1章 绪论.ppt

第一章绪论 一 有机化合物和有机化学 二 有机化合物的特性 三 有机化合物的分子结构和结构式 四 共价键 五 有机化合物的分类 六 有机化合物的研究程序 自学 一 有机化合物和有机化学 1 有机化合物定义1 有机化合物就是含碳化合物 L Gmelin定义 1894年 定义2 有机化合物就是碳氢化合物及其衍生物 Schorlemmer定义 有机化合物中除C H以外 只含有O N S P X等少数元素 碳和简单的碳化合物 如CO CO2 CS2 HCN等通常被看做无机化合物 有机化合物数目繁多 已确定结构和性质者大于400万种 同分异构现象在有机化合物中非常普遍 有机化合物与人们的生活密切相关 棉花 羊毛 蚕丝 合成纤维 脂肪 蛋白质 碳水化合物 木材 煤 石油 天然气 橡胶及合成橡胶 塑料 各种药物 染料 添加剂 化妆品等等都是有机化合物 2 有机化学 有机化学简史1806年 柏则里乌斯提出 有机化学 这一名词和 生命力 学说 1828年 F Wohler由氰酸铵NH4OCN合成尿素NH2CONH2 1845年Kolbe合成醋酸 1854年 柏赛罗合成油脂 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 有机化学是研究有机化合物的来源 制备 结构 性质及其变化规律的科学 有机化学可以看作是碳氢化合物及其衍生物的化学 它包括有机合成化学 天然有机化学 生物有机化学 元素有机及金属有机化学 物理有机化学 有机分析化学 应用有机化学等分支 有机化学的定义 有机化学是化学学科的重要组成部分 200多年来 有机化学的发展 揭示了构成物质世界的各种有机化合物的结构 有机分子中各原子间键合的本质以及它们相互转化的规律 并设计合成了大量具有特定性质的有机分子 同时 它又为相关学科 如材料科学 生命科学 环境科学等 的发展提供了理论 技术和材料 有机化学的成就使煤 石油 天然气 农产品等自然资源得到了充分的综合利用 为合成染料 医药 炸药等工业奠定了基础 今天 有机化学正处于富有活力的发展时期 其趋势和特点是 与生命科学 材料科学及环境科学密切结合 分子识别和分子设计正在渗透到有机化学的各领域 选择性反应 尤其是不对称合成 已成为有机化学的热点和前沿领域 有机化学继续在新药和农 医用化学品以及分子电子材料的开发中起主导作用 二 有机化合物的特性 有机物中原子间通常以共价键的方式相互结合 有机化合物的性质有下列特点 1 易燃 易爆 如汽油 酒精等 2 热稳定性差 受热 200 300 易分解 3 m p b p低 一般m p 300 例 HOAc M 60 m p16 6 b p118 弱的分子间引力 NaCl M 58 5 m p800 b p1440 强的离子间静电引力 4 难溶于水 易溶于有机溶剂 原因 相似相溶 水是极性溶剂 弱极性或非极性有机物难溶于水 但极性较强的有机物也可溶于水 5 反应速度慢 副产物多 有机反应产率达80 相当可观 有40 的产率就有合成价值 三 有机化合物的分子结构和结构式 结构 structure 分子中原子间的排列次序 原子相互间的立体位置 化学键的结合状态以及分子中电子的分布状况等各项内容的总和 分子的性质不仅取决于其元素组成 更取决于分子的结构 结构决定性质 性质反映结构 这是有机化学教与学的主线 构造 分子中原子间相互连接的顺序叫做分子的构造 例1 2 甲基丙醇的表示方法 路易斯式书写麻烦 短线式较麻烦 缩简式较为常用 键线式较为常用 例2 苯的构造式 路易斯式 短线式 键线式 缩简式 四 