基础有机化学讲义.pptx

一 有机化学的定义二 有机化合物的特征三 有机化合物的结构 1共价键2共价键的饱和性和方向性3杂化轨道 四 有机化合物的分类 1按骨架分类2按官能团分类 五 有机化合物的反应 1异裂反应2均裂反应3周环反应 六 过渡态理论与Hammond假定 七 酸碱的概念 1Bronsted Lowry酸碱定义2Lewis酸碱定义 第一章绪论 一 有机化学的定义 有机化学这个名词是在1806年由瑞典化学家J Berzelins首先提出来的 意思是指 有生机之物 3 当时人们对生命现象的本质没有认识 认为有机物只能在生物细胞中受一种特殊力量的作用才能产生出来 是 生命力 创造的 2 人们认识到 有机物与从矿石 金属盐等物质在组成 结构上有很大的区别 1828年 德国化学家F Wohler发现无机物氰酸银很容易转化为尿素 1845年 德国人H Kolber合成了醋酸 他从C S开始经5步反应得到了产物 1854年 法国人M Berthlot合成了油脂 从1850 1900年 更多的有机物如药品 染料等被合成出来 这就打破了有机物的 有生机之物 的含意 由于历史和习惯的原因 仍然保留了有机这个名词 有机化学的定义是研究碳的化学 Gmelin 1848 有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学 C Schorlemmer 1874 有机化学是研究含碳化合物的结构 性能与合成的科学 有机化合物与人们今天的物质生活息息相关 在生物的生长过程中 包含着许多有机物合成与生长的过程 借助有机化学的研究方法 已经阐明了生物体呼吸作用的机理 糖 脂肪 蛋白质的代谢过程 激素 维生素在体内的作用等 目前 对于生命现象的研究已进入分子水平 已将生命现象归结为分子的形成 运动及变化的过程 有机化学与生物学 物理学等学科密切配合 预计将来在征服疾病 控制遗传 延长人类寿命等方面会起巨大作用 生命科学与有机化学密切相关 二 有机化合物的特征 1 都含有碳原子 CO CO2 H2CO3等除外 2 种类繁多 3 碳原子可以形成比较稳定的共价键 包括直链 支链 环状 单键 双键 三键等 4 易燃 最终燃烧产物为CO2和水 熔点低 难溶于水 5 反应速度慢 易发生副反应 b 能量最低原理电子首先排满能量最低的轨道 再排高能级的轨道 原子轨道离核越近 受核的静电吸引越大 能量就越低 三 有机化合物的结构 1 共价键 a W Pauli不相容原理每个轨道最多只能有两个电子 且这两个电子必须自旋相反 通常用2个箭头表示 1S22S22PX22PY22PZ23S23P 电子的填充顺序为 C 洪特规则电子尽可能分占不同的轨道 且自旋平行 C 1S22S22PX12PY12PZ0 碳原子有两个特点 1必须失去或接受4个电子 才能达到稳定的电子构型 但这都很不容易 2碳是第四族中最小的原子 外层电子总的说来少 原子核对外层电子控制得更强一些 1 碳原子以四价成键 当碳原子与其它原子成键时 甲烷的形成 反应原子间以电子对互相结合在一起形成的键 称为共价键 共价键也是一种静电吸引力 是键电子和两个核之间的吸引力 2 碳原子可以互相结合成键 单键 双键 三键 共价键的表示方法有四种 蛛网式 电子式 路易斯式 缩写式 键线式 极性共价键 形成共价键的原子 它们之间吸引电子的能力是不一样的 这就使得两原子间共价键的电子云不是平均分配在两个原子核之间 而是偏向电负性较大的原子 这种键成称为极性共价键 在两个原子组成的分子中 键的极性就是分子的极性 在两个以上原子组成的分子中 分子的极性是每个键的极性向量之和 因此 并不是所有具有极性键的分子都是极性分子 偶极矩 的大小表示有机分子的极性强弱 偶极矩是有方向性的 用表示 0 CCl4 虽然每个键都有极性 但这些键的偶极矩向量和为零 所以这个分子没有极性 分子有极性 分子间作用力增加 会影响沸点 熔点 溶解度 2共价键的饱和性和方向性 如果一个原子的未成对电子已经配对 就不能再与其它的未成对电子配对 饱和性 原子内电子的运动与能量关系服从量子力学的波动方程 我们只能得到电子在空间最可能出现的区域 称这个区域为轨道 电子还具有波粒二象性 在运动时主要显波动性 根据波动原理 电子运动有正 负位相的不同 就像波浪有波峰 波谷一样 方向性 三个能量相等的P轨道 三个P轨道分别沿X Y Z轴分布 是有方向性的 分子轨道是由原子的价电子轨道重叠形成的 原子的电子云重叠越多 形成的键越稳定 由于原子轨道有一定的方向性和一定的形状 在形成分子轨道时 需要按一定的方向重叠才能满足最大的重叠交盖 所以形成的分子轨道也是有方向性的 这也就决定了共价键的方向性 S轨道与P轨道重叠成键 