武汉大学有机化学课件(1.绪论).ppt

1 有机化学 OrganicChemistry 2 第一章绪论 3 有机化学 各章节课时安排 4 一 有机化学的研究对象有机化合物和有机化学OrganiccompoundsandOrganicChemistry1 凯库勒 A Kekul 1829 1896 把含碳的化合物称为有机化合物 认为有机化学是研究含碳化合物的化学 2 肖莱马 K Schorlemer 1834 1892 把碳氢化合物及其衍生物看作有机化合物 故有机化学则为研究碳氢化合物及其衍生物的化学 5 简单化合物 6 天然化合物 三大营养素 糖 脂肪和淀粉 三大合成材料 塑料 橡胶和纤维 三大纤维素 织物中的麻 丝和毛 7 1 有机化合物有着广泛和巨大的用途 故需系统研究其性质 理论及合成方法等 2 典型的有机物与无机物有着显著的差异 需要用不同的方法和手段来进行研究 而无机物与有机物在性质上的差别主要是由于它们化学键的差异所导致的 有机化合物多为共价键而无机物则多为离子键 这就导致有机物有以下几个特点 为何要把含碳化合物专门独避一门学科来进行研究呢 8 1 易燃烧 生成CO2和H2O 2 热稳定性差 受热易分解 熔点低 一般 400 C 而无机物一般熔点 沸点较高 3 大多数有机物不溶或难溶于水 有机物多为非极性化合物 4 反应较慢且较复杂 无机反应一般为离子反应 往往可瞬间完成且产物简单 而有机反应一般为分子间反应 需要较高的活化能 故反应需要时间 同时 有机反应的副反应较多 一般产率达不到100 以上仅为典型的有机和无机物间的差别 9 3 有机化合物在生命现象中起着极为重要的作用 4 有机化合物的数目特别多且增长很快 目前 有机物的数目大于1400万个 并以40万个 年的速度递增 含碳化合物数目特别多的原因 a 碳与碳原子相互间的结合力特别强 一个分子中含碳原子的数目几乎是无限的 b 碳化合物的异构现象十分普遍 10 无定型碳 11 石墨 12 钻石 13 球型的 14 15 作为一门学科的有机化学产生于19世纪 18世纪下半叶 天然产物的分离 结构分析 酒石酸 1769年 草酸 1776年 乳酸 1780年 等 当时 生命力 论的提出阻碍了有机化学的发展 1828年德国化学家维勒 F W hler 1800 1882 在蒸发氰酸铵水溶液时得到了尿素 从而突破了 生命力 论的束缚 使得有机化学在19世纪下半叶有了迅速的发展 2 有机化学的产生与发展 16 1828 17 1857年 凯库勒和库柏 A S Couper 分别独立提出了碳的四价学说 开创了结构理论的基础 1861年 布特列洛夫 A M Butlerov 提出了完整的有机结构理论 指出原子间存在着相互影响 结构决定性质等 1865年 凯库勒提出了苯的结构式 1874年 范德荷夫 J H Van tHoff 和勒贝尔 J A LeBel 建立了分子立体概念 说明了几何异构和对映异构现象 有机经典结构理论到此已经基本建立 18 20世纪初随着物理学的发展 量子力学的建立 使电子成对的化学键观点获得了理论基础 阐明了化学键的本质 出现了诱导效应 共轭效应及立体效应等理论 总之 有机化学在20世纪特别是下半叶开始 发生了巨大的变化 取得了众多的成就 形成了相互联系而又互有分工的三个领域 19 有机合成化学 是有机化学的中心 是有机化学也是整个化学中最具有创造性的领域之一 它利用天然资源或简单的工业生产的有机分子 通过一系列复杂的化学反应 合成到十分复杂的天然或非天然有机化合物 向医药 工农业等提供各种有机原料 20世纪新反应 新试剂等不断发现 突出的成就是60年代VB12的全合成和90年代的海葵毒素的全合成 反应出当代有机合成的水平 20 有机化合物的分离及结构测定 是人们从分子水平认识物质世界的基本手段 50年代以后人们已不仅依靠萃取 结晶 分馏等方法来实现分离和分析 目前 各种层析技术已成为各有机实验室的常规手段 