共价键 1 共价键的形成 甲 价键法 乙 分子轨道法 2 共价键的基本属性 甲 键长 乙 键能 丙 键角 丁 键的极性 3 共价键的断裂方式与有机反应的类型 甲 断键方式与反应类型均裂自由基反应异裂离子型反应周环反应 乙 有机反应试剂的分类自由基试剂亲电试剂亲核试剂试剂与酸碱 四 共价键 共价键最基本特点是具有饱和性和方向性 在有机化合物中 所有的碳必须是4价 成键原子间必须沿着电子云密度最大的方向重叠成键 1 共价键的形成 描述共价键的两种理论 价键理论 形象直观 定域的观点 常用于描述非共轭体系 分子轨道理论 离域的观点 常用于描述共轭体系 将价键理论和分子轨道理论结合起来 可以较好地说明有机分子的结构 甲 价键法 H2的形成 成键电子处于成键原子之间 略 CH4 C2H4 C2H2的形成 杂化轨道的概念 i sp3杂化 甲烷分子中的碳原子采取sp3杂化 杂化的结果 sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性 四个sp3杂化轨道完全相同 取最大的空间距离为正四面体构型 轨道夹角为109 5 动画 构型 原子在空间的排列方式 四个H原子只能从四面体的四个顶点进行重叠 因顶点方向电子云密度最大 形成4个 C H键 动画 ii sp2杂化 乙烯分子中的碳原子采取sp2杂化 杂化的结果 sp2轨道的s成份更大些 动画 动画 未参与杂化的p轨道间肩并肩重叠形成 键 iii sp杂化 乙炔分子中的碳原子采取sp杂化 sp杂化的结果 sp杂化碳为直线构型乙炔分子的 骨架2个相互 的 键 动画 乙炔的结构 sp杂化轨道的s成分更大 电子云离核更近 两个sp杂化轨道取最大键角180 所以 乙炔分子中电子云的形状为对称于 C C键的圆筒形 动画 讨论 不同杂化态碳原子的电负性不同 导致其与氢原子或其他原子形成的 键的性质不同 电负性 sp杂化碳 sp2杂化碳 sp3杂化碳 杂化轨道可形成 键 如C H C C C X C O C N等 键是有机分子构成碳链或碳环的基础 未参与杂化的p轨道可形成 键 如C C C O C C C N等 乙 分子轨道法 分子轨道理论主要用来处理p电子或 电子 乙烯分子中有两个未参加杂化的p轨道 这两个p轨道可通过线性组合 加加减减 而形成两个分子轨道 轨道 2 共价键的基本属性 甲 键长成键原子的平衡核间距 以nm 10 9m 表示 不同的共价键有不同的键长 高P6表1 2 例如 C C键长0 154nmC H键长0 109nmC C键长0 133nmC O键长0 143nm相同的共价键 处于不同的化学环境时 键长也稍有差异 袁P8表1 2 一般地 键长越短 化学键越牢固 越不容易断开 乙 键能 键的平均解离能 例如 平均值 423 439 448 347 4 414KJ mol C H的键能为414KJ mol 化学键的键能越大 键越牢固 P7表1 3 丙 键角 键与键之间的夹角 键角与成键中心原子的杂化态有关 也受分子中其他原子的影响 立体透视式的写法 丁 键的极性和极化性 键的极性键的极性是由于成键原子的电负性 P8表1 4 不同而引起的 例如 一般地 成键原子电负性差大于1 7 形成离子键 成键原子电负性差为0 5 1 6 形成极性共价键 键的极性用偶极矩 键矩 来度量 q d 的单位 C m 库仑 米 q 正 负电中心的电荷 d 电荷中心之间的距离例 H ClCH3 Cl b 分子的极性 键的极性可引起分子的极性 分子的偶极矩等于键的偶极矩的矢量和 例如 分子的极性影响化合物的沸点 熔点和溶解度等 c 键的极化度 