有机化学1-introduction.doc

第一章绪论主要学习内容：1. 怎样学好有机化学？2. 有机化学学习应注意哪些内容？3. 原子如何结合在一起形成分子？4. 有机化合物如何分类？5. 有机化合物如何反应？有机化学OrganicChemistryTorbernBergman,1770J.J.Berzelius,1807动物M.Chevreul,1816有机化合物植物衣食住行材料药物生命活动除草剂杀虫剂有机化合物的特点：1.对热不稳定，易燃烧（极少数例外）2.熔点较低（一般在250 C以下）3.易溶解于有机溶剂中，难溶于水4.反应速率较慢，反应复杂5.有同分异构现象HHHHC2H6OHCOCHHCCOHHHHH(二)甲醚乙醇As he noted in writing to the great chemist Jns Berzelius in1828:I can no longer, as it were, hold back my chemical urine; and Ihave to let out that I can make urea without needing a kidney, whetherof man or dog; the ammonium salt of cyanic acid is urea.2NCOK+(NH4)2SO42NCONH4+K2SO4氰酸铵F. Whler, 1828年OH2N CNH2尿素身边的有机化合物OCOCH3COOHO乙酰水杨酸AspirinMeONNHHHOH2NSNHONS.M.Z.磺胺甲噁唑OCH3HMeO2CH利血平 ReserpineOHOMeOMeOMeOMeHOOHOHOO维生素 CVitamin COH3COH3COCH3H10CH3辅酶Q10OHOCoenzyme Q, Ubiquinones有机化合物Organic Compounds结构/官能团Structure/Function Group性质Property反应物 & 试剂Reactants& Reagents反应Reactions中间体或过渡态Intermediate or Transition State反应机理Reaction Mechanism产物Products合成Syntheses有机官能团、有机反应和反应机理有机反应举例：H3CCH3CBrCH3+H2Oformic acid aq.H3CCH3COHCH3ReactantReagentProduct反应机理：CH3CH3 BrH2OCH3 HCH3H3CCBrCH3H3CCCH3H3CCCH3OH2H3CCOHCH3 1.1结构理论原子如何结合在一起形成分子？1858 年August Kekul(German, age 29)Archibald S. Couper(Scot, age 27)Alexander M. Butlerov (Russian Chemist, age 30)碳是四价的C碳与碳之间成键，连成长链或复杂化合物CC CCCC CCCCCCC C一、经典结构理论 (P.14, 1.7)1916年八隅体(Octet)：原子总是倾向获得与惰性气体相同的价 电子排布。(价电子层达到8个电子的稳定结构)离子键 (ionic bond)：W. Kossel原子间通过电子转移产生的正负离子相互结合而成键共价键 (covalent bond)：G. N. Lewis原子间通过共用电子对相互结合而成键 (电子共享)C: 1s22s22p2最外层4个价电子中等电负性 (原子实对价电子的吸引力)： 2.55可通过共享电子以满足八隅体 (成共价键)Lewis结构式：用电子对表示共价键结构的化学式Lewis Structure价键式缩写式甲烷HHHCHHCHHHCH4单键HH乙烯CCHHHHCCH2CCH2双键HH乙炔HCCHHCCHHCCH叁键Lewis Structure价键式缩写式氯甲烷HHHCClHCClCH3ClClCH3HHHHHH乙醇HCCOHHC COHCH3CH2OHHHHHHOHHOHOH3C CCH3丙酮HCCCHHC CCHOHHHHCH3CCH3CH3COCH3有机分子是平面的吗？平面模型CHClBrI氯溴碘甲烷ClH CBrIClH CIBrIH CClBr实际上只有2个异构体经典结构理论有局限性二、有机化合物的几何形象 (P.13, 1.6)和分子的极性H碳是四面体结构的（1874年）CHJ. Vant Hoff(1852 1911)HHJ. A. LeBel(1847 1930)Winner of The Nobel Prizein Chemistry 1901CH2Cl2二氯甲烷CHClBrI氯溴碘甲烷伞形式HBrBrHCHCCHClCl在平面上离开平面向后ClIICl离开平面向前有两个立体异构体电负性 Electronegativity：原子实对价电子的吸引力 (P.124, 4.4)（原子核 + 非价电子） 1.7离子键K(0.8)F(3.98), Na(0.9)Cl(3.16)电负性差值0.6 1.7极性共价键C(2.55)F(3.98), C(2.55)Cl(3.16) C(2.55)=O(3.44), C(2.55)Li(1.0) 0.6非极性共价键C(2.55)H(2.20), C(2.55)C(2.55)分子的极性：偶极矩 (P.124, 4.4)偶极矩(dipole moment) ：ed（正或负电荷中心上的电荷值） （正负电荷中心之间的距离） 德拜(D)电荷单位或库仑(esu or C)厘米或米1D = 1.0 10 18 esu cm= 3.336 10 30 C m偶极：箭头方向从部分正电荷指向部分负电荷的方向。分子的极性：分子中化学键极性的向量和。HHOCOCHHHCHClCl非极性分子极性分子三、现代共价键理论 (P.15, 1.8)当两个原子接近到一定距离，自旋方向相反的单电子相互 配对成键。原子轨道C: 2s22p2H: 1s1O: 2s22p4s 轨道p 轨道d 轨道 键Cl: 3s23p5 键碳的4个价电子是等价的吗？