 国化学家F泽尔蒂纳首次从鸦 片中分离出来。他用分离得到 的白色粉末在狗和自己身上进 行实验，结果狗吃下去后很快 昏昏睡去，用强刺激法也无法 使其兴奋苏醒；他本人吞下这 些粉末后也长睡不醒。据此他 用希腊神话中的睡眠之神吗啡 斯（Morphus）的名字将这些物 质命名为“吗啡”。 有机化学绪论15 1.2.1.其他化学家的分离提纯工作 1818年，由植物叶中分离出叶绿素 卟吩结构 有机化学绪论16 第一个治疗疟疾药物的发现 n金鸡纳树皮与奎宁 n 金鸡纳树皮是治疗疟疾的特效药，原产于南美洲的厄瓜多尔。它 的发现还有一段传说：相传有一个患严重疟疾的印第安人来到了厄瓜 多尔南部洛哈省的马拉卡拉斯地区，由于口渴难耐，他爬到了当地一 个小池塘边喝水。小池塘里浸泡了许多树，水很苦，但喝完水后，他 的病情却好了许多。这件事很快在印第安人中传开，从此印第安人便 最先开始用这种树皮治疗疟疾。后来传教士胡安络佩斯知道了这个 古老的秘密，并把一块金鸡纳树皮带到了西班牙，用它治好了西班牙 驻秘鲁总督夫人安娜辛可伯爵夫人的疟疾。于是这个消息在西班牙 广为传播。人们便以总督夫人的名字命名这树皮为辛可那（Cincnona ）。法国药师佩雷蒂尔和卡文顿猜想金鸡纳树皮中肯定含有治疗疟疾 的成分，便尝试着进行分离。他于1826年从金鸡纳树皮中提取到有效 成分奎宁和辛可宁。由于辛可宁的生理活性仅为奎宁的1/5，所以只将 奎宁用于治疗疟疾。目前，奎宁仍是治疗疟疾的首选药。 有机化学绪论17 第一个治疗疟疾药物的发现 辛可宁碱 奎宁 有机化学绪论18 1.2.2. 有机合成的功劳 nWohler由氰酸铵加热合成了尿素： n1845年 Kolbe(柯尔伯)合成了醋酸 n1854年 Berthelot(贝特罗)合成了油脂 n1861年 布特列洛夫合成了糖 n一百多年来人工合成的有机化合物超过100 万种 有机化学绪论19 1.2.3. 有机化学是一门迅速发展的学科 有机合成化学 天然有机化学 金属与元素有机化学 物理有机化学 有机分析化学 药物化学 香料化学 农药化学 有机新材料化学 生命科学 材料科学 环境科学 化学生物 学 能源、工 业等 有机化学绪论20 我国科学家杰出的贡献 有机化学绪论21 我国科学家杰出的贡献 有机化学绪论22 1.3 有机化学研究的对象 有机化学研究的对象：就是有机 化合物 有机化合物的来源：植物、动物 、天然微生物和人工合成的化合 物 有机化学绪论23 1.4、有机化学研究的任务 分离、提取自然界存在的各种有机化合物，测定它们的结 构和性质以便加以利用。 例如：A。从茶叶中提取咔啡因（一种生物碱） B从雌蟑螂分离提取蟑螂信息素（历经30多年才提取出 不到1mg的蟑螂信息素）。 （2）用物理有机化学的方法，研究有机物的结构与性质的关系 ，反应的历程、影响反应的因素以便控制反应向我们需要的方向 发展。 （3）合成自然界已有的和自然界尚末发现的全新有机化合物。 有机化学绪论24 1.5、有机化学与生物学的关系 （1） 生物的生长过程，实际上是无数有机分子的合 成与分解的过程，这些连续不断并相互依赖的化学变化 构成了生命现象。 （2） 生物体中进行的许许多多的化学变化与实验室中 进行的化学反应具有相似性。 （3）从有机物分子结构和化学变化来了解生物现象- -构成了分子生物学。 例如：用物理和化学方法研究蛋白质、核酸的结构、 性质和功能。人们现已知道：核酸与蛋白质在控制遗传 信息的传递，高等动物的记忆活动等方面具有特殊的作 用，但这些作用都与分子的结构有关。 有机化学绪论25 1.5、有机化学与生物学的关系 有机化学以其价键理论、构象理论、各种反应及其反 应机理成为现代生物化学和化学生物学的理论基础。 n 在蛋白质、核酸的组成和结构的研究、顺序测定方法 的建立、合成方法的创建等方面，有机化学为分子生物学 的建立和发展开辟了道路。 n19011998年，诺贝尔化学奖共90项，其中有机化学方 面的化学奖55项，占化学奖61% n1901年 1998年与生命科学有关的有机化学诺贝尔奖46 项，与有机化学的相关性达到了83.6%。 n该数据来源于：胡伶莉，生命科学，2001，13（6）：286-287。 有机化学绪论26 二、有机化合物的特点 n有机化合物特点： n 种类繁多、数目庞大、结构复杂。 