有机化学第01章-gai.ppt

Chapter1绪论 CH4 第一章绪论 一 与课程有关的情况简介 1 二 学习有机化学的重要性和方法 2 三 有机化合物的结构和性质 3 第一节与课程有关的情况简介 主讲教师 江国防化学化工学院电话 88821861MAIL guofangjiang 1 主讲教师 教材 2 教材 参考教材及习题集 郭灿城等 有机化学 二版 北京 科学出版社 2006 参考教材 2 教材 参考教材及习题集 邢其毅等 基础有机化学 第三版 北京 高等教育出社 2005 FrancisACarey OrganicChemistry4th McGraw Hill2000 徐寿昌 有机化学 第二版 北京 高等教育出版社 1993 2 教材 参考教材及习题集 习题集 汪秋安 大学化学习题精解 下册 北京 科学出版社 2003 3 课程网站 4 考核方式 注意 小考没有补考机会 第二节学习有机化学的重要性和方法 1 有机化学与生活 第二节学习有机化学的重要性和方法 2 有机化学与环境 氟氯烃对臭氧层的破坏机理 臭氧层 PaulJ Crutzen 1933 德国1995年获奖 MarioJ Molina 1943 美国1995年获奖 F S Rowland 1927 美国1995年获奖 克鲁岑 莫利纳 罗兰率先研究并解释了大气中臭氧形成 分解的过程及机制 指出 臭氧层对某些化合物极为敏感 空调器和冰箱使用的氟利昂 喷气式飞机和汽车尾气中所含的氮氧化物 都会导致臭氧层空洞扩大 他们于1995年获奖 第二节学习有机化学的重要性和方法 3 有机化学与能源 第二节学习有机化学的重要性和方法 98 TsukasaMatsuo HiroyukiKawaguchi J AM CHEM SOC 2006 128 12362 第二节学习有机化学的重要性和方法 导电高分子聚合物 AlanHeeger 1936 美国人2000年获奖 AlanG MacDiarmid 1927 美国人2000年获奖 HidekiShirakawa 1936 日本人2000年获奖 4 有机化学与材料 第二节学习有机化学的重要性和方法 5 有机化学与生命科学 诺贝尔奖项 1990 2005 维生素B12 2 化学专业基础课 6学分 必修课程 3 以有机化学的观点观察和分析工程技术的实际问题 6 学习目地 第二节学习有机化学的重要性和方法 1 衣食住行生活 生产 科研 结构 性质 结构稳定原理 一个中心 两个基本点 中心 基本点 7 学习方法 第二节学习有机化学的重要性和方法 第三节有机化合物的结构和性质 一 有机化合物和有机化学 二 有机化合物的特点 三 有机化合物的结构 难点 七 有机化合物的分类和命名 重点 六 研究有机物的一般程序和方法 四 有机化学反应 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 八 现代物理分析方法 一 有机化合物和有机化学 1 有机化合物和有机化学的定义及特点Organic 有机的 有生命的 OrganicCompound 最初含义是指有生机之物 有机化合物 碳氢化合物及其衍生物 有机化学 碳化合物的化学 LGmelin1848 研究碳氢化合物及其衍生物的化学 一 有机化合物和有机化学 LeopoldGmelin 1788 1853 德国化学家 有机化合物特点 结构上 共价键 范德华力 分子结构复杂 同分异构 性质上 易燃烧 易分解 熔点低 在水中的溶解度小 化学反应速度较慢 反应产物复杂 一 有机化合物和有机化学 2 柏则里 J Berzelius 提出有机化学 1806 2 有机化学 OrganicChemistry 的发展 1 拉瓦锡 A L Lavoisier 燃烧分析法 1781 AntoineLaurentLavoisier 1743 1794 法国化学家 J nsJacobBerzelius 1779 1848 瑞典化学家 生命力说 一 有机化合物和有机化学 3 魏勒 F W hler 合成尿素 1828 FriedrichW hler 1800 1882 德国化学家 我应当告诉您 我制造出尿素并不求助于肾或动物 无论是人或犬 F W hler 无机物 有机物 4 1845年柯尔伯 H Kolbe 合成醋酸 柯尔柏 Kolbe A W H1818 1884 德国有机化学家 1844年 由氯 水 