S轨道必须沿着P轨道的对称轴重叠才能达到最大的交盖 P轨道 S轨道 P轨道对称轴 杂化轨道 1 杂化 杂化轨道是由一个S轨道与三个P轨道进行重新的杂化组合 形成四个能量相等的杂化轨道 每个轨道由1 4S成份 3 4P成份组成 它的立体形状是正四面体 C原子位于四面体的中心 四个轨道分别指向四面体的每个顶点 轨道间夹角是109o28 杂化轨道 沿键轴方向电子云重叠而形成的轨道 电子云分布沿键轴呈圆柱形对称 称为 轨道或 键 由于 键是呈轴对称的 所以成键的两个原子以两个核间联线为轴进行旋转不会损坏原子轨道的重叠 因此 键是可以旋转的 2 SP2杂化轨道 杂化轨道是由一个S轨道和两个P轨道杂化而形成的三个轨道 个轨道有1 3S成份 3 2P成份 三个轨道在同一平面 轨道间夹角为120o 碳原子还剩有一个P轨道 这个P轨道正好与三个杂化轨道形成的平面垂直 杂化轨道 碳原子在进行SP杂化时 一个2S电子激发到2P轨道 一个S轨道与一个P轨道形成两个等同的SP杂化轨道 每个SP轨道含有1 2S成份 1 2P成份 两个轨道处在同一条直线上 方向相反 两个SP轨道的对称轴之间的夹角为180o 3 Sp杂化 SP杂化轨道 按骨架分类 四 有机化合物的分类 按官能团分类 五 有机化合物的反应 1异裂反应 当键断裂时 原键共用的一对电子留在断裂后的一个片断上 这种反应称为离子型反应 当键断裂时 成键的一对电子平均分配在断裂后的两个片断上 每个片断有一个未成对电子 这种断裂称为均裂 均裂生成的带一个未成对电子的原子或原子团称为自由基 这种经均裂生成自由基的反应称为自由基反应 2均裂反应 旧键断裂与新键形成同时发生 而且电子在一封闭的环内运动 因此没有离子或自由基中间体形成 也分不出键的断裂是异裂还是均裂 键的断裂与形成协同进行 3周环反应 要获得有关反应能否进行 反应速度 反应机制等的信息 就是要进行反应热力学与动力学研究 热力学是研究一个反应能否进行 进行的程度 即反应物有多少转化成生成物 是研究化学平衡问题 动力学研究可以提供反应的反应速度及反应所需的条件 动力学的理论根据有3点 1 碰撞理论 2 过渡态理论 3 Hammond假定 六 过渡态理论与G S Hammond假定 过渡态理论强调分子相互作用的状态 并将活化能与过渡态联系起来 活化能 当分子间反应时 分子接近到一定的程度 就有排斥力 因此存在一个能垒 要发生反应就必须提供能量 克服这个能垒 迫使分子接近 克服这个能垒所必需的最低能量 称为活化能 过渡态 它是人们假想在反应过程中 从分子碰撞到形成产物之间 旧的键逐步分开离去 新的键逐步靠近形成 中间要经过的一个状态 它的势能最高 过渡态是反应物进行到产物或中间产物过程中所经过的势能最高点的状态 它极不稳定 只是反应进程中的一个中间阶段的结构 不能分离得到 过渡态一般表示为 中间产物是连续多步反应中的一个中间不稳定的产物 它不是反应物到中间产物过程中势能最高的状态 势能 反应进程 过渡态1 过渡态2 反应物 产物 中间产物 反应热 在有机化学上常用Hammond假定来比较类似化合物进行同类反应的活化能 在简单的一步反应中 该步过渡态的结构 能量较类似于势能接近一边的化合物或中间体 势能 反应进程 A 反应进程 势能 B 反应物 生成物 过渡态 过渡态 反应物 生成物 1 对于自由基 离子反应等 由于形成的中间产物是不稳定的自由基 正或负碳离子 它们的势能比较高 因而在这样的反应中 过渡态的结构较接近于这些不稳定的中间体 在类似的化合物进行同类反应时 如果中间体结构稳定 就表现为它的势能低 过渡态的势能也低 活化能相对也低 反应活性就大 反之 反应活性就小 Hammond假定的两点重要应用 反应进程 势能 反应物 中间体1 中间体2 过渡态 过渡态接近中间体 2 对于自由基 正或负离子反应 若用活性较小的试剂 过渡态的势能比反应物高许多 反应物需经过较大变化才能达到过渡态 导致反应的活化能高 过渡态相对地较类似于中间体结构 我们就认为反应活化能受中间体结构影响大 若用活性较大的反应试剂 反应物不需要经过多大变化就可达到过渡态 过渡态的势能比反应物高不了多少 反应的活化能较低 过渡态的结构较类似于反应物 我们就认为反应的活化能受中间体结构的影响较小 势能 反应进程 势能 反应进程 试剂活性大 试剂活性小 过渡态 过渡态 反应物 中间体或产物 反应物 中间体或产物 七 酸碱概念 1Bronsted Lowry酸碱定义 酸是质子的给予体 碱是质子的接受体 酸释放质子后产生的酸根就是该酸的共轭碱 碱与质子结合后形成的质子化物就是该碱的共轭酸 酸 共轭碱 碱 共轭酸 酸的强度决定于它放出质子的能力 碱的强度决定于它接受质子的能力 弱酸的共轭碱