有机化学第一章PPT.ppt

第一章绪论 OrganicChemistry 主讲人王美怡制药工程专业 2 本课程共64学时 考试及成绩 期末考试70 平时出勤 课堂回答问题及作业30 讲课形式 多媒体 板书老师讲授 同学参与 课程说明 3 教学内容体系 课程说明 将全部基础化学知识分为四大部分 第一部分 有机化合物的母体 烃第二部分 烃的衍生物第三部分 结构鉴定第四部分 天然有机化合物 4 有机化学 王积涛 胡青眉 张宝申 王永梅南开大学出版社 有机化学 第二版 钱旭红主编化学工业出版社 有机化学习题精解与考研指导 章烨 黄孟娇上海交通大学出版社 有机化学习题解 张宝申 庞美丽南开大学出版社 参考资料 5 课前预习 认真听课 补充内容的笔记 跟随老师的思路 积极动脑 回答问题独立完成作业 勤翻书本 每次课做完作业后的总结复习 适当做些课外参考书上的习题 怎样学好有机化学 6 本章要求 1 熟悉有机化合物的结构特点 掌握共价键及杂化轨道理论 2 掌握偶极矩及其表示方法 3 掌握共价键的断裂方式与有机反应类型 4 掌握共振式的表示方法 7 一 有机化学发展史 最初 从动植物有机体得到有机物如 糖 染料 酒 醋 不纯物 组成 结构全然不知 区别于矿物质生物体内神秘的生命力 1769 1785 分离出许多纯的有机物如 酒石酸 尿素 吗啡 1806 柏则里乌斯 BerzeliusJ 有机化学 和 生命力 学说 1828 维勒 Wohler 成功的合成了尿素 生命力 学说的否定的开始 1845 柯尔伯 KolbeH 合成了醋酸1854 柏赛罗 BerthelotM 合成了油脂 生命力 学说的彻底否定 8 一 有机化学发展史 有机化合物定义1 有机化合物就是含碳化合物 L Gmelin定义 1848年 定义2 有机化合物就是碳氢化合物及其衍生物 K Schorlemmer定义 1874年 有机化合物中除C H以外 还含有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 Isomerismphenomenon 现象在有机化合物中非常普遍 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 9 二 有机化学的重要性 从分子水平上去研究 农业 需要了解植物 粮食内部的分子变化过程除草剂 农药 转基因植物医药 有机化学是药物合成的基础 它可以告诉我们生物体是怎样在分子水平上变化的 从而帮助我们设计出针对各种疾病的药物 染料等精细化学品 电子工业中的液晶高分子单体生命活动 有机化学是生命科学的基础 组成生物体的物质大部分是有机物 研究有机化学对于在分子水平上研究生物体的组织结构和生命现象十分重要 10 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 11 三 有机化合物的特点 有机物中原子间通常以共价键 Covalentbonding 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 熔 沸点低 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electrostaticforce 4 难溶于水 易溶于有机溶剂 原因 相似相溶 水是极性溶剂 因此 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 有机反应产率如达80 相当可观 有40 的产率就有合成价值 12 四 化学键 1 原子轨道 Atomicorbital 1 每个轨道最多只能容纳两个自旋反平行电子 Pauli不相容原理 2 电子尽可能占据能量最低的轨道 即能量最低原理 原子轨道离核愈近 受核的静电吸引力愈大 能量也愈低 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3 有几个简并轨道而无足够的电子填充时 必须在几个简并轨道逐一地各填充一个自旋平行的电子后 才能容纳第二个电子 Hund规则 13 2 价键理论 1 共价键的形成可看作是原子轨道的重叠 交盖 或自旋相反的单电子配对的结果 2 共价键具有饱和性 一个未成对的电子既经配对成键 就不能与其它未成对电子偶合 原子的价键数目同等于它的未成键的电子数 比如C四价 O两价 H一价 3 共价键具有方向性 最大重叠原理 两个电子的原子轨道的重叠部分越大 形成的共价键就越牢固 14 2 价键理论 4 杂化轨道理论 Hybridorbitaltheory C N O的价电子排布式 C N O与H成键 则H C H H N H H O H 的键角应该为90 15 一个2s电子激发至能量较高的2pz空轨道只需要402kJ mol 激发所需的能量可被成键后释放出的键能补偿 16 i sp3杂化 sp3hybridization 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 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 17 ii sp2杂化 sp2hybridization 乙烯分子中的碳原子采取sp2杂化 sp2轨道的s成份更大些 sp2杂化 键 未参与杂化的p轨道肩并肩重叠形成 键 18 iii sp杂化 sphybridization 乙炔分子中的碳原子采取sp杂化 sp杂化碳为直线构型乙炔分子的 骨架2个相互 的 键 