有机化学(南京理工大学)01绪论xiu.ppt

第一章 绪 论 1.1 有机化合物 1.1.1有机化合物和有机化学 1.1.2 有机化合物的分类与官能团 1.2 有机化合物的结构理论 1.2.1原子轨道和八隅体 1.2.2化学键和杂化轨道 1.2.3 分子轨道理论 1.2.4 键长 键角和键能 1.2.5 键的极性 1.2.6 孤对电子和形式电荷 1.3 有机物构造式的表示方式 1.4 分子间相互作用力 1.5 酸碱的概念 1.6 有机反应的类型 1.1有机化合物 1.1.1有机化合物和有机化学 有机化学的研究内容 有机化合物 组成 结构 性质的变化规律 性质 有机反应 有机化合物的组成： 基本元素：C 其它元素： H, N, O, X, S, P, Si 等 有机化合物：常指含碳原子的化合物， 泛指为碳氢化合物及其衍生物 CH3CH2OH 乙醇 (乃诗仙李白所爱之酒也) 使人们的行程来也匆匆, 去也匆匆,乃航空汽油也 甲苯 甲烷 (沼气) C原子与其它原子形成分子时的排布规律 丁醇C4H10O a 碳架 b 其它原子分布在C原子周围 C与其它原子结合力化学键 化学键：在分子中，原子或原子团相互 结合的强引力叫做化合键。 化学键 离子键 共价键 相互提供电子 独立提供电子 a方向性 b饱和性 c空间特性 金属键 通过价电子转移而形成的带有相反电荷的离子之间，由于静电 吸引而形成的化学键叫离子键。 例如：钠原子和氯原子反应时（气态），钠给出一个电子形 成钠正离子，氯得到一个电子形成氯负离子，这两个正负离子 （Na+和Cl-）由静电吸引（离子键）而形成氯化钠晶体（Na+和 Cl-） 。 离子键 共价键 Kecul 价键式Lewis 结构式 a带有单个电子的两个原子，通过电子对的共 用形成的化学键。 例如：碳原子的四个价电子分别与四个氢原 子的价电子共用（共价键）而形成甲烷分子。 有机化合物中原子和原子间的连接都是共价 键，因此有机化合物的共同结构特征共价 键结合。 b 由一个原子提供一对电子形成的共价键叫做 配位键。用符号“”表示，箭头指向接受电 子的原子。 例如(CH3)3NO，（氧化三甲胺） 其中氮和氧所共有的一对电子完全是由氮所提 供的。 c金属键（略） 金属键的最大特征是外层价电子很容易失去，形成 正离子和自由电子，自由电子不是固定在某一金属离子 附近的，而是在离子晶格中自由运动，由于自由电子不 停的运动，而将金属的原子或离子连接在一起所形成的 化学键叫做金属键。 1.1.2 有机化合物的分类与官能团 有机化合物可按碳架和官能团分类两种。 按碳架分三类 开链化合物 两端碳链不相连，碳碳之间的键 乙烷（单键） 1-丁烯（双键） 丙炔（三键） CH 3 CH 3 CH 3CH2CH CH 2 CH 3C CH 单键 C-C 三键C C 双键C C 环状化合物 两端碳链相连而成环 环 状 化 合 物 碳 环 化 合 物 杂 环 化 合 物 脂环化合物：性质和开链化合物相似 芳香族化合物:具有特殊的物理和化学性质 脂杂环化合物 芳杂环化合物 脂环化合物： 环己烷 环戊二烯 环辛烯 环己醇 芳香族化合物 苯 萘 苯酚 氯苯 杂环化合物： 四氢呋喃 噻吩 吡啶 糠醛 2、 按官能团分类 特殊的原子或原子团叫做官能团 官能团 展现有机化合物的性质 具有进行反应和发生转变的功能 表1.1 有机分子中常见的官能团 表1.1 有机分子中常见的官能团 化合物类型 化合物 官能团构造 官能团名称 1.2 有机化合物的结构理论 1.2.1原子轨道和八隅体 （1）原子轨道 电子在原子中的运动状态叫做原子轨道， 用波函数表示。 电子的运动状态常用s轨道和p轨道来描述 。其物理意义是电子在某轨道域出现的概率。 将出现的概率绘制成图，就像带负电荷的“云 ” ，谓之电子云轨道也。 轨道的形状 电子云以原子核为中心呈球体状称s轨道。在原子 第一层只有1s轨道，是能量最低的轨道。 在原子的第二层共计有四个轨道。一个2s轨道， 三个能量相同的P轨道，即Px、Py、Pz轨道。三个轨 道彼此相互垂直。 （形象地讲，2个p轨道形成红十字会标志，另 一个P轨道则穿过十字中心），分别在xyz轴上 呈“8”，由两辩组成，原子核在“8”状轨道 的中间坐标零之处。