四氯化碳在光作用下合成三氯醋酸 纠正了贝采利乌斯把三氯醋酸称为氯化碳草酸的错误 由无机物合成有机物 支持了维勒由无机物合成有机物的实验 1848年与富兰克兰 林 把乙腈碱性水解得到醋酸 后来发展成氰水解合成有机酸的一般方法 第二节学习有机化学的重要性和方法 1854年伯赛罗 M Brethelot 合成油脂 1850 1900年 合成有机化学时代煤焦油化学时代 1900 1940年 有机化学工业时代煤焦油 染料 药物 炸药 1940年 石油化工时代石油 三大合成材料 橡胶 塑料 合成纤维 1990年 有机化学与生命科学 环境科学 材料科学 能源工业 国防工业 电子工业 信息产业 无机非金属材料 各种轻工行业紧密联系 相互促进 第二节学习有机化学的重要性和方法 1 为什么有机化学作为化学的一个分支来进行研究 思考 一 有机化合物和有机化学 2 为什么选择碳作为有机化合物的主要元素 1 为什么有机化学作为化学的一个分支来进行研究 答案 一 有机化合物和有机化学 2 为什么选择碳作为有机化合物的主要元素 同系列 具有一个分子结构通式 结构相似 化学性质也相似 物理性质随着碳原子数的增加而有规律地变化的化合物系列 叫同系列 同系列中的化合物互称为同系物 系列差 在同系列化合物中 相邻两个同系物之间的结构式相差一个结构单元 而不相邻的同系物中 结构相差该结构单元的整数倍 例如在烷烃中 结构单元是CH2 这个结构单元叫系列差 同分异构现象 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 1 有机化合物的结构特点 同系列和同分异构现象 二 有机化合物的特点 例 CH4 C2H6 C3H8 例 CH3CH2 OH CH3 O CH3 二 有机化合物的特点 构造型象 练习题 下例有机化合物 那些互为同分异构体 三 有机化合物的结构 难点 路易斯结构式 凯库勒结构式 有机化合物中的共价键成键方式两个碳原子之间可以形成C C C C C C三种化学键 共价键 共用电子对 2 杂化轨道理论 C1s22s22p2 2s22px12py12pz0N1s22s22p3 2s22px12py12pz1O1s22s22p4 2s22px22py12pz1 2s 2px 2py 2pz 三 有机化合物的结构 难点 1 sp3杂化 CH4 三 有机化合物的结构 难点 三 有机化合物的结构 难点 2 sp2杂化 CH2 CH2 三 有机化合物的结构 难点 三 有机化合物的结构 难点 3 sp杂化 CH CH 三 有机化合物的结构 难点 三 有机化合物的结构 难点 3 碳原子三种杂化态特性 三 有机化合物的结构 难点 4 共价键性质 1 键长成键原子之间的核间距离 单位为nm 10 7m 碳碳键长 C C C C C CC H键长 C C H C C H C C H 2 键角分子中某一原子与另外两个原子形成的两个共价键在空间所夹的角度称为键角 键角反映了分子的空间构型 键角的大小也随分子结构的不同而有所区别 3 键能气态时原子A与B结合成气态A B分子所放出的能量 或者是气态的A B分子离解成气态的A和B原子所吸收的能量 单位 kJ mol 反应热 H 破裂键键能 生成键键能 对多原子分子 键能是指分子中同一类共价键离解能的平均值 键能与离解能在数值上不一定相同 三 有机化合物的结构 难点 三 有机化合物的结构 难点 4 偶极距 键的偶极距 分子的偶极距 衡量化学键和分子极性的物理量 键的偶极距 两个电负性不同的原子所组成的极性键的正电荷 负电荷 中心的电荷q与两电荷中心之间的距离d的乘积 qxd 单位 D 1D 10 18e s u 电子静电单位 分子的偶极距 分子中各个化学键偶极距 键距 的向量和 三 有机化合物的结构 难点 一 有机化学反应类型 四 有机化学反应 四 有机化学反应 按反应类型 取代反应 substitutionreaction 有机化合物中某原子或原子团被别的原子或原子团取代的反应 加成反应 conjuctionreaction 不饱和烃与另一分子反应 通过断裂 键 形成另一个分子的反应 消除反应 Eliminationreaction 有机化合物中消去两个原子或基团的反应 重排反应 Rearrangementreaction 有机化合物中碳架结构发现重新组合的反应 氧化还原反应 Oxidation reductionreaction 