有机化学绪论ppt课件

有机化学 多媒体教学,授 课 教 师,苏燕评,第一章 绪 论,一、有机化合物和有机化学 二、有机物的结构特点共价键 三、分子的极性和分子间的作用力 四、有机化合物的官能团和反应类型 五、有机酸碱概念 六、确定有机化合物结构的步骤与方法,第一节、有机化合物和有机化学,17世纪中期，把从自然界中取得的各种物质按照来源分为：,随后又将矿物物质称为无机物,而将动物物质和植物物质称为有机物。,Organic有生机的、有生命力。把只能得自活的有机体中的物质叫有机物，而其他一切物质都叫无机物。有机物的生成要有生命力的作用，这就是所谓的生命力学说。,之后又有醋酸(1845, Kolbe H), 油脂(1854, Berthelot M)，糖等多种人工合成的有机物相继出现，从此生命力学说被彻底否定。“有机物”这个名称也失去了原有的“有生机之物”的含义。现在是根据有机物的组成来定义的。,有机化合物(Organic compound )就是碳氢化合物及其衍生物 ； 研究碳氢化合物及其衍生物的科学称为有机化学(Organic chemistry) 。,（CO32-、CO2、CO、CN-、OCN-、SCN-等由于其性质与无机物相似，习惯上仍列为无机物。）,主要研究各类有机物的结构特征、合成方法、理化性质及其应用，以及结构与性质之间的相互关系等。,有机物同分异构现象存在较普遍,医学是从宏观到微观的研究过程： 人体 组织 细胞 生物分子 化学是从微观到“宏观”的研究过程： 原子分子大分子,当代，生命科学与化学科学相互渗透，两学科间的交叉研究，使得生命科学中的化学问题已成为当今化学科学的重大前沿研究课题；而在分子水平上对生命现象、疾病的发生、发展过程进行深入认识则推动了分子生物学的发展。,有机化学与医学,生物化学 组织化学 药物化学 天然药物化学 药理学 分子生物学 分子免疫学 分子药理学 分子病理学 分子遗传学等,有机化学 与医药相关的学科,怎样学习有机化学 ？,1. Prepare lessons before class 2. Take lecture notes 3. Keep up with your studying 4. Work studying questions,一、凯库勒结构理论,（1）有机化合物中碳原子为四价 （2）碳原子与其它原子结合外，还可以与其它碳原子以单键、双键、叁键相互结合成碳链或碳环。 表示了：分子中原子的种类、数目和结合的顺序和方式。,第二节、有机化合物的结构理论,1861, 布特列洛夫：化学结构 化学结构包含了分子中原子的排列顺序和相互间复杂的化学关系。(结构和性质的关系) 20世纪，荷兰化学家范霍夫和法国化学家勒贝尔：饱和碳原子的四面体结构。,离子键原子间电子的转移形成 化学键类型 共价键原子间共用电子对形成 配位键两原子间共用的电子对 由一个原子提供形成,原子通过化学键构成分子：,有机物的结构特点共价键,二、化学键,由原子间外层电子的得失或转移产生的正负离子相互吸引而形成。,离子键没有方向性和饱和性,Na+,Na+,Na+,（一）、离子键和共价键,1、离子键,2、八隅体与路易斯结构式,惰性气体原子的最外层电子轨道内分别具有二个或八个电子，这样的电子构型是最稳定的。原子最外层具有八电子构型时（或二电子构型）称为八隅体。,相同或不同原子之间可通过得失电子或共享电子的方式使各自的外层电子构型达到八隅体，从而使形成的分子处于稳定状态。,共价键是原子间通过共享电子对互相结合而形成的。,路易斯（Lewis）结构式：,用电子对表示共价键结构的化学式称路易斯结构式。,为书写方便，可用一短线代表一对共用电子对，也可只标未共用电子对，其余部分写成简化结构式。