p电子通过原子核的直线 为轴对称而集中在原子核两边的一定区域内。 每个p轨道都有一个节面，如Pz轨道围绕z轴呈 轴对称，xy平面为节面，节面上的电荷密度为 零。 P 轨 道 （2）八隅体和分子的稳定性 外层轨道为满的构型才是稳定结构。 八隅体本不是八，隅之成八。隅互用也。 分 子 8电子构型 （八隅体） 原子 外层轨道 原子 外层轨道 2电子构型 惰性元素 氦 2电子构型 惰性元素 氖氩氡 8电子构型 乙烯乙炔外层轨道均为8 电子构型而稳定。 例如 外层轨道2个电子构型 乙 醇 氢：2个电子构型 氧：8个电子构型 碳：8个电子构型 在乙醇分子中对于单独的各个原子的外 层轨道都不足以满足其稳定构型。电子互用 ，达到2个电子和8电子构型而稳定也。 2 杂化轨道 什么是杂化 杂化的实质就是能量相近的轨道重新组合 。能量相近就是独个原子的轨道杂化必须 是同层轨道才能重新组合。如碳原子的1s和2s 轨道不能杂化，不符合能量相近原则。不同的 原子则视具体情况而定。 轨道形态 S轨道以原子核为中心呈球体状。 P轨道以原子核为中心的8字状。 为什么要杂化 为了从理论上解释化合物的各种性质。 怎样杂化 原子轨道是描述电子绕核运动状态的常用 sp轨道，故原子轨道与原子轨道杂化有三种形 式。即SP、SP2、SP3。SP3杂化一个S轨道 与三个P轨道杂化 SP3杂化如何进行的？ 众所周知，碳原子在基态时的外层轨道为1 个2S轨道和3个P轨道。其外层轨道构型为： 2S2，2Px1、2Py1、2Pz0，杂化轨道描述如下 2p 2s 能 量 2p 2s 基态激发态 sp3杂化态 2S轨道的1个电子被激发到2Pz空轨道上，形成 碳原子的外层轨道都具有1个电子即2S1、2Px1 、2Py1、2Pz1。2s轨道和3个2P轨道重新组合 得到4个SP3杂化轨道。S成分1/4，P成分3/4， 但轨道不再绕核呈对称分布，一瓣增大，另一 瓣缩小，SP3轨道的形态为 2S 未杂化 2P 未杂化 + 杂化 4个SP3杂化轨道 3 当进行反应时，碳原子的4个Sp3轨道与 4个原子或基团进行反应，这就是碳原子为 什么总是四价的原因。 杂化轨道吸附电子的能力为： SPSP2SP3 杂化轨道分布 a、SP3杂化轨道以碳原子为中心，4个Sp3杂化轨 道对称分布在碳原子周围，互成109.5 的角度， 因而呈正四面体结构。 2S 未杂化 2P 未杂化 + 杂化 3个SP2杂化轨道 2 b、同理SP2杂化，就是1S轨道和2P轨道杂化成3 个SP2杂化轨道即： SP2杂化轨道形状和SP3杂化轨道相似，但它们 处在同一平面且对称分布在碳原子周围，三者 之间成120角度。 碳的SP2和Pz轨道 c、SP杂化 就是1S轨道和1P轨道杂化成2个SP杂 化轨道即： SP杂化轨道对称分布在碳原子两侧，成为一条 直线，方向相反，两者之间为180角度 2S 未杂化 2P 未杂化 + 杂化 2个SP杂化轨道 1 碳的SP、2Py、2Pz轨道 键和键的形成 a键 乙烯的分子式为C2H4， 构造式为: 碳与碳之间由一键和一个键连接的。 键是由两个碳原子各出一个SP2杂化轨道沿 对称轴方向重叠而成。即： CC 键 轴向重叠 SP2SP2 轴向重叠 键的特性 键呈圆柱型对称，比较牢固，可极化性小， 可沿键轴自由旋转 键的特性 易断裂（易进行化学反应） 不能绕轴自由旋转。旋转会使两个p轨道离 开平行状态，从而破坏轨道电子云的重叠。 b 键 键是由两个碳原子各出一个P轨道平行重叠而成。 键分布在键的上面和下面。 故乙烯是由一个C-C键和C-C 键形成的。 分子轨道理论（MO）描述共价键形成的一种理论。其观 点是： 在分子中任何电子可看成是在所有核和其余电子所形 成的势场中运动。 描述分子单个电子运动的状态函数()称为分子轨道。 分子轨道理论：离域 原子轨道理论：定域 分子轨道数目和原子轨道数目相等。 成键轨道和反键轨道 a 核间电子云密度增大的为成键轨道 b 核间电子云密度减小的为反键轨道 1.2.3 分子轨道理论 4 原子轨道组成分子轨道的三条件 三条件 能量相近 最大重叠 对称性（位相）相同 *键在两个原子核间有一个节面 键在两个原子核间无节面 PP平行重叠形成键 节面是由于原子轨道组成分 子轨道，位相不同而形成的 。