检出灵敏度已达到ppm甚至ppb 十亿分之一 的水平 60年代以来发展的四大波谱技术 NMR IR UV MS已广泛普及 加上X 衍射技术等手段 使有机物的结构问题已难不倒有机化学家 100ug时 也能给出确切的结构信息 21 物理有机化学 有机合成和分离 结构分析的成就 促进了有机化学的理论基础 物理有机化学的发展 而物理有机化学又可指导有机化学向更深层次进展 G N Lewis E H kel K Ingold L Pauling Woodward Hoffman 福井谦一等 90年代计算机技术的发展 使得分子动力学 化学计算等成为有机化学家好助手 中国科学家在有机化学的发展中也做出了突出的贡献 22 有机化学与相关领域的诺贝尔奖 23 有机分子工程学的历史是一个人类科学奋斗与追求的历史 24 历史回顾 1828 1944 25 历史回顾 二战之后 Woodward时代 26 历史回顾 1990 2000 27 海洋毒素 TailoredSynthesis ChiralityRationallogicdrivendesignHighlevelofsophisticationPalytoxinC131H227N3O53Mr 2692 2664asymmetric6Olefincenters270 1 2x1021isomers 28 IndustrialImportantCompounds Monomersandpolymers 单体和聚合物 Adhesivesandcoatingagents 黏合剂和包袱剂 Dyes 染料 Flavoringsandscents 调味品及香料 Pharmaceuticalproducts 药物产品 Cosmetics 化妆品 Insecticides 杀虫剂 Herbicides 除草剂 29 理论分子与非天然复杂分子 30 典型有机物与无机物的最大区别主要是有机物一般都以共价键相结合形成分子的 故有必要复习 巩固以下有关共价键的基本知识 二 有机化学的结构理论 31 1 原子轨道 S轨道 32 33 P轨道 34 35 36 2 共价键理论 核心内容 1 共价键是成键两原子通过共享电子对而形成的 37 Lewis结构式和Kekul 结构式 38 2 共价键的饱和性 即当一个电子与另一个电子配对成键后就不能与 第三者 配对 原子的外层价电子数就是可成键数 39 3 共价键的方向性 即两成键轨道的电子云必须最大程度的重叠 方越牢固 稳定 40 4 轨道的杂化 原子轨道通过杂化可形成更稳定的分子 sp杂化 41 sp2杂化 42 sp3杂化 43 C原子的sp sp2杂化 44 45 要点 形成化学键的电子是在整个分子中运动的 其运动形式用波函数 表示 分子轨道的近似解法 可用原子轨道的线性组合 LCAO N个原子轨道只形成n个分子轨道 两个原子轨道 A B的组合方式为 3 分子轨道理论 46 47 对称性匹配 能量相近 最大重叠 但分子轨道形成时必须满足三个条件 48 H2分子的生成 49 50 4 共振论 意义 许多有机化合物可以用一个式子表示其结构 如 有些化合物却不能用单一的式子精确地表示其结构 如 51 2 写法要求 1 各经典结构式中原子在空间的位置应当相同或接近相同 它们的差别在于电子的排布 2 所有的经典结构式中 配对的和未配对的电子数目应当是一样的 52 用弯箭头表示电子移动的方向 但不移动原子的位置和改变未配对电子的数目 可以从一个经典结构式推导出另一个 3 等同的经典结构式贡献相等 4 经典结构式中 如所有属于第一 第二周期的原子都满足惰性气体电子构型 其贡献较未满足的大 贡献大 贡献小 53 5 没有正负电荷分离的经典结构式的贡献较大 贡献大 贡献小 3 共振论的应用解释反应中间体的活性和稳定性等 54 用来表征共价键特征或性质的物理量 叫做共价键的键参数 1 键长 指的是成键原子核间的距离 常用 10 10m 1pm 10 12m 做单位 