有机化合物氧化或还原的反应 二 反应机理和反应活性中间体 1 反应机理 反应历程 对反应物到产物所经历的反应过程的详细描述或理论解释 I 协同反应 一个过渡态 无反应活性中间体 过渡态 在反应进程中 能量最高点相对应的结构称为过渡态 活化能 反应物到过渡态的能量 四 有机化学反应 活化能高 反应速率小 四 有机化学反应 II 分步反应 多个过渡态 有反应活性中间体 2 反应活性中间体 自由基中间体C 碳正离子中间体C 碳负离子中间体C 四 有机化学反应 ESR 5001500250035004500G 1 伯碳原子 连一个碳原子 用 1 表示 2 仲碳原子 连二个碳原子 用 2 表示 3 叔碳原子 连三个碳原子 用 3 表示 4 季碳原子 连四个碳原子 用 4 表示 3 有机化合物中碳原子的分类 与伯 仲 叔碳原子相连的H原子 分别称为伯 仲 叔H原子 如 四 有机化学反应 4 反应活性中间体稳定性 为什么反应活性中间体的稳定性是如上排列 思考 四 有机化学反应 一 诱导效应 inductiveeffect I效应 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 1 定义 由于原子的电负性不同而引起的电子沿 键的偏移 2 特点 1 通过 电子传递2 短程的 三根键 3 永久的效应 3 表示 1 常见的吸电子基 electron withdrawinggroup COOH SO3H NO2 CN F Cl Br I C CR OH OCH3 C6H5 CH CR2 H2 常见的给电子基 electron donatinggroup CH3 3C CH3 2CH CH3CH2 CH3 H 注意 烷基可能是吸电子基 也可能是给电子基 与不饱和键相连 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 二 共轭效应 conjugationeffect C效应 1 定义 电子在共轭体系 单 重 双 叁 键交替体系 内的离域效应 2 特点 1 通过 电子传递2 长程的3 贯穿整个共轭体系 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 3 表示 1 吸电子的共轭效应为 C 如 NO2 CN COOH CHO COR 2 给电子的共轭效应为 C 如 NH2 R NHCOR OH OR OCOR 表示方法 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 2 特点 1 只存在C H 键2 给电子效应 3 强度 直接连接的C H键越多 超共轭效应越大 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 三 超共轭效应 hyperconjugation C H键的共轭效应 1 定义 C H键的 电子的离域效应 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 注意 共轭效应 超共轭效应 4 表示 四 反应活性中间体稳定性的解释 1 碳自由基和碳正离子30 20 10 CH3 or CH3 超共轭作用 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 共轭效应 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 超共轭作用 共轭效应 2 碳负离子 共轭效应 不稳定 稳定 五 有机化学中的电子效应 重点和难点 CH3 1o 2o 3o 练习题 判断下例碳正离子的稳定性 六 研究有机物的一般程序和方法 六 研究有机物的一般程序和方法 一 分离纯化与色谱技术 1 重结晶 recrystalization 六 研究有机物的一般程序和方法 2 蒸馏 distillation 和精馏 rectification 六 研究有机物的一般程序和方法 3 柱色谱 六 研究有机物的一般程序和方法 二 有机化合物结构研究方法 1 熔点 六 研究有机物的一般程序和方法 2 薄层色谱 六 研究有机物的一般程序和方法 3 元素分析仪 六 研究有机物的一般程序和方法 4 四大谱 紫外光谱 红外光谱 核磁共振 质谱 七 有机化合物的分类和命名 