它表示分子轨道上运动的 电子极难光顾，即电子出现 在节面概率为零。 总结：1.原子轨道不存在位 相问题 2.原子轨道组成分子轨道符 合三个条件 能量相近 最大 重叠 对称性（位相）相同 3.对同一个原子而言，能量 相同才能形成分子轨道，能 量不同难于形成分子轨道 分子轨道 (能量相同，最大重叠，位相相同） 不能形成分子轨道(能量不同) 5分子轨道容纳电子要符合三原则 Pauli每个轨道最多容纳两个电子，且两个电子自旋必须 反平衡 Hund 能量相等的分子轨道，电子将尽可能占据不同的轨 道，且自旋平行 a 能量最低原理 b pauli不相容原理 c 洪特规则 4.对不是同一个原子而言，视具体情况而定，即： 1.2.4 键长 键角和键能 键长两个原子以共价键结合时两个原子核间的距离 叫做键长。SP3SP2 SP，p成分越多，键长越长 键角同一原子上的两个键之间的夹角叫做键角。 反映空间结构。 键能将两个用共价键连接起来的原子拆开成原子状态 时所需要吸收的能量称之为键的解离能。 表1-3 一些共价键的键能 共价键键能/kJmol-1共价键键能/kJmol-1 1.2.5 键键的极性 电负性原子核对成键电子吸引的能力叫做电负性。 吸电子能力，电负性。原子核越小，具有正电荷越多，吸电子 能力强，电负性强 F电负性最大 共价键的极性 由共价键结合的两个不同原子共享一 对电子，它们并不均等拥有电荷，导致正负电荷中心并 不重合，共价键产生极性，键的极性可用+和-表示。 +表示正电荷，-表示负电荷。 正负电荷中心重合 非极性 正负电荷中心不重合 极性 共价键的可极化性 无论是极性的还是非极性的共 价键均能在外电场影响下引起电子云密度的重新分布， 从而使极性发生变化。这种性质称为共价键的可极化性。 C-X（卤素）键的可极化性大小顺序为：CICBrCCl 键的可极化性是键的一种暂时性质，极性是键的固有性质。 由于键电子束缚较紧，对极化较迟钝，键电子束缚较松， 对极化较敏感 偶极矩 某些分子的正电中心和负电中心不相重合，这种在空间 具有两个大小相等，符号相反电荷在分子中就构成一个 偶极，偶极可以 表示 ，它表示方向从正电荷 到负电荷，则偶极矩为正电中心或负电中心上的电荷值 q与两个电荷中心之间距离d的乘积，用表示 = qd, 单位c*m（库仑米）偶极矩是向量和，在四氯化碳分子中 ，偶极相等，方向呈反相对应，故向量和为零，即为0 1.2.6 孤对电子和形式电荷 原子形成分子后，为满足八隅体结构， 某些原子上仍有未用于成键的价电子，叫做孤对电子 （非键电子）。 例如 氧原子有6个价电子 2对孤对电子（4个价电子） 1对孤对电子 （2个价电子） 通常孤对电子不被表示出来 碳架式：将分子中直接与碳原子相连的氢原子略去， 只表示出碳架结构，基团在相应的碳原子上用键线连接， 开库勒结构式(键线式)常用短线表示： 例如 1.3 有机物构造式的表示方式 什么叫构造式 表示分子中原子间连接次序的化学式称为构造式。 一根表示单键 =根表示双键 根表示三键 开氏（键线式） 缩略式 碳架式 构造式 缩略式：将分子中各个原子按次序表达出来，相同原 子用阿拉伯数字表明。 例如：CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2（OH）CH3 1-丁醇 2-丁醇 1.4 分子间相互作用力 范氏力 氢键 范氏力：存在于极性和非极性分子中。 氢键: 与电负性很强的原子相连的氢，能和电负性很大 的原子产生吸引的氢键。N、O、F 氢键范氏力 性质 饱和性 方向性 1.5 酸碱的概念 有机分子中的酸碱常用 进行描述 质子理论 电子理论 质子 理论 放出质子的物质为酸，即形成该酸的共轭碱 接受质子的物质为碱，即形成该碱的共轭酸 A-H B + H+ 酸 碱 碱 酸 某些物质具有双重性： 电子理论（Lewis） Lewis酸：有空轨道，是亲电试剂 Lewis碱：有孤对电子，亲核试剂 酸 接受电子（电子对受体）（亲电试剂） H3N + BF3 H3N-BF3 碱：给出电子（电子对给体）（亲核试剂） RNH2 ROH 酸碱 化学反应的本质：旧键的断裂和新键的生成 1.6 有机反应的类型 由键的断裂形式，可将有机反应归为三类 极