,3、 配位共价键：形成共价键的一对电子是由成键的两个原子中的一个原子提供。配位键通常用箭头 表示，指示从提供电子的原子指向接受电子的原子。,路易斯结构式仅给出了分子共价结合的模型，并没有给出电子共用的明确概念和共价键的本质。 近代运用量子力学理论研究共价键的形成和本质而提出了共价键理论和分子轨道理论。,其一：价键理论 认为共价键是由自旋相反的电子配对形成的（原子间共用电子对）。形成共价键的电子仅处于成键两原子间的区域之中运动。故又称为电子配对法。,其二：分子轨道理论 认为分子轨道是由能量相近且对称性匹配的原子轨道按照最大重叠原理线性组合而成，分子中电子在整个分子轨道中运动。,关于共价键的形成，有两种理论。,共价键理论,（二）、原子轨道和电子云,现代价键理论认为：共价键是由成键电子所在的原子轨道重叠形成的。,根据原子光谱实验，可以证实核外电子是分层排布的。电子层是根据电子在核外空间出现几率最大区域离核的远近来划分的，它可取1、2、3n等正整数。n越大，电子离核的平均距离越远，电子能量越高。 在同一电子层上的电子，其能级高低仍有差别（除单电子原子外）。这是由于同一电子层上可有一个或一个以上亚层，电子亚层用s、p、d、f等小写字母表示。在同一层中，亚层的能级高低为spdf。同一层上各亚层的能量差别是由电子云形状不同引起的，如s亚层电子云是球对称形的，p亚层电子云为哑铃形等。每一电子层对应的亚层如下表。,S电子云对原子核是球对称的，就是在各个方向上分布均匀，只有一个取向。P电子云在空间有三种不同的伸展方向，也就是有三种取向，分别沿X轴、Y轴和Z轴方向伸展。,电子处于各自的原子轨道中运动。,如C原子：1s2; 2s22p2,（三）. 价键理论：自旋相反的单电子配对形成共价键。 共价键的本质就是两核对于电子密集区的吸引。,重叠区,共价键的形成过程,电子云重叠区，吸引着两个原子核，形成稳定体系,1.重叠最大 稳定结合,2.重叠较小不稳定结合,3.不结合,图 s和p原子轨道的三种重叠情况,电子配对要求原子轨道重叠。原子轨道最大重叠才能形成稳固的共价键.,表1-1 键和键的主要特点(1),表1-1 键和键的主要特点(2),叁种形式：单键、双键、叁键。,（四）. 杂化轨道理论价键理论的扩展和补充,杂化轨道,(1) SP3杂化（如甲烷）,Neutral ground state of carbon, C:,1s22s22px12py1 or basic state,1s,2s,2p,Energy,Hybridize Energy,1s22(sp3)12(sp3)12 (sp3)12(sp3)1 or,1s22s12px12py1 2pz1 or excited state,hybridized valence state,Hybridize,Tetrahedral, all orbital bond angles are 109.5o.,s 键: 头碰头重叠, 重叠程度较大, 键牢固,可自由旋转。 当一个碳原子与其他四个原子直接键合,该碳原子为SP3杂化,(2) SP2杂化（如乙烯）,杂化后3个SP2杂化轨道处于同一平面,夹角120o余下一个未杂化的2pz轨道垂直于三个SP2杂化轨道所在的平面(SP2杂化轨道呈平面三角形).,1,1,1,1,乙烯分子的形成,p Bond:肩并肩重叠，重叠程度较小， 键较不牢固 不能自由旋转,双键、平面型分子,(3) SP杂化（如乙炔）,CHCH的形成,叁键,轨道成分 空间伸展 SP3 1/4S+3/4P 正四面体,SP2 1/3S+2/3P 平面三角形,SP 1/2S+1/2P 直线型,（五）、分子轨道和共振结构,认为分子中的电子不属于某个原子，而是分布于整个分子中。 