重点 1 按碳链结合方式分类 一 有机化合物的分类 2 按官能团分类 官能团 有机化合物分子中容易起化学反应的一些原子或原子团 七 有机化合物的分类和命名 重点 七 有机化合物的分类和命名 重点 二 有机化合物的表示方法 七 有机化合物的分类和命名 重点 三 有机化合物的命名 1 习惯命名法 简单化合物 1 直链烷烃叫正某烷 2 支链烷烃叫异某烷或新某烷 2 衍生物命名法 某甲烷 取代烷基最多的碳原子作甲烷碳原子 七 有机化合物的分类和命名 重点 3 音译法 杂环化合物 NR3 COOH SO3H COOR COX CONH2 CN CHO COR OH NH2 R OR 4 系统命名法 IUPAC法 1 直链烷烃 碳原子数 2 支链的烷烃 六最 最长 含官能团 母体 最长碳链 注意 卤素和硝基作为取代基看待 七 有机化合物的分类和命名 重点 10以内 天干表示10以上 中文数字表示 七 有机化合物的分类和命名 重点 最多 最多取代基 七 有机化合物的分类和命名 重点 最低 系列原则 最先遇到取代基编号最低 最少 总编号最少 七 有机化合物的分类和命名 重点 最优 最优取代基先列出 取代基优先次序如下 H D CH3 CH2CH3 CH2CH2CH3 CH2 CH2 2CH3 CH2 CH2 3CH3 CH2 CH2 4CH3 CH2CH2CH CH3 2 CH2C CH3 3 CH2C6H5 CH CH3 2 CH CH2 C CH3 3 C CH C6H5 CH2OH CHROH CR2OH CHO COR COOR COCl CCl3 NH2 NHR NHCOR NR2 NO2 OH OR OOCR F SH SR SO2R Cl Br I 原子序数越小 取代基越优先 基团的命名 七 有机化合物的分类和命名 重点 七 有机化合物的分类和命名 重点 次序规则 原子序数小的为 优先 基团 第一原子相同 按原子序数大小顺序比较第二原子 Cl H H O O C Cl O H Cl C C 含有双键和叁键的基团 可以认为连有两个或三个相同原子 七 有机化合物的分类和命名 重点 七 有机化合物的分类和命名 重点 最简 相同取代基或官能团合并 2 6 二甲基 七 有机化合物的分类和命名 重点 注意 1 主链碳原子用阿拉伯数字1 2 3 编号 且官能团位次最小 2 相同取代基合并并在取代基前用汉字表示相同取代基数目 3 阿拉伯数字和汉字间要用短横隔开 取代基位次 取代基名称 母体位次 母体 七 有机化合物的分类和命名 重点 练习题 1 2 1 2 3 1 用系统命名法命名下例化合物 2 试判断下例化合物的系列命名法的对错 八 现代物理分析方法 1 紫外光谱 紫外 可见光谱是测定有机化合物中重键 双键 叁键 结构的重要方法 红移 吸收峰向波长增加方向移动蓝移 吸收峰向波长减少方向移动 max最大吸收波长 max摩尔消光系数 max 苯 238 11800 345 115 416 153780 nm 发色团 在近紫外光谱及可见光谱 200 800nm 范围内出现吸收带的结构系统 常见的发色团有 助色团 在200 400nm没有吸收带 但当与发色团相连时 使发色团的最大吸收峰向长波方向移动 能量降低 并使吸收程度增加 这种官能团叫助色团 通常有 OH OR NH2 SH SR X等 共轭效应 增加 max和 max 例1 将下列紫外光谱数据与化合物结构配对 ABC abc 2红外光谱 红外光谱是一种振动光谱 偶极矩的大小和方向发生改变的振动 即分子的对称性发生改变的振动才吸收红外光而发生振动能级的改变 折合质量 化学键键合常数K范围 单键 4 7 双键 8 13 叁键 12 18 C C C C和C C 例 请比较下例键的红外光谱振动频率大小 解答 虎克定律 查表知 化学键的键合常数为 C C 4 5 C C 9 77 C C 12 2 官能团区 3800 1350cm 1 吸收不受或很少受分子中其它部位影响 反映官能团的结构特征 指纹区 1350cm 1以下 吸收受整个分子结构影响较大 它反映整个分子结构特征 vmax KBr cm 1 3082 m 2963 s 2931 s 2865 s 1644 m 1464 m 995 m 911 s 红外光谱影响因素 化学键键力常数K 参与振动的原子或原子团质量M1和M2 影响分子键力常数的主要结构因素有 共轭效应 诱导效应 