简明有机PPT课件

.,1,有机化学,教材：有机化学简明教程（第二版）（齐欣高鸿宾主编）,OrganicChemistry,2016年9月,.,2,讲授:吴粦华Tel-mail：wulhl课件及习题解答下载邮箱:lyunchem邮箱密码(Code):lyun2014,.,3,课程名称：有机化学(OrganicChemistry),参考书：胡宏纹主编有机化学(第三版)上、下册高占先主编有机化学，高等教育出版社，2005.,使用教材：齐欣、高鸿宾主编有机化学简明教程(第二版),课程性质：专业必修课,课时与学分：64课时、4学分,成绩评定：10%作业+30%期中考试+60%期末考试,.,4,第一章绪论,有机化合物有机化学及发展简史如何学习有机化学,1.1有机化合物和有机化学,Introduction,.,5,1.概念,碳氢化合物,分子中只含碳和氢两种元素的化合物，又称为烃。碳氢化合物是有机化合物的母体。,碳氢化合物的衍生物,碳氢化合物中的氢原子被其它原子或基团替代后的化合物。,有机化合物,含碳的化合物，或者碳氢化合物及其衍生物。一些有机物除含C、H外，还可含O、N、P、S等元素。,.,6,有机化学,研究有机化合物的化学，即研究有机化合物的来源(制备)、组成、结构、性质、应用以及有关理论和方法学的科学。,.,7,1.2有机化合物的一般特点,1易燃烧。（CO2和H2O是主要燃烧产物）2熔点和沸点一般较低。（固体有机物的熔点低，很少超过400；液态有机物沸点较低）3难溶于水。(有机物大多为非极性或弱极性分子）4反应速率较慢，副反应多。（反应物转化率和产物的选择性很少达到100%。）组成与结构复杂，同分异构多,.,8,PhysicalProperties,Lowmeltingpoint熔点低Lowboilingpoint沸点低Highvolatility挥发性大Ofteninsoluble多数难溶于水Densityoftenlowerthanwater比重一般比水小,ChemicalProperties,稳定性不如无机物Lessstable易燃Inflammation反应速度慢Lowreactionrate副反应多Frequentsidereaction,.,9,为什么叫“有机”化合物？这与人类对物质世界认识过程有关。在历史上，最早从动植物中提取得到染料、药物和香料等，因此人们认为只有有生命力的动植物能合成这类化合物，其性质又明显不同于当时已知的无机物，就称为有机化合物。尽管后来可以人工合成有机化合物，但有机化合物的名称仍沿用至今。,.,10,.,11,Starch（淀粉）,Gasoline（汽油）,.,12,有机化学的产生与发展（自学）有机化学的发展大体上分如下几个阶段：,建立有机化合物结构理论(19世纪60年代),建立立体化学(19世纪70年代),各分支学科的形成(19世纪以后),分析天然有机化合物(18世纪末19世纪初),人工合成有机物(19世纪初),利用天然有机物(18世纪前),分离天然有机化合物(18世纪末),.,13,早期的有机化学（1828年之前）,最早的有机化合物来自于动植物体（有机体）,生命论(Vitalism)认为：有机化合物只能由有机体产生。无机化合物则存在于无生命的矿藏中。,有机化合物,尿素,酒石酸,.,14,F.Whler(German)的实验(1828),由腈酸铵（无机物）制得尿素（有机物）,inorganicorganic,1848年Gmelin：含碳的化合物,Schorlemmer：碳氢化合物及其衍生物,.,15,有机化学的发展,人工合成有机物,分离提纯有机物,“有机”和“生命力”,来自动植物,来自矿物,有机物,无机物,明确是C化合物,碳氢化合物及其衍生物,Whler,.,16,为什么有机物的数量比无机物多这么多？,有机化学碳化合物的化学,凭什么一个C就能成为一门独立学科？