第1章 有机化合物的结构和性质2018年3月5日

OrganicChemistry 山东理工大学化学化工学院 有机化学 参考书 基础有机化学 邢其毅 裴伟伟 徐瑞秋 裴坚等编 上下册 高等教育出版社 第三版 2005年 2020 4 2 3 教材 有机化学 第二版徐寿昌主编高等教育出版社 OrganicChemistry R t MorrisonandR N Boyd 6thEd 1999 有机化学 莫里森 博伊德 中译本 上下册 2020 4 2 学习内容与学时 关于习题每节课后根据教学内容安排一定量的练习布置作业后第二次课交习题 用A4纸未布置的习题自行完成 课堂纪律及考试 1 不准迟到早退 不准旷课 2 上课不准睡觉 不准玩手机 3 不准抄袭作业 成绩评定的主要因素 期末考试 实验 平时平时成绩的评定因素 习题完成情况 学习态度和出勤率等 2020 4 2 学好有机化学重要性 默克尔德国总理1986年获物理有机化学博士学位 习近平国家主席1975 1979清华大学化工系基本有机合成专业学习 杰里巴斯1957年获南加州大学有机化学博士学位率湖人队夺得10次NBA总冠军 台湾女作家龙应台写给儿子安德烈的一段话 孩子 我要求你读书用功 不是因为我要你跟别人比成绩 而是因为 我希望你将来会拥有选择的权利 选择有意义 有时间的工作 而不是被迫谋生 当你的工作在你心中有意义 你就有成就感 当你的工作给你时间 不剥夺你的生活 你就有尊严 成就感和尊严 给你快乐 2020 4 2 11 课前预习听课 记笔记整理 归纳 总结做习题 巩固 非常重要 讨论及答疑 学好有机化学的几个重要环节 切记 不要死记硬背不要临时抱佛脚 有机化学学什么 怎么学 化学性质 命名 结构 写出 写出 系统命名 平面结构和立体结构 说明 推测 反应历程 合成 鉴别 官能团 第一章有机化合物的结构和性质 1 1有机化合物和有机化学 1 2有机化合物的特点 1 3有机化合物中的共价键 1 4有机化学中的酸碱概念 1 5有机化合物的分类 第一章目录 1 1 1有机化合物的来源来源于有机生命组织 碳氢化合物及衍生物 有机化学 1 天然产物提取分离尿液 尿素 尿酸葡萄汁 酒石酸柠檬汁 柠檬酸鸦片 第一个生物碱 吗啡 中药提取分离 2 人工合成 有机合成尿素 W hler 1828 三聚氰胺 Liebig 1834 VB12 Woodward 1964 牛胰岛素 中国 1972 医药 农药 1 1 有机化学和有机化合物 1 1 2有机化学的发展历史 1806年 瑞典柏则里提出 有机化学 这一名词和 生命力 学说 一切有机物只有生命力存在下才能形成 从无机物不能合成有机物 1828年 德国维勒由氰酸铵NH4OCN合成尿素NH2CONH2 1845年Kolbe合成醋酸 1854年 柏赛罗合成油脂 这些有机化合物的人工合成意味着 生命力论 被彻底推翻 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 有机化合物 有机化合物就是含碳化合物 L Gmeliin 有机化合物就是碳氢化合物及其衍生物 K Schorfommer 有机化学 OrganicChemistry 研究含碳化合物的化学 L Gmeliin 研究碳氢化合物及其衍生物的化学 K Schorfommer 1 1 3有机化学定义 1 2有机化合物的特点 1 2 1有机化合物结构的特点 1 分子组成复杂 数量大 有机化合物组成元素少 但是数量远远超过了无机化合物的数量 并且结构复杂 同分异构体 具有相同的分子式 