有机化学简明教程第一章绪论.ppt

有 机 化 学 任课教师：王延铭 教材与参考书 1.高鸿宾等，有机化学简明教程（第一版 ），天津大学出版社，2008. 2.2.华东理工大学有机化学教研组，有机化学 （第一版），高等教育出版社，2006 3.邢其毅、徐瑞秋、周政编，基础有机化学 （第二版）上下册，高等教育出版社，2002. 4.有机化学课程指导小组编，有机化学解题 指导高等教育出版社，1993. 有机化学成绩评定 项目 分(%) 1. 考勤，作业 2. 实验 3. 期末考试 20 10 70 1806年柏则里（Berzelius）首先提出(有机化学)名词 有机化学奠基于18世纪中叶 生命力学说 1828年F.Whler在实验室由氰酸铵(NH4OCN)合成 尿素(NH2CONH2),促进了有机化合物的人工合成: 第一章 绪论 1.1 有机化合物和有机化学 一.有机化学的发展 1845年Kolbe合成了醋酸；1854年，柏赛罗(M.berthelot) 合成油脂类化合物等。 19世纪下半叶,有机合成得到了快速发展,20世纪初 开始建立了以煤焦油为原料合成染料、药物和炸药为 主的有机化学工业. 20世纪40年代开始发展了以石油为主要原料的有机 化学工业,特别是生产合成纤维 、合成橡胶 、合成树 脂和塑料为主的有机合成材料工业. 有机化合物的主要特征:都含有碳原子,即都是含碳 化合物. 二.有机化学的定义 有机化学就是研究含碳化合物的化学. Organic Chemistry is the Chemistry of Carbon Compounds 绝大多数有机化合物也都含有氢,从结构上看,所有的 有机化合物都可以看作碳氢化合物以及从碳氢化合物 衍生而得的化合物（CH）。 当然,对CO、CO2、CO32-等简单化合物习惯上还 是称作无机化合物. 有机化学 就是研究碳氢化合物及其衍生物的化学. 自 然 界 中 碳 的 循 环 绝大多数有机物只是由碳，氢，氧，卤素，硫和 磷等少数元素组成,但种类繁多。 碳元素:核外电子排布 1s22s22p2 碳原子相互结合能力很强（碳链和碳环） 碳的同素异形体: (1)石墨 (2)金刚石 (3)足球烯 （富勒烯）（C60/C70） 1.2 有机化合物的特点 石墨的晶体结构 (SP2)金刚石的晶体结构( SP3) 足球烯(富勒烯)(Footballene):单纯 由碳元素结合形成的稳定分子，具 有60个顶点和32个面，其中12个面 为正五边形，20个面为正六边形， 整个分子形似足球。具有芳香性。 C60 / C70中的碳原子处于 (SP2- SP3) 中间过渡态。 分子式相同而结构相异因而其性质也各异的不同 化合物,称为同分异构体,这种现象叫同分异构现象. 例1:乙醇和二甲醚 CH3CH2-OH, CH3-O-CH3 例2:丁烷和异丁烷 CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3 CH3 1.2.1 有机化合物结构上的主要特点:同分异构现象 一.同分异构现象 碳化合物含有的碳原子数和原子种类越多,它的同分 异构体也越多.如: C7H16的同分异构体数 9 个. C8H18的同分异构体数可达18个. C10H22的同分异构体数可达75个. 与无机物,无机盐相比,有机化合物一般有以下特点: (1) 大多数有机化合物可以燃烧(如汽油). (2) 一般有机化合物热稳定性较差,易受热分解. 许多有机化合物在200300时就逐渐分解. (3) 熔点和沸点较低，许多有机化合物在常温下 为气体 、液体. 常温下为固体的有机化合物,其熔点一般也很低,一 般很少超过300,因为有机化合物晶体一般是由较 弱的分子间力维持所致. 1.2.2 有机化合物性质上的特点 (4) 一般有机化合物的极性较弱或没有极性. 