,1、与人类关系密切，有着广泛、巨大的用途2、数量众多3、性质特点不同于无机物,有机物上千万种（目前2600万种）无机物几十万种每年新增有机物上百万种,有机物结构繁杂！同分异构现象普遍。,结构,.,17,在研究有机物有四个任务：有机物结构的确定；有机物的命名；有机物的合成（包括分离、提纯）；有机反应（反应历程、范围、限制及在有机合成中的应用）；,.,18,NatureProductChemistry天然产物化学,StructureDetermination结构测定,OrganicSynthesis有机合成,ReactionMechanism反应机理,Crossscience与其它学科渗透eg.withlifescience,withenvironmentengineering,GreenChemistry,.,19,有机化学任务之一：通过各种反应合成我们所需要的自然界存在的，或自然界不存在的全新的有机物，如维生素，药物，香料，染料，农药等。,从20世纪下半叶起，化学的主要任务不再是发现新元素，而是合成新分子，特别是人们感兴趣的明星分子。徐光宪,.,20,它是迄今为止最复杂的非高分子化合物之一，共有183个原子。是一个含钴的有机化合物。其结构测定花费了数十年时间。1973年完成人工全合成。它是深红色晶体，溶于水、乙酸和丙酮，不溶于氯仿。它对维持正常生长和营养，对神经系统和红细胞产生、预防贫血等都有极其重要作用。,伍德沃德(RobertBurnsWoodward，19171979)美国人，人工合成固醇、叶绿素、维生素B12和其他只存在于生物体中的物质.,C63H90N14O14PCo,维生素B12,.,21,最毒物质LD50=150ng/kgKCN的LD50=1mg/kg有机合成的珠穆朗玛峰哈佛大学Kishi1989年合成成功,.,22,研究有机化学的深远意义,深远意义：研究生物体及生命现象,.,23,2008年10月8日，瑞典皇家科学院在瑞典首都斯德哥尔摩宣布，日本科学家下村修、美国科学家马丁沙尔菲和美籍华裔科学家钱永健获得2008年诺贝尔化学奖。瑞典皇家科学院把08年的诺贝尔化学奖授予绿色荧光蛋白的发现者和推广者。其新闻公报说，绿色荧光蛋白“已经成为现代生物科学最重要的工具之一”。在它的帮助下，研究人员能够看到以前所不能见的新世界，这包括大脑神经细胞的发育过程和癌细胞的传播方式等。,下村修现年81岁，出生于日本京都府，1960年获得名古屋大学理学博士学位，曾先后在美国普林斯顿大学、波士顿大学和伍兹霍尔海洋生物实验所工作。他1962年从一种水母中发现了荧光蛋白，被誉为生物发光研究第一人。,OsamuShimomura,.,24,1952年生于纽约，值得一提的是他为我国科学家钱学森堂侄，现为美国加州大学圣迭戈分校生物化学及化学系教授、美国国家科学院院士、国家医学院院士，2004年沃尔夫奖医学奖得主。主要贡献是利用水母发出绿光的化学物来追查实验室内进行的生物反应，钱永健改造绿色荧光蛋白取得多项成果，世界上目前使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种。现在的荧光蛋白不仅荧光更强，而且除绿色外，还可以呈黄色、蓝色，有的还可激活变色，他被认为是这方面的先驱。,钱永健,RogerTsien,.,25,2015年诺贝尔化学奖揭晓，瑞典、美国、土耳其三位科学家TomasLindahl、PaulModrich和AzizSancar获奖。获奖理由是“DNA修复的机制研究”综上所述，有机化学的学术成就是十分令人瞩目的。1901年到2015年颁发的化学诺贝尔奖115届中（其中有8届未颁发），有82届的内容与有机化学有关。,.,26,有机化学学科已经形成多种分支学科。