结构和性质不同的化合物 同分异构现象 具有同分异构体这种现象 例如 C5H12 10C 75种 20C 366 319种 无机化合物 一般一个分子式只代表一个化合物 如 H2SO4只代表硫酸 构象 构造 分子结构 立体异构体 分子中原子的连接顺序和方式 分子中 仅因围绕 单键旋转而产生的原子或原子团在空间的不同排列形象 构型 分子中的各原子或原子团在空间的排列方式 有机化合物的分子结构包括三个层次 即构造 构型 构象 确定一个有机物的结构 构造 构型 构象 CH3CH3 构造 构型 构像 碳架 链 异构体官能团异构体官能团位置异构体互变异构体 构型异构体构象异构体 顺反异构体对映异构体 旋光异构 构造异构体 同分异构体 立体异构体 原子的连接顺序和方式不同 构造相同的分子 原子在空间的排列方式不同 仅因 单键的旋转 1 2 2性质上的特点 1 易燃 大多数有机物都是可以燃烧的 碳 氢 2 热稳定性差 许多有机物在200 300 时即逐渐分解 碳 氢 3 熔点低 许多有机物在常温下是气体和液体 共价键 4 难溶于水或不溶于水 共价键 弱极性 5 反应速度慢 需要几个小时甚至几十个小时 可以通过加热 加催化剂等手段来加快反应 原子个数多 共价键 6 不是单一反应 除主反应外还有较多的副反应存在 原子个数多 共价键 1 3有机化合物中的共价键 价键理论和分子轨道理论 1 3 1价键理论回顾 1 共价键的本质 两原子互相接近时 由于原子轨道重叠 两原子共用自旋相反的电子对 使体系能量降低 而形成化学键 2 价键理论的要点 共价键的饱和性 一个未成对电子一经配对就不能与其他未成对电子配对 共价键的方向性 最大重叠原理 共价键键能与原子轨道重叠程度成正比 电子云密度最大的方向才能最大重叠成键 键电子云集中于两原子核的连线上 呈圆柱形分布 可绕键轴自由旋转 键电子云分布在 键所在平面的上下两方 不能绕键轴自由旋转 1 价键理论回顾 1 3 2杂化轨道理论与有机分子结构 原子轨道理论 s轨道 p轨道 共价键 两个带有自旋反平行单电子轨道的交叠 s键和p键 CH4为什么不是CH2 C 1s22s22p2 杂化轨道理论 成键之前原子轨道进行了重组hybridization 跃迁 原子轨道重组 4个sp3轨道 C 1s22s22p2 碳原子的几种轨道杂化 sp3杂化 四面体型 甲烷 CH4 的成键示意 s键轴对称方式交叠 在只含有CH元素的有机分子中 判断C原子的杂化方式 只需要数一数单键的数量即可判断 sp2杂化 跃迁 原子轨道重组 3个sp2轨道2pz 平面型 乙烯 CH2 CH2 的成键示意 p键侧面交叠 电子云结合较松散 sp杂化 跃迁 原子轨道重组 直线型 乙炔 CH CH 的成键示意 4 碳原子的杂化类型总结 S电子离核近 S成分比例越高 吸引电子能力越强所以 C原子电负性大小 Csp Csp2 Csp3 从分子的整体出发研究分子中每个电子的运动状态形成化学键 电子在整个分子中的运动 离域键 分子轨道 由能量相近的原子轨道线性组合而成 1 3 3 分子轨道理论 电子在分子轨道中的填充顺序能量最低原理最大重叠遵循泡里不相容原理此外还遵循成键三原则能量相近洪特规则对称性匹配 分子轨道理论与价键理论不同处是成键电子不再定域在两个成键原子之间 而是离域到整个分子中运动 1 3 4有机化合物结构的常用表达方式 Lewis电子式 价键式凯库勒 缩写式 甲烷 乙烯 乙炔 单键 双键 叁键 1 键长 bondlength 两个成键原子两核心的平均距离 nm 同一类型的共价键在不同化合物中是不同的 