水是极性强,介电常数很大的液体,一般有机物难溶 于水或不溶于水.而易溶于某些有机溶剂(苯、乙醚、 丙酮 、石油醚).但一些极性强的有机物,如低级醇 、 羧酸 、磺酸等也溶于水. (5) 有机物的反应多数不是离子反应,而是分子 间的反应.除自由基型反应外,大多数反应需要 一定的时间. 为加速反应,往往需要加热、加催化剂或光照等手 段来增加分子动能、降低活化能或改变反应历程来缩 短反应时间. (6) 有机反应往往不是单一反应.(主反应和副 反应). 碳元素:核外电子排布 1S22S22P2,不易获得或 失去价电子,易形成共价键. (1) 路易斯结构式: 用共用电子的点来表示共价 键的结构式. (2) 凯库勒结构式: 用一根短线代表一个共价键. 路易斯结构式凯库勒结构式 1.3 有机化合物中的共价键 C + 4H C H H H H C H H H H 原子轨道原子中每个电子的运动状态都可以用一 个单电子的波函数（x，y，z）来描述. 称为原子轨 道,因此电子云的形状也可以表达为轨道的形状. （1）价键的形成可看作是原子轨道的重叠(交盖)或电 子(自旋相反)配对的结果。 （2）共价键具有饱和性一个未成对的电子既经配 对成键,就不能与其它未成对电子偶合. 一 、量子化学的价键理论: （3）共价键具有方向性(最大重叠原理):两个 电子的原子轨道的重叠部分越大,形成的共价 键就越牢固 2p 1s y x 1s 2p y x （a）x轴方向结合成键 （b）非x轴方向重叠较小 不能形成键 方向性决定分子空间构型，因而影响分子性质. 二 、杂化轨道理论 2p 2s 1s 能 量 碳原子基态的电子构型 2p 2s 1s 一个2s电子激发至能量较高的2pz空轨道只需要402 kJ/mol 能 量 2p 2s 1s 基态激发态sp3杂化态 碳原子2s电子的激发和sp3杂化 C采取sp3杂化轨道与4个H原子的s原子轨道形成4个 sp3 -s型的C-H键(CH4)比形成CH2要稳定的多.(4144- 402)kJ/mol。形成CH4 时仍有约1255 kJ/mol能量释放出 。所以这个体系比形成两个共价键的CH2稳定的多。 这四个sp3杂化轨道的能量是相等的,每一轨道相等于 1/4 s成分,3/4 p成分. sp3杂化轨道的图形 1.4.1 键长：成键原子的原子核之间的平均距 离，称为键长。一些常见的共价键键长如下表 所示。 一些常见的共价键键长（nm) 共价键 键长 共价键 键长 CC 0.154 CCl 0.177 CH 0.109 CBr 0.191 CN 0.147 CI 0.212 CO 0.143 C=C 0.134 CF 0.141 0.120 NH 0.103 OH 0.097 1.4 共价键的属性（键参数） 1.4.2 键角：两价以上的原子在与其它原子成 键时，键与键之间的夹角称为键角。 例如： 1.4.3 键能：形成共价键的过程中体系释放出 的能量，或共价键断裂过程中体系所吸收的能 量，称为键能。气态的双原子分子键能也是键 的解离能。多原子分子的键能与键的解离能并 不完全一致。以甲烷为例，其各键的解离能为 ： 而CH键的键能则是以上四种碳氢键的解离能 的平均值（414 kJmol-1），可见在多原子分 子中，键能和键的解离能是有差别的。 键能反映了共价键的强度，通常键能愈大则键 愈牢固。一些常见共价键的键能如下表所示。 一些常见的共价键键能（KJ/mol） 共价键 键能 共价键 键能 CC 347 CCl 339 CH 414 CBr 285 CN 305 CI 218 CO 360 C=C 611 CF 485 837 NH 389 OH 464 1.4.4 键的极性：HH和 ClCl键无极性。 