,有机化学展望,.,27,Howtolearnorganicchemistry如何学习有机化学课程,归纳性学科而非演绎性学科,学习建议：从结构和机理角度找规律多进行比较与归纳适当量的练习,.,28,课前预习听课、记笔记整理、归纳、总结做习题（巩固）讨论及答疑,学好有机化学的几个重要环节,.,29,Topsixwaystopassorganicchemistry,ShowuptoclassAskquestionsinclassTakegoodnotesTurnyourhomeworkandlabsinontimePractice,practice,practice!Learnhowtobesmartonexams,.,30,练习题,1、确定下列化合物哪些是有机化合物？哪些是无机化合物？CH3OHCOCO2CS2HCNHSCNCH3COCH3HCOOHCH3COONaH2CO3,.,31,1.3有机化合物中的共价键回顾复习,何谓化学键？化学键类型？概念：分子中相邻的两个或多个原子之间强烈的相互作用，称为化学键（chemicalbond）。类型：离子键、共价键、金属键共价键（covalentbond）：指原子之间通过共用电子对而形成的化学键,碳是第二周期第四主族元素，既难失去电子也难得到电子。碳的成键特征是和其它原子形成共价键。,.,32,共价键的形成,1.有机化合物分子中共价键的两种理论价键理论从形成共价键的电子只处于形成共价键两原子之间的定域观点出发，解决分子中原子间互相连接（成键）问题的理论是价键理论。杂化轨道理论是它的发展，这种方法处理的结果，对分子的空间形象描述得直观、清楚、容易理解，是常用的方法。,.,33,共价键的形成和类型,两原子的原子轨道，相互交叠即形成共价键,键沿轨道轴平行方向成键。重叠大、稳定、可沿键轴自由旋转。,键沿轨道轴垂直方向成键。重叠小、不稳定、不能沿键轴旋转。,头碰头,肩并肩,共价键的类型,交叠越大，成键越牢固最大重叠原理,轨道轴,键轴,例如：H2分子,.,34,键的特点：成键两原子可以绕键轴旋转，旋转的结果改变了原子空间排列。,键不能自由旋转！,.,35,s和p电子轨道的三种重叠情况,共价键有方向性和饱和性,.,36,分子轨道理论以“形成共价键的电子是分布在整个分子之中”的离域观点为基础处理分子中原子相互连接问题的方法称为分子轨道理论。这种方法对电子离域体系描述的更为确切。多用于处理具有明显离域现象的有机分子结构，如芳环、1,3-丁二烯等共轭体系。,两种理论的比较定域与离域；局部与全局；简单明了与复杂可靠,.,37,1.4共价键的属性（参数）,讨论共价键性质的重要性有机化合物中原子主要是共价键连接的，共价键决定了有机化合物的性质，因此要研究共价键的性质。共价键的属性（基本性质）包括键长、键角、键能和键的极性。,.,38,1.4.1键长（bondlengths）,键长（又称键距）：形成共价键的两个原子核之间的距离称为键长。,d：a-b两原子的键长r1：b原子的范德华半径r2:b原子的共价半径r3:a原子的共价半径r4:a原子的范德华半径,.,39,影响键长的因素：,不同原子成键，键长与原子半径有关。相同原子成键键长：单键双键叁键。,常见共价键的键长,无论C-C还是C-H，键长都与C的杂化状态有关。,.,40,1.4.2键角(Bondangles),同一个原子至少与两个原子成键时，中心原子的键与键之间的夹角称为键角。键角的大小与成键原子特别是成键的中心原子的杂化状态有关，也受分子中的其它原子的影响。,.,41,1.4.3键能(bondenergy),概念由原子形成共价键所放出的能量，或共价键裂成两个原子所吸收的能量称为该键的键能。后者又称键的离解能。键能的单位：kJ/mol。例1.H2(g)2H吸收436.0kJ/mol能量，即H-H键的键能，也称为HH的离解能（Ed=436.0kJ/mol表示）。,.,42,例2.