n与无机物相比，构成有机物的元素不过C、H、O 、N、P、S、X等十几种，而据统计，在1880年 ，有机物数目不过12000种，到了1992年，有机 物数目已超过700万种，这一数目目前仍在增长， 目前已超过1000万种。而组成无机物的元素是组成 有机物的元素十倍，几乎所有的元素都可形成无机 物，但无机物的数目仅为有机物的1/100。 n产生这种情况的原因是： 有机化学绪论27 有机物种类多的两个原因 n（1）. 形成有机物的中心碳原子的结合能力强。 n有机物中含碳数：少的1个，多则可达几万个碳。 n例: VB12 是有机物中的一个中小分子，其分子式为 C63H90N14O14PCo 。而无机物一般不超过15个、 至多几十个原子，这样形成的分子数目就很有限了 。这是有机物数目庞大的原因之一。 n（2）. 同分异构现象 n指分子式相同而结构不同的现象。 n（该内容将在烷烃一章中详细介绍） n如：乙醇和甲醚 有机化学绪论28 三 、 有机物性质上的特点 n1 . 易燃 大多数有机物（除少数卤烃外）都易 燃烧。 如：酒精、汽油 、液化气等都是日常使用 的燃料。而大多数无机物都不易燃烧。 n2 . 熔、沸点都比较低 n有机物大都是气体、液体或低熔点的固体。 n例： n冰乙酸 CH3COOH m.p. 16 .6 b.p. 118 n食盐 NaCl m.p. 800 b.p. 1440 有机化学绪论29 有机物性质上的特点 n原因： 大多数无机物晶体是依靠正负离子间引力（ 离子键） 存在， 离子间的引力较大，而且离子排列 有序，形成晶格，破坏它需要克服晶格能，因此， 无机物的熔、沸点较高。而有机物是分子排列而成 ，靠微弱的分子间引力（范德华力）来维持，较易 受到破坏，故有机物的熔、沸点一般都较低。 n3 . 有机物大多难溶于水 n有机物在溶剂中的溶解度遵循“相似相溶原理” 极 性相近的物质可以相互溶解。而大多数有机物的极 性均较小，因而难溶于极性较大的水中。溶解有机 物也要用极性较小的有机溶剂。 有机化学绪论30 有机物性质上的特点 n4 . 反应速度较慢 n无机反应速度一般很快，而有机反应少则几小时， 多则几天，甚至几年才能完成。如： n有机反应多是分子反应，反应分子应达到较高的能 量，高到足以破坏有机分子中的化学键才能反应， 故有机反应大多较慢且需要加热。 n不是所有的有机反应都较慢，也有部分有机反应进 行得十分迅速。如：有机炸药（TNT、硝化甘油等 ）的爆炸反应、有机物蒸气的燃烧、爆炸等反应。 有机化学绪论31 有机物性质上的特点 n5 . 有机反应的产物复杂、产率低 n有机物的结构复杂、反应活性中心相对较多，反应 时常不能局限在某一特定部分，这使反应结果比较 复杂，常伴有副反应发生，生成产物种类较多，反 应的收率一般较低（不能按照反应式定量进行） n 对于一个无机反应 产率一般达 90100 n 对于一个有机反应 产率一般若能达到理论产 率的6070就是比较满意的结果了。 有机化学绪论32 四、有机物的结构和共价键 n1、有机物的化学构造 n在有机分子中，组成分子的原子是按照一定的次序 连接成一个整体，这种分子中原子的结合次序和结 合方式，就称为该分子的构造。 n分子结构分为构造、构型、构象三种，构造只是分 子结构中的一种。分子中原子是连在一起的，而原 子间的相互影响，导致原子的结合次序和结合方式 的不同，分子的性质就有差别，也就是说，有机物 的性质不仅与构成分子中的原子种类和数目有关， 而且与分子的构造有关。 有机化学绪论33 例：C2H6O的构造与性质 n 分子结构 CH3CH2OH CH3OCH3 n 化学名称 乙醇 甲醚 n 沸点b.p 78.5 24.9 n 消去、酯化 可发生 不能发生 n分子的性质不仅由构成分子的原子决定，更主要的 是由分子的构造决定，也就是“结构决定性质”。 n象乙醇、甲醚这样：分子式相同，而结构和性质均 不同的化合物称为同分异构体。产生同分异构体的 这种现象称为同分异构现象。 有机化学绪论34 2、共价键 n共价键的生成： nC元素位于第二周期IVA族，有四个价电子，位于该 周期的中间位置，与其它元素相比电负性适中。既 不易得到4个电子，又不易失去4个电子，与其它原 子成键时是通过共用电子对成键，这种靠共用电子 对而形成的化学键我们称为共价键（covalent bond）。共用电子对与成键原子核互相吸引，而使 两个原子键合在一起。两个原子共用一对电子，叫 单键；若共用二对、三对电子则分别称为双键 、叁 键 。 有机化学绪论35 3.