分子轨道由所属原子轨道线性组合而成(满足3原则：能量相近；最大重叠；对称性匹配)，形成分子轨道的数目与所结合的原子轨道的数目相等。 有s (成键轨道)和 s* (反键轨道) 、 p和p* 、n(非键轨道)三类。 分子中电子在分子轨道中运动，电子在分子轨道中填充也遵循能量最低原理、鲍里不相容原理和洪特规则。,H2分子轨道,Bonding and antibonding MOs for and bonds.,共振结构,当1个分子、离子或自由基按价键规则可以写成1个以上的Lewis结构式时，则真实的结构就是这些共振结构式(或极限式)的杂化体。,单一结构式不能表示出硝基甲烷的结构，可用下列2个共振式的杂化体表示：,“ ”是共振符号,它表示真正的硝基甲烷分子是这2个极限式的杂化体,而其中任何一个极限式都不能代表它的分子结构。,共振结构式(极限式),共振杂化体,书写共振式的规则：1.只允许电子移动，而原子核位置不变；2.符合八隅规则；3.成对的和未成对的电子数目不变。,1、 键长(bond length) ：成键原子的核间距 2、键角(bond angle) ：两共价键之间的夹角 3、键能(bond energy) ：离解能或平均离解能,几种共价键的键长、键角、键能 CH CC C = C CC 键长 nm 0.109 0.154 0.134 0.120 键角 109.5 120 180 键能 kJ/mol 415.3 345.6 610 835,第三节、共价键的属性,利用键能数据可计算出反应热。 DH=SE反应物-SE产物,决定分子空间构型,化学键强度,4、 键的极性与极化性可了解成键原子间的电荷分布，进而了解分子反应时在什么部位发生反应,对于同种原子形成的共价键，公用电子由两个原子核均等“享用”：,两个成键原子既不带正电荷，也不带负电荷，这种键没有极性，叫非极性共价键。,0 0,（1）键的极性,当两个不同原子成键时，由于两个原子拉电子能力不同，(定义：分子中键合原子拉电子能力叫电负性) 共用电子对发生偏移，使一方原子带部分负电荷(以d表示)，另一方带微量正电荷(d+), 如：,这种电子云分布不对称的共价键称为极性(共价)键。两成键原子电负性差越大，键的极性也越强。,d+ d,键的极性大小取决于成键原子的电负性差，电负性差越大键的极性越大。,键的极性大小用键矩（也称偶极矩m）表示。,H: 2.2; C、S: 2.5; N、Cl: 3.0; O:3.5; F:4.0,m =q(正or负电荷中心的荷电量)d (正负电荷中心间距离) (Debye)偶极矩是矢量，规定其方向由正极负极。,常见元素的电负性：,注： 键的极性与分子极性的关系: 分子极性的大小用偶极矩表示，它是分子中各个键键矩的向量和。,（2）分子的极性,对于两个原子组成的分子，键的极性就是分子的极性。HCl 键矩=分子的偶极矩 1.03D,键的极化：由外界电场作用而引起的键的极性改变的现象。,（3）键的极化性,共价键电子云在外电场中变形的难易程度，也即共价键极化的难易程度用极化度表示。显然，极化度：CI CF。,HI 键的电子云比 HF 的电子云在外电场中更容易变形(极化)。,(1) p电子比s电子易流动，故p键比s键极化度大； (2) 原子半径越大,电子云越易变形(流动),极化度就越大. 极化的结果是使原来的非极性键(或非极性分子)变为极性键(或极性分子)，原来的极性键(或极性分子)极性更大。外界电场撤去时，又恢复原样。极性分子如H2O等可起到外界电场的作用，使别的分子发生极化。,电子云流动性越大，键的极化度也越大。