甲烷分子中有四个C-H键，其离解能如下：,每一种C-H键的离解能Ed不相等,在甲烷中C-H的键能是各C-H键离解能的平均值：（423+439+448+347）/4=414kJ/mol化合物的键能数据可从手册中查到。,.,43,键能的用途可用键能数据估计化学反应的焓变,例1估算甲烷氯化生成二氯甲烷的反应焓：CH4+2Cl2CH2Cl2+2HCl生成新键放热：2个CCl2339=678kJ/mol2个HCl2432=864kJ/mol断裂旧键吸热：2个CH2414=828kJ/mol2个ClCl2243=486kJ/molHm=(678+864)-(828+486)=228kJ/mol即：每生成1mol的CH2Cl2,放出228kJ/mol能量。,注意：键能与键离解能是两个不同的概念，两者有联系又有区别，键能是分子中同种键离解能的平均值。手册中给的键能多数是标准态（25，气相）值。,.,44,1.4.4键的极性和诱导效应,极性键和非极性键两个电负性不同的原子形成共价键，成键的两电子的电子云非均匀分布在两原子的周围，电负性大的原子周围有较多的电子云，电负性小的原子周围有较少的电子云，即键的两端出现微小正、负极，常用+和-表示，这种现象称为键的极性，这种键称为极性共价键。,例如:,.,45,两个相同原子形成共价键时，因电负性相同，成键电子均匀分布在两原子周围，正负电荷中心重合，这种键无极性，称为非极性共价键。例：H-H，Cl-Cl，CH3-CH3等。,.,46,键极性的度量定性的相对比较:键的极性大小主要取于成键两原子的电负性值之差。例如，H-O极性大于H-N键的极性。,.,47,碳、氮在不同杂化状态下的电负性值,定量的度量：由键偶极矩DipoleMomentsofbonds（又称键矩）来度量。:键偶极矩单位：Cm=qdq:正电荷或负电荷中心电量单位：Cd:正负电荷中心间距离单位：m,极性键的表示：偶极矩是向量,用一箭头表示指向键的负电荷端.如:,.,48,分子的极性由组成分子的各共价键极性决定的。分子的极性大小用分子的偶极矩度量。分子的偶极矩等于组成分子的各共价键偶极矩的矢量和。,CH4的偶极矩为零非极性分子,CH3Cl的偶极矩为6.2410-30C.m,例：,分子的极性,.,49,多原子分子偶极矩是各个共价键偶极矩的矢量和,.,50,多原子分子偶极矩是各个共价键偶极矩的矢量和,=0（C.m),=6.47x10-30（C.m),=3.28x10-30（C.m),偶极矩为零的分子是非极性分子；偶极矩不为零的分子是极性分子；偶极矩越大，分子极性越强。,.,51,一些常见化合物气态时的偶极矩,绝大多数有机化合物分子都有共价键，共价键的键长，键能反映了键强度，分子的热稳定性；键角反映了分子的空间形象；键的极性反映了分子化学反应活性和影响分子的物理性质。,.,52,2）诱导效应(Inductiveeffect)键的极性在链上传递诱导效应,取代酸的酸性羧酸的酸性大小,可用酸在水溶液中解离平衡常数法表示:,.,53,酸性变化的规律：酸中的氢被卤原子取代，酸性增强；被烷基取代，酸性变弱。在烃基的同一位置引入的卤原子数多，酸性增加得多；引入烷基多，酸性变弱得多。引进的卤原子离羧基近，酸性大。引进卤原子形成的碳卤键极性大，酸性增加。,.,54,诱导效应（Inductiveeffect）卤原子取代氢原子后形成X-C极性键，使成键电子偏向卤原子XC，与这个X-C键相接的共价键的成键电子对受极性键的影响产生极化，如此影响下去，XCC=OOH，到羟基的O-H时，使O-H的成键电子对也偏向氧原子，H原子以质子H+的形式离开的趋势增大，酸性变大。诱导效应：因分子中原子或基团的电负性不同而引起成键电子云沿价键链向某一方向移动的效应称为诱导效应，又称为I效应。