共价健的表示方法 nC的外围电子构型为2s22p2，共有4 个价电子可与 其它原子形成4个共价键。如，C与4 个H形成4个C H键，表示为： nC有4个价电子，可形成4个共价键，可用在无机化 学中学过的杂化轨道理论来解释，在此则不再详细 解释。 有机化学绪论36 4 . 共价键的性质 n共价键的饱和性 C最多只能形成4个共价键 。 n共价键的方向性 成键只能从特定的方向上成键 n例：CH4中C与H成键 n不从正面重叠的电子云重叠较小，形成的键就不稳 定。所以形成共价键，只能从特定的方向（即杂化 轨道键轴的方向）上成键，这样可使体系的能量降 低，有利于键的稳定，这就是共价键的方向性 有机化学绪论37 5 . 共价键的键参数 n共价键的性质是用共价键的键参数来描术的，如 n键长、键角、键能等。 n 键长 形成共价键的两个原子之间的核间距， 称为键长。 n键长的单位通常用nm表示。1nm=10m n键长越短，键能大，键就越稳定； n键长越长，键能小，键就越不稳定。 n . 键角 两个共价键间的夹角。 n例如：甲烷中任两个CH键间的夹角为10928 。 有机化学绪论38 5 . 共价键的键参数 n键能 n形成或断开共价键时，体系放出或吸收的能量。 n键能高，即成键时，体系放出的能量多，则体系内 含有的能量就低，体系就越稳定。 n注意：键能并不完全等于键的离解能。 n键的离解能： 在标况下（101325Pa、298K）， 1mol气态分子中某个键完全离解为气态原子所吸收 的能量。 n对于双原子分子而言 键的离解能键能 n对于多原子分子而言 键能与键的离解能并不一致 ，键能是同类共价健的离解能的平均值。 有机化学绪论39 甲烷的键能与离解能 n可见CH4中4 个CH的离解能并不相同。而CH4 的键能则是它们的平均值： nECH 414.25 KJmol1 n有机物中一些常见键的键能见书中表11。p4 有机化学绪论40 6 . 键的极性和偶极矩 n 极性 由电负性不同的原子形成的共价键的正负 电荷中心不重合，形成一个偶极，这样的共价键称 为极性共价键。 n 例： HCl中，Cl原子带有部分负电荷，记作 n，H带有部分正电荷，记作。 n 一般规律：成键的两原子的电负性差在 n 00 .6间，可认为键没有极性，是非极性键； n0 .61 .7间，可认为该键 有极性，是极性键； n 1 .7以上，可认为该键就是离子键。 有机化学绪论41 偶极矩 n由于极性不能量化，故又引入了偶极矩的概念。 n 偶极矩 是用来衡量键极性大小的量 qd n单位 ：库仑米 （Cm）偶极矩的方向由带正电荷 原子指向带负电荷原子。1德拜（D）= n 分子极性 n双原子分子：键有极性，则分子亦有极性 n多原子分子：分子的极性是分子中所有键的偶极矩 的向量和 有机化学绪论42 偶极矩 例如： 双原子分子 多原子分子： 有机化学绪论43 五 分子间的力 n1. 偶极-偶极作用力（dipole-dipole interaction)-也叫定向力 n2. 色散力（dispersion forces) n3.氢键（hydrogen bond) n几乎成为裸露的氢原子与另一分子的具有孤电子对 的电负性较大的原子具有了强烈吸引力，这种引力 叫氢键 n如：F，O，N 等 有机化学绪论44 六、有机反应的基本类型 n有机物在发生化学反应时，总是伴随着共价键的断 裂。共价键的断裂有两种方式均裂和异裂。 n1、共价键的均裂 n两原子间的共用电子对平均分配，两原子各保留一 个电子。共价键的这种断裂方式称键的均裂。 n均裂的结果产生单电子的自由基。 有机化学绪论45 共价键的断裂 n2、共价键的异裂 n两原子间的共用电子对在断键时，完全转移到其中 一个原子上，共价键的这种断裂方式称键的异裂。 n共价键异裂的结果产生了带正电或负电的离子。 有机化学绪论46 共价键的断裂 3.协同反应：在反应过程中不生成游离基或离子型活 性中间体，其特点是反应过程中旧键的断裂和新键的 生成是同时进行的。 如： 协同反应 （SN2） 有机化学绪论47 七、有机物的分类 n有机物有不同的分类方法： n1、按碳骨架分类 n（1） .开链化合物 性质与油脂相似，称脂肪族化 合物 例如 ： 有机化学绪论48 七、有机物的分类 n（2 ）.闭链化合物 分子中有闭合的环 n脂环族化合物 n芳香族化合物 n（3 ）.杂环化合物 有机化学绪论49 有机物的分类 n 2、按官能团分