1 成键类型的影响 2 碳原子的杂化方式的影响 1 3 3 共价键的属性 键参数 2 键角 bondangle 分子中一个原子与另外两个原子形成的共价键在空间所形成的夹角 甲烷C H键键能 414kJ mol 1 是上述解离能的平均值 3 键能 bondenergy 指成键时体系放出的能量或断键时体系吸收的能量 双原子分子 键能即是键的离解能 多原子分子 键能指分子中几个同类型键的解离能的平均值 键能越小 共价键越易断裂 越不稳定 当成键原子电负性不同时 电负性大的原子带部分负电荷 电负性小的原子带有部分负电荷 键的极性强弱用偶极矩 来衡量 它是部分电荷与电荷之间距离的乘积 q d C m 库米 偶极矩是向量 带有方向性 一般以 来表示 箭头表示从正电荷到负电荷的方向 4 键的极性 根据共价键中电子云对称性 可分为极性共价键和非极性共价键 1 共价键的极性 以键矩又称偶极矩 来量度 是矢量 方向由正到负 单位 C m 越大 分子极性越强 0分子是非极性分子 非极性分子 正 负电荷重心相重合的分子 极性分子 正 负电荷重心不相重合的分子 A双原子分子H2 Cl2 O2分子中存在非极性键 为非极性分子 HF HCl HBr HI分子中存在极性键 为极性分子 B多原子分子分子的极性则由键的极性和空间构型决定 2 分子的极性 例如 CO2O C是极性键O C O分子呈现对称构型 整个分子为非极性分子 例如 CCl4C Cl是极性键 分子的空间构型为正四面体 为对称构型 分子为非极性分子 而CHCl3是极性分子 1 3 4共价键的断裂和有机反应类型 离子型反应 亲电反应 亲核反应 有机反应的类型 1 5有机化学中的酸和碱p8 1 4 2Br nsted 布郎斯特 酸碱质子理论 定义 酸 给出质子的分子或离子碱 接受质子的分子或离子 酸碱共轭关系 共轭酸碱对 只差一个质子 酸H 碱 注意 1 H 本身既不是酸也不是碱 它是酸碱之间传递的物质 2 酸越强 其共轭碱越弱 碱越强 其共轭酸越弱 1 4有机化学中的酸碱概念 1 4 1阿累尼乌斯酸碱理论 1884 在水中能电离出质子的物种称为酸 能电离出氢氧根负离子的物种称为碱 局限在水溶液中 pKa lgKa强酸具有低的pKa 弱酸相反 Lewis酸 具有空轨道原子的分子或正离子 Lewis碱 具有未共用电子对原子的分子或负离子 1 4 3Lewis酸碱理论 Lewis酸 Lewisacids 能够接受未共用电子对的分子或离子Lewis碱 Lewisbases 能够给出电子对的分子或离子 A B A B 路易斯酸碱加合物 例如 乙醇可看成酸 CH3CH2 和碱 OH 的配合物 H Fe3 Ag Li Mg2 R 碳正离子 具有强极性双键的分子 如羰基 1 5 有机化合物分类 按碳架分类 链状化合物 环状化合物 直链 支链 碳环 杂环 芳环 不饱和 饱和 按有机官能团分类 还原 硝基苯 C6H5NO2 硝基化合物 亲核加成 乙腈 CH3C N 腈化物 碱或亲核试剂 乙胺 CH3CH2NH2 胺 含氮有机物 亲核取代 消除 氯乙烷 CH3CH2Cl 卤代物 芳香亲电取代 苯 芳烃 亲电加成 丁二烯 CH2 CHCH CH2 二烯 亲电加成 乙炔 HC CH 炔烃 亲电加成 乙烯 CH2 CH2 烯烃 自由基取代 乙烷 CH3CH3 烷烃 碳氢化合物 典型反应类型 名称 举例 开环 环氧乙烷 环氧化合物 乙醚 CH3CH2OCH2CH3 醚 芳香亲电取代 苯酚 C6H5OH 酚 亲核取代 N 甲基乙酰胺 CH3CONH CH3 酰胺