而不相同原子形成的共价键，由于成键原子的电 负性不同，其吸引电子的能力不同，使电负性较 强原子的一端电子云密度较大，具有部分负电荷 （一般用-表示），而另一端则电子云密度较小 ，具有部分正电荷（一般用+表示），这种键具 有极性，称为极性共价键，例如CCl键等。 共价键的极性是以偶极矩（）来度量的，偶 极矩是电荷与正负电荷中心之间距离的乘积（ =qd），单位为 Cm（库仑米）。 偶极矩是矢量，是有方向性的，一般用 箭头表示由正端指向负端。例如： 3.571030 Cm 构成共价键的两个不同原子，其电负性差值越 大，键的极性越强。在有机化学中一些较常用 的元素的电负性值列于下表。 在双原子分子中，键的偶极矩即是分子的偶极 矩。但多原子分子的偶极矩，则是整个分子中 各个共价键偶极矩的矢量和。例如： 偶极矩为零的分子是非极性分子；反之，偶极 矩不等于零的分于是极性分子。偶极矩越大， 分子的极性越强。 在分子中由于电负性不同的原子或基团的影响 ，引起成键电子云向着某一方向偏移，而使整 个分子发生极化的效应。 诱导效应的表示：I 1.4.5 诱导效应: 标准 、-：表示因电子偏移靠近或偏离而使原子带 的微量电荷。 斥电子或给 电子效应 I效应-I效应 亲电子或吸 电子效应 ：表示共用电子对的偏移方向。 吸电子基团：能够引起吸电子效应的基团。 斥电子基团：能够引起供电子效应的基团。 诱导效应的方向： 常见的斥电子基团：O、COO、R3C、 R2CH、RCH2、CH3等 常见的吸电子基团 :CN、NO2、F、Cl、 Br、I、COOH、OR、OH、C6H5、 诱导效应的特点： （1）诱导效应的强弱取决于基团吸电子能力和 斥电子能力的大小，吸电子（或斥电子）能力越 强其诱导效应越强。 （2）诱导效应是沿着碳链传递的，并随着碳链 的增长而减弱。 （3）诱导效应具有叠加性。 1.5 有机化合物构造式表示法 表示方法： a.路易斯结构式：由一对共用电子的点来表示一 个共价键的结构式。 b.凯库勒结构式：一对共用 电子的点改用一根短线来代 表一个共价键的结构式。 c. 键线式：现在也常用键线式来书写分子结构，键 线式中只需写出锯齿形骨架，用锯齿形线的角（ 120）及其端点代表碳原子，不需写出每个碳上所 连的氢原子。但除氢原子以外的其他原子必须写出 。例如： 1.6 共价键的断裂均裂和异裂 有机物在发生化学反应时，总是伴随着共价键的断 裂的生成。共价键的断裂有两种方式均裂和异裂。 1.6.1、共价键的均裂 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。 均裂的结果产生带有不成对单电子的自由基。 1.6.2、共价键的异裂 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。 共价键异裂的结果产生产生了带正电或负电 的离子。 1.7 有机化合物的分类 有机化合物的结构与其性质密切相关，因此有机 化合物按其分子结构通常采取两种分类方法，一 种是按碳（骨）架分类，一种是按官能团分类。 按碳架分类 ：按碳架不同，一般可将有机化合 物分为以下几类（族）。 （1）开链化合物分子中的碳原子连接成链状。 由于脂肪类化合物具有这种结构，因此开链化合 物亦称脂肪族化合物。其中碳原子之间可以通过 单键、双键或三键相连。例如： （2）脂环（族）化合物 分子中的碳原子连接成环状，其性质与脂肪族化合 物相似。其中成环的两个相邻碳原子可以通过单键 、双键或三键相连。例如： 有机化合物的分类 n（3）芳香族化合物 n分子中一般含有苯环结构，其性质不同于脂环化 合物，而具有“芳香性”。例如： 分子中含有由碳原子和其它原子（通称杂原子， 如 O、N、S等）连接成环的一类化合物。例如： n （4）杂环（族）化合物 官能团是指分子中比较活泼而容易发生反应的原子 或基团，它常常决定着化