须注意 A B共价半径只是原子成键时呈现的大小 是最近和最远距离的平均值 并非单个原子的半径 同一种键在不同分子中的差别不大 键长决定分子的大小 三 共价键的键参数 55 2 键角 分子中某一原子与另外两个原子形成大共价键 彼此在空间的角度 叫做键角 键角决定了分子的立体形状 56 3 键能 将一个气态分子分解成组成它的全部原子 气态 时所需的能量 等于分子中全部化学键能的总和 则总能量除以化学键的数目 就是每个化学键的平均键能 键能是化学键强度的主要标志之一 在一定程度上反映了键的稳定性 57 4 键矩 是衡量键的极性的一个物理量 同种原子形成的共价键无极性 异种原子形成的共价键有极性 其键矩定义为正 负电荷中心的电荷 e 与正 负电荷中心之间的距离 d 的乘积 58 c 共价键虽为极性键 但整个分子却不一定是极性的 如 矢量和为0 而HCCl3却有极性 d 当两种原子的电负性相差很大时 则为离子键了 如NaCl 59 四 有机反应和有机反应方程式 1 有机反应的分类 1 离子型反应 极性或异裂反应 异裂产生带正电的碳离子和带负电的碳离子 分别称为碳正和碳负离子是重要的有机反应中间体 不稳定 由它们参加的反应叫离子型反应 60 2 自由基型 均裂 反应 均裂产生带孤电子的原子或基团 称为自由基 是一种重要的有机反应中间体 在光照或高温加热的条件下产生 其发生的反应称为自由基反应 61 3 协同反应 旧键的断裂和新键的生成同时发生的反应 反应过程中无任何活性中间体 有机反应还有其他的分类方法 62 2 有机反应方程式 同时 要注意和学会各种符号 箭头等的意义和用法 63 五 酸和碱 酸碱是化学变化中应用最广的概念之一 有机反应中有许多酸碱反应 熟悉酸碱的概念对理解有机反应很有用 质子理论 Br nsted Lowry 定义 凡是能给出质子的物质是酸 凡能接受质子的物质是碱 酸给出质子后即形成了该酸的共轭碱 碱则反之 64 酸碱的质子理论体现了酸碱两者相互转化和依存的关系 由定义 酸的强度就是它给出质子的倾向的大小 碱的强度就是它接受质子的倾向的大小 故酸越强其共轭碱越弱 65 2 电子理论 G N Lewis 定义 凡能接受电子对的物质是酸 凡能给出电子对的物质是碱 故酸和碱又可分别称为电子对的受体和给体 而酸碱反应则是生成配位键的过程 生成酸碱加合物 66 规则 硬酸优先与硬碱结合 软酸优先与软碱结合 硬酸 H 碱金属 碱土金属离子 Al3 Fe3 BF3 RCO 等 硬碱 F OH OAc Cl CO32 RO ROH NH3 RNH2 NO3 SO42 等 软酸 Cu Ag Pd2 Pt2 BH3 I2 Br2等 软碱 I CN SR R2S C6H6 CO RO 3P等 3 软硬酸碱理论 HSAB 67 须注意 软硬酸碱理论是在总结大量实验数据的基础上得出的 无统一标准 其软硬度的划分是相对的 其规律是 硬亲硬 软亲软 软硬交界就不管 所谓 亲 是指生成的产物的稳定性高 同时反应速度快 软或硬的概念与强和弱的概念完全不是一回事 不应相提并论 二者间也无必然的联系 强酸与强碱间的反应肯定是最为有效的 68 六 有机化合物的分类 有机化合物数目巨大 一般可按碳架和官能团进行分类 1 按碳架分1 开链化合物 又称脂肪族化合物 2 碳环化合物 化合物由碳原子构成碳环 又可分为 69 2 芳香族化合物 1 脂环族化合物 70 3 杂环化合物 环是由碳原子和其他元素的原子共同组成 2 按官能团分官能团 有机分子中特别能起反应的原子或基团 如醇的 OH 烯烃的C C等 具有相同官能团的分子能发生同样的反应 故为同类化合物 可分为烷烃 烯烃 醇 酚 醚等 71 七 有机化合物的结构分析 有机化学的重要任务是发现新现象 如新反应 新化合物 新性质等 和认识新规律 如反应机理 结构与物性的关系等 其中 常需要进行结构分析 步骤 72 八 主要参考书目 1 吕以仙 有机化学 第五版 北京 人民卫生出版社2001