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 乙炔分子中电子云的形状为对称于 C C键的圆筒形 动画 19 sp sp2 sp3杂化的比较 所有单键都是 键 所有双键都是由一个 键和一个 键组成 所有叁键都是由一个 键和两个 键组成 C O N的杂化类型可由它所形成的 键数目所确定 无 键 一个 键及两个 键则分别是sp3 sp2 sp杂化 20 价键理论的局限性在于它只能用来表示两个原子相互作用而形成的共价键 即分子中的价电子 是被定域在一定的化学键的两个原子核区域内运动 电子定域 因此对单键 双键交替出现的多原子分子形成的共价键 共轭双键 就无法形象地表示 出现的现象也无法解释 分子轨道理论 21 3 分子轨道理论 当原子组成分子时 形成共价键的电子运动于整个分子区域 分子中价电子的运动状态 即分子轨道 用波函数 来描述 薛定谔方程的解 分子轨道由原子轨道线性组合形成 LCAO 形成的轨道数与参与成键的原子轨道数相等 1 1 2 符号相同 即 波相相同 成键轨道 2 1 2 符号不同 即 波相相反 反键轨道 每个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子 电子总是首先进入能量低的分子轨道 22 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 23 五 共价键的性质 1 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 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 一般地 键长越短 化学键越牢固 越不容易断开 24 2 键能 键的平均解离能 例如 平均值 423 439 448 347 4 414kJ mol因此 C H的键能为414kJ mol 化学键的键能越大 键越牢固 25 3 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 26 4 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 27 键的极性用偶极矩来度量 偶极矩 Dipolemoment 正电中心或负电中心的电荷与两个电荷中心之间的距离d的乘积 方向性 正到负 一般用符号表示 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 28 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 分子的极性影响化合物的沸点 熔点和溶解度等 29 30 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 31 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 homolyticfission 1 断键方式与反应类型 六 共价键的断裂方式与有机反应类型 32 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 33 周环反应 协同反应 反应经环状过渡态 旧键的断裂和新键的生成同时进行 例 34 有机反应的类型 35 2 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 36 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 37 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 38 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 39 注意 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 40 3 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 41 2 按官能团分类 官能团 functiongroup 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 42 一些常见官能团及其名称 43 一些常见官能团及其名称 44 官能团优先次序规则 羧基 磺酸基 酯 酰卤 酰胺 腈 醛基 酮基 醇羟基 酚 巯基 氨基 氢 烷氧基 烷基 卤素 硝基 45 七 共振论 电子离域现象可以用共振论来进行描述 在此双键已不是简单的双键 单键也不是简单的单键 为了解决用经典结构式表述复杂的离域体系所产生的矛盾 L Pauling提出了共振论 分子中真实的结构是可能的极限结构的叠加 是经典结构的共振杂化体 共振杂化体的能量比任何经典结构式的能量低 46 共振式的书写应遵循如下规则 共振式中原子的排列完全相同 不同的仅是电子的排布 共振式中 配对的电子或未配对的电子数应是相等的 中性分子也可以表示为电荷分离式 但电子的转移要与原子的电负性吻合 47 共振式的相对稳定性 满足八隅体的共振式比未满足的稳定 没有正负电荷分离的共振式比电荷分离的共振式稳定 共振式越多 参与形成的共振杂化体越稳定 在满足八隅体电子结构 但有电荷分离的共振式中 电负性大的原子带负电荷 电负性小的原子带正电荷的共振式比较稳定