1.sp3杂化轨道 Hybrid orbitals跃迁2s2px2py2pz2s2px2py2pz原子轨道重组C: 1s22s22p2109.5o四面体型4个sp3轨道H甲烷(CH4)的成键示意图HHCCHHHHHHHHHHCHHCCHHCClHHHH 键(sp3-s) 键(sp3-s) 键(sp3-sp3) 键(sp3-p)键线式的书写方式HH HHCH3CH2CH2CH3HCCCCHHH H H键线式CH3CH3CHCH2CH3H3CCH3CHCH2CCH3CCCC不正确的表达方式H2CH2CCH2O H2COCH2H2CCH2C H2H2CCH22.sp2 杂化轨道跃迁2s2px2py2pz2s2px2py2pz原子轨道重组C: 1s22s22p2120o平面型3个sp2轨道2pz乙烯(CH2=CH2)的成键示意图Hsp2轨道p轨道HHHC+CCCHHHHp轨道 键 (sp2-s)HHHC CHHHHC CCH3HOCCH3 键 (sp2-sp2) 键 (p-p) 键 (sp2-sp3) 键 (sp2-sp2) 键 (p-p)烯烃（平面型分子）的书写方式H2CCH2平面型H3CHCCHCH3有顺反异构体HH(双键不能旋转)C C用键线式表示HHHHC CH3CCH3H3CCH3HCH3C CCH3H3CHH3C3.sp 杂化轨道：跃迁2s2px2py2pz2s2px2py2pz原子轨道重组C: 1s22s22p2180o直线型sp2py2pz乙炔(CHCH)的成键示意图pypzHC+pypzCHHCCHsp轨道HC CH 键 (sp-s)H3CHC CCCH 键 (sp-sp)2 键 (p-p)H 键 (sp-sp2)炔烃（直线型分子）的书写方式HCCHHC CHH3CCCCH3H3CC CCH3H3CCH3H3CCH3不正确的表达方式4.碳的原子轨道杂化形式杂化轨 道形式举例键角键长（）分子形状键能(kcal/mol)sp3sp2spC2H6C2H4C2H2109.5120180CC 1.54C=C 1.34CC 1.20四面体平面形线形83146200轨道杂化理论L. Pauling, 1931年for his research into the nature of the chemicalbond and its application to the elucidation of the structure of complex substancesLaureate of the Nobel Prize in Chemistry 1954Laureate of the Nobel Peace Prize 1962 1.2有机化合物结构分类 (P.23, 1.10)碳架链状化合物 opened-chain compounds直链支链straight-chainbranched-chain饱和 saturated不饱和 unsaturated环状化合物 cyclic compoundsON碳环 carbon cyclic芳环 aromatic杂环 heterocyclic有机官能团举例名称典型反应类型碳氢化合物烷烃烯烃炔烃二烯芳烃CH3CH3CH2=CH2HCCHCH2=CHCH=CH2乙烷乙烯乙炔丁二烯苯自由基取代亲电加成亲电加成亲电加成芳香亲电取代卤代物CH3CH2Cl氯乙烷亲核取代；消除含氮有机物胺腈化物硝基化合物CH3CH2NH2CH3CNC6H5NO2乙胺乙腈硝基苯碱或亲核试剂亲核加成还原有机官能团（续）举例名称典型反应类型含氧有机物醇酚醚环氧化合物醛酮羧酸CH3CH2OHC6H5OHCH3CH2OCH2CH3OCH3CHOCH3COCH3CH3COOH乙醇苯酚乙醚环氧乙烷乙醛丙酮乙酸脱水、酯化等芳香亲电取代卤化氢断键开环亲核加成亲核加成亲核加成羧酸衍生物酰卤酸酐酯酰胺CH3COCl(CH3CO)2OCH3COOCH2CH3CH3CONH(CH3)乙酰氯乙酸酐乙酸乙酯N-甲基乙酰胺亲核取代亲核取代亲核取代亲核取代 1.3有机化合物的反应和反应机理一、酸碱的概念 (P.27, 1.12)Brnsted酸碱理论凡能给出质子的物质是酸，能接受质子的物质是碱。HCl + NaOH = NaCl + HOHLewis酸碱理论 酸是能接受一对电子成共价键的物质， 碱是可以提供一对电子形成共价键的物质。HROHROHH9Lewis酸BF3B: 2s22p1AlCl3Al: 3s23p1sp2杂化，有一个空的p轨道9Lewis碱NH3，ROH有孤对电子 OR, OH带负电荷 C2H4, 苯 有电子对二、有机反应类型 (P.26, 1.11)反应物旧键断裂，新键形成按键断裂形式分：均裂(游离基型反应)A BA+B自由基或游离基freeradical用单钩箭头表示单个电子的转移，箭头 方向为电子转移的方向例：ClHCH3ClH+CH3异裂(离子型反应)A BA+B反应中间体intermediates用双钩箭头表示一对电子的转移，箭头 方向为电子转移的方向例：CH3CH3H3C CClH3C C+ClCH3CH3CH3H2C CCH3H2C CHHHHBrCH2CH3OHCH2CH3+BrHO重要反应活性中间体均裂自由基(游离基)Free RadicalClCH3O O双自由基异裂正离子Cation、负离子AnionCYC+ YCYC +Y碳正离子carbocation碳负离子carbanion按反应机理分步：反应中经过自由基或正负离子等中间体hClCl2 ClCl+HCH3ClH+CH3CH3+ClClClCH3+Cl协同：反应中键的断裂和生成同时发生，不经过自由基或离子等中间体+过渡态按底物变化取代反应 Substitution：一个基团被另一个基团置换自由基取代HH CH+H亲核取代hCl2HH CClH+HClRCH2Br+CNRCH2CN+Br亲电取代HNO2+HNO3H2SO4+HOH加成反应 Addition：不饱和化合物转变为饱和化合物自由基加成亲核加成ROOR+HBrBrHORR亲电加成OMgI+CH3MgIR CCH3R+HClHCl