,键的极性和极化之间区别,键的极性大小取决于成键原子的电负性差。键的极性是键的内在性质，是永恒现象。 而键的极化则是在外界电场作用下产生的，是暂时现象，当外界电场除去后即可恢复到原来状态。,CF CCl CBr CI 极性： 极化性： 反应性：,减弱 增强 增强,分析 CX 键的极性、极化性与反应活性,极性和极化对物质性质的影响：极性影响物质的物理性质和化学性质，极化则主要影响物质的化学性质。极化度越大越易反应。,二、共价键的断裂方式,指有机反应中键均等地分裂成两个中性碎片过程。均裂后两个原子各带一个未配对的电子。,均裂(homolysis)自由基（游离基）反应 (free redical reaction),自由基（瞬间存在）,异裂(heterlysis)离子型反应,正碳离子和负碳离子都是非常不稳定的中间体，都只能在瞬间存在，一旦生成，立即参加下一步的反应。,是指在有机反应中键非均等地分裂成两个带相反电荷的碎片过程。异裂之后，两个原子一个带正电荷，一个带负电荷。,第四节、有机物的分类和构造式的表示,1、按碳骨架分类,链状化合物（开链化合物、脂肪族化合物）,CH3CH2COOH,碳环化合物：脂环化合物 、 芳香化合物,杂环化合物,烷，烯，炔，卤代烃，醇、酚、醚，醛、酮， 羧酸，硝基化合物，胺，重氮和偶氮化合物 硫醇、硫醚，磺酸等 氨基酸、糖类、蛋白质、核酸,单官能团化合物 分子中只含有1个官能团。 多官能团化合物分子中含有2个相同官能团。 复合官能团化合物 分子中含有2个不同官能团。,2、按官能团 (functional group)分类：有机分子中能反映出化学性质的原子或原子团称为官能团，又叫功能基。,3、有机化合物构造式的表示,分子中原子相互连接的顺序和方式称构造，表示分子构造的化学式称构造式。,蛛网式、缩写式、键线式。,名称 分子式 蛛网式 键线式 立体结构式,异戊醇 C5H12O,或： (CH3)2CHCH2CH2OH,环丙烷 C3H6,透视式、Newman投影式(用于构象) Fischer投影式(常用于对映异构) Haworth式(常用于糖类),第五节、 有机酸碱概念,1. 勃朗斯德酸碱理论酸碱质子理论 定义：酸是质子的给予体；碱是质子的接受体。,碱与H+结合后形成的质子化物即为该碱的共轭酸。,酸,碱,酸放出H+后产生的酸根即为该酸的共轭碱。,酸越强，它的共轭碱越弱。 碱越强，它的共轭酸越弱。,盐酸的共轭碱,氨的共轭酸,(极弱碱),(弱酸),化合物的酸性强度通常用酸在水中的解离常数 Ka或其负对数pKa表示，Ka 值越大或 pKa 越小，酸性越强。一般 pKa4 为弱酸。,化合物的碱性强度可以用碱在水中的解离常数Kb或其负对数pKb表示。Kb越大或pKb越小，碱性越强。另外，也可以用碱的共轭酸的解离常数Ka或其负对数pKa表示。但这时要注意pKa值越大，碱性越强。,上页,下页,首页,在酸碱反应中平衡总是有利于生成较弱的酸和较弱的碱。,问题： 水的pKa=15.7, 乙炔的pKa=25。 氢氧根离子能与乙炔反应吗 ？,第 一章 绪 论 第五节 有机酸碱概念（一、勃朗斯德酸碱理论),上页,下页,首页,2、Lewis(路易斯)酸碱 酸碱电子理论,Lewis酸是能接受一对电子形成共价键的物质；Lewis碱是能提供一对电子形成共价键的物质。酸是电子对的接受体；碱是电子对的给予体。,第 一章 绪 论 第五节 有机酸碱概念（二、Lewis酸碱),酸碱加合物,酸碱反应的实质是形成配位键的过程，得到一个酸碱加合物。,上页,下页,首页,第 一章 绪 论 第五节 有机酸碱概念（二、Lewis酸碱),缺电子的分子、原子和正离子等都属于Lewis酸。例如，FeBr3 分子中的铁原子，其外层只