在外电场作用下 共价键的极性发生变化称做键的极化性 键的极化性用极化来度量 它表示成键电子被成键原子核电荷约束的相对程度 极化度与成键原子的体积 电负性 键的种类以及外电场的强度有关 例如 小结 绝大多数有机物分子中都存在共价键 共价键的键能和键长反映了键的强度 即分子的热稳定性 键角反映了分子的空间形象 键的偶极矩和键的极化性反映了分子的化学反应活性和它们的物理性质 3 共价键的断裂方式与有机反应的类型 发生均裂的反应条件是光照 辐射 加热或有过氧化物存在 均裂的结果是产生了具有不成对电子的原子或原子团 自由基 有自由基参与的反应叫做自由基反应或均裂反应 均裂 甲 断键方式与反应类型 异裂 发生异裂的反应条件是有催化剂 极性试剂 极性溶剂存在 异裂的结果产生了带正电荷或负电荷的离子 发生共价键异裂的反应 叫做离子型反应或异裂反应 周环反应 反应经环状过渡态 旧键的断裂和新键的生成同时进行 例 有机反应的类型 乙 有机反应试剂的分类 自由基试剂能产生自由基的试剂是自由基试剂 例如 常见的自由基试剂 X2 过氧化物 R O O R 偶氮化物 R N N R 等 亲电试剂 常见的亲电试剂 H Cl Br SO3 BF3 AlCl3 NO2等 亲电试剂的特点 有正电荷或空轨道 亲电试剂在进行化学反应时 进攻反应对象的负电中心 由亲电试剂首先进攻的反应称为亲电反应 对电子有亲合力的试剂是亲电试剂 例如 亲核试剂 对碳原子核有亲合力的试剂是亲核试剂 例如 常见的亲核试剂 OH NH2 CN H3CO H2O NH3等 亲核试剂的特点 有负电荷或孤对电子 亲核试剂在进行化学反应时进攻反应对象的正电中心 由亲核试剂首先进攻的反应称为亲核反应 试剂与酸碱 布伦斯特 Br nsted 酸碱能给出质子者为酸 如HCl CH3COOH 能与质子结合者为碱 如OH NH3等 路易斯 lewis 酸碱能接受外来电子对者为酸 如H FB3 AlCl3等 能给出电子对者为碱 如Cl OH NH3 H2O等 试剂与酸碱所有的lewis酸都是亲电试剂 所有的lewis碱都是亲核试剂 讨论 碱性指试剂与质子结合的能力 亲核性指试剂与碳核结合的能力 试剂的属性与反应条件或反应物的性质有关 例如 Cl2在高温或光照下是自由基试剂 在极性介质中是亲电试剂 HBr在极性介质中是亲电试剂 在高温或光照下是自由基试剂 由亲电试剂首先进攻碳原子的反应称为亲电反应 由亲核试剂首先进攻碳原子的反应称为亲核反应 例 五 有机化合物的分类 对有机物进行分类的目的是便于介绍和讨论有机化合物 1 按碳链分类 2 按官能团分类 官能团 决定化合物典型性质的原子或原子团 含有相同官能团的化合物具有相似的化学性质 是同类化合物 按官能团分类可将有机物分为 烷 烯 炔 卤代烃 芳香烃 醇 酚 醚 醛 酮 醌 羧酸 羧酸衍生物 硝基化合物 胺 重氮和偶氮化合物 杂环化合物 等 通常将以上两种分类方法结合使用 如 开链烯烃 脂肪酸 芳香胺 一些常见官能团及其名称 官能团优先次序规则 高鸿宾 实用有机化学辞典 高教出版社 1997 羧基 磺酸 酯 酰卤 酰胺 腈 醛基 酮基 醇羟基 酚 巯 氨基 氢 烷氧基 烷基 卤素 硝基 六 有机化合物的研究程序 研究一个新的有机化合物 通常需要经历以下程序 1 分离提纯 2 物理常数的测定 3 元素分析和实验式的确定 4 相对分子质量的测定和分子式的确定 5 结构的确定 甲 官能团分析 乙 化学降解及合成 丙 物理方法的应用 自学 见高鸿宾 有机化学 第三版 P11 12 七 有机化学学习方法浅谈 课前预习 课后复习 学会听课