立体效应和氢键 例如 羰基化合物中存在下面的共振结构平衡 键力常数 1 2 3 有利于稳定结构式 3 的因素 将使共振结构式 3 的含量增加 羰基振动频率vC O降低 有利于稳定结构式 1 的因素 将使共振结构式 1 的含量增加 羰基振动频率vC O增加 分析 3核磁共振谱 1HNMR 1 信号的数目 质子类型2 信号的位置 质子的电子环境3 信号的强度 质子的个数4 信号分裂情况 相邻质子类型及个数 核磁共振现象 氢原子核 质子 的自旋有两种取向 1 2和 1 2 在外加磁场H0中 两个能级之差为 E 与外磁场相同的取向能量较低 E与外磁场强度H0成正比 r为核常数 称为磁旋比 h为普朗克常数 核磁共振 若质子受到一定频率的电磁波辐射 当辐射所提供的能量恰好等于质子两种取向的能级差 E时 质子就会吸收电磁辐射的能量 从低能级跃迁到高能级 原子序数为单数的原子核存在核磁共振现象 例13C 19F 都有成单的核电荷 有机分子的质子谱图中为什么会出现不同的1HNMR信号 化学位移 质子周围的电子云形成电子环流 在外加磁场中 电子环流形成感应磁场 要抵消一部分外加磁场的强度 质子所感受到的磁场强度会低于外加磁场的强度 一般小于百万分之几 即ppm 这时 我们说质子受到了屏蔽效应 不同类型质子受到不同屏蔽效应 质子由于受到不同屏蔽效应而产生不同磁场强度的共振叫化学位移 化学位移的单位可以用Hz表示 频率单位 化学位移 的大小 直接反映了质子周围的电子环境 化学位移 的表示 化学位移值 是有机化合物的重要物理常数 NMR测定中 采用与标准物质 CH3 4Si TMS 比较的方法 在用Hz表示化学位移时 必须说明核磁共振仪所用的频率 通常使用的核磁共振仪有60 90 100 220 450MHz TMS的 为0 的大小在NMR谱图中 由右至左逐渐增加 与扫场的顺序相反 0 对应于高场 质子周围的电子密度越大 化学位移 值越小 值变化规律如下 1 值从R CH3R2CH2R3C H依次增加 R连在饱和碳原子上 I效应 2 值随邻近原子电负性的增加而增加 3 值随H原子与电负性基团距离的增大而减小 4 值从烷基 烯基 芳基依次增加 值 R C H C C H C C H Ar H 18 轮烯 环外质子 8 2ppm 环内质子 值为负值 1 99ppm C C C C PhH中 电子产生感应磁场的方向 C C H C H Ar H 双键和苯上的H原子 正落在感应磁场方向与外加磁场H0方向相同的区域 这样使质子受到的屏蔽效应减小 值增加 这种作用叫去屏蔽作用 NMR谱图中峰的强度与数目 峰的数目代表化学不等价质子种类 氢原子种类 判断两个质子是否是化学等价的方法是将它们分别用相同的原子Z取代 如两个质子被取代后得到同一结构 或者是对映异构体 这两个质子就是化学等价质子 化学位移相同 CH3CH3 6个H是化学等价质子 Ha和Hb是化学不等价质子 峰的裂分与自旋偶合 a质子对b质子的自旋偶合作用 2个b质子对a质子的自旋偶合作用 裂分规律 1 当自旋偶合的n个邻近H原子都相同时 裂分数目为n 1 峰的强度符合 a b n展开式系数关系 11121133114641 2 当自旋偶合的邻近H原子不相同时 裂分的数目为 n 1 n 1 n 1 在 1 1 1 1 的情况 峰为四重峰 例如 Cl2CHCH2CHBr2中CH2分裂成四重峰 峰的强度相等 对于其它情况 峰的分裂分辨不出来 统称为多重峰 3 相同的H原子之间不偶合 例如 CH3中的H原子不相互偶合 CH3 CH3中的H原子也不偶合 偶合常数 多重峰中两个相邻峰之间的距离叫偶合常数 用J表示 其单位为Hz 偶合常数反映两个质子间相互干扰的强度 干扰越大 偶合常数也越大 1相互干扰的两种质子 其偶合常数必然相等 3偶合常数的大小决定于相偶合的质子间的结构关系 2相互偶合的两组峰在图形上都是从最外面的一个峰开始逐渐向上倾斜 1HNMR CDCl3 300MHz 12 49 s 1H 10 04 d J 4 7Hz 2H 9 50 9 55 m 2H 8 99 d J 5 1Hz 2H 8 89 d J 5 5Hz 2H 8 18 d J 7 0Hz 4H 7 82 8 05 m 6H 2 33 s 1H 2 43 s 1H 4质谱 MS 1 原理 正离子作弧形运动时 向心力 HeV 与离心力mv2 相等 在离子化室有机分子受到高能电子束轰击