,.,55,诱导效应作用的范围诱导效应沿价键链传递随着价键链的增长而迅速衰减，一般传递三个化学键后，诱导效应的影响可以忽略不计，计算含氯的碳链上原子静电荷分布情况为：,-+-,吸电子诱导效应(如X):-I；给电子诱导效应(如Y)：+I（与H为比较标准）,.,56,1判断下列叙述的正确性:甲烷分子的四个C-H的离解能相等。甲烷分子的四个C-H的离解能不相等。甲烷分子的C-H键能相等。甲烷分子的C-H键能不相等。键能就是键的离解能。分子中的各种键的键能等于同种键的离解能的平均值。键的偶极矩是矢量。,课堂练习,.,57,1.5分子结构和结构式表示法概念,分子的构造（Constitution）,分子中原子间相互连接的顺序和方式。,构造式,表示分子构造的化学式。,分子的结构(Structure),分子中原子间相互结合的顺序和方式（包括各原子或基团在空间的分布）。,结构式,表示分子结构的化学式叫结构式。,.,58,有机化合物分子的构造须用构造式表示,有机化合物是含碳的化合物。碳与本身或H、O、N、P、S、X等原子以四个共价键相连。可形成碳链、碳环，也可与杂原子（除碳以外）形成杂链或杂环。碳原子可以单键、双键、三键方式与自身或其它原子相连。因此分子式已不能表示惟一的化合物，必须用构造式。,.,59,路易斯构造式：也称电子式。用一对电子表示一个共价键，放到成键两原子之间。这种表示优点是各原子的成键关系、价电子数清楚；缺点是书写麻烦。,构造式的书写方法,注意：.要把所有的价电子都表示出来；,.共价键上的电子分属于所连的两个原子，孤电子对属于某一个原子；,.,60,短线（蛛网）式：用一短线表示一个共价键，放在成键两原子间。其缺点是书写麻烦，占篇幅。,缩简式：将碳碳、碳氢之间的键线省略，双键、三键保留下来。即把成键的两原子放在一起，必要时再用短线表示共价键，这是目前使用较为普遍的书写方法。,.,61,各种表示方法如下表：,Lewis电子式,价键式(短线构造式),缩写(简)式,甲烷,乙烯,乙炔,单键,双键,叁键,.,62,氯甲烷,乙醇,丙酮,Lewis电子式,（2）,价键式(短线构造式),缩写(简)式,.,63,键线式：只表示出碳链或碳环（统称碳架或分子骨架）和除碳氢原子以外的原子或基团与碳原子连接关系，在链或环的端点、折角处表示一个碳原子，这种方法简便，表示清楚，被普遍接受。注：双键、三键保留下来。,.,64,用键线式简化结构式,省略了什么？,.,65,1-丙醇环戊烷,短线式缩简式键线式,脂肪族化合物常用缩简式、环状化合物常用键线式！,.,66,有机反应中共价键的断裂方式,X:YX.+Y.共价键断裂时形成共价键的两个电子平均分到形成共价键的两个原子或基团上的断裂方式，称共价键的均裂。,1共价键的均裂（homolysis）,共价键均裂的反应称为均裂反应，也称为自由基型反应。,1.6共价键的断裂和反应类型,.,67,产生均裂反应的条件：共价键本身多数为非极性共价键光照、受热（高温）、电磁辐射等外部条件自由基引发剂的引发,2共价键的异裂（heterolysis）,X:YX:-+Y+X:YX+Y:-共价键断裂时，形成共价键的两个电子，非均匀地分在形成共价键的两原子或基团上，形成带有一对电子的负离子和未带电子的正离子，这种断裂方式称为共价键的异裂。,共价键异裂的反应称为异裂反应，也称为离子型反应。,.,68,产生异裂反应的条件：共价键本身多数为极性共价键，极性越强,越容易异裂催化剂的作用多数是极性试剂作用的结果溶剂是极性的,.,69,3.有机反应的类型,自由基型反应离子型反应协同反应（周环反应）,.,70,1）开链化合物,1-丁烯2-甲基丙醇,2）脂环化合物,环戊烷环辛炔环己醇,1.7有机物的分类,17.1根据C的骨架分类,.,71,3）芳香族化合物,苯酚硝基苯萘,4）杂环族化合物,呋喃吡啶2-呋喃甲醛,1.7.2根据官能团分类,官能团分子中比较活泼而易发生反应的原子或基团。它通常决定化合物的主要性质。,官能团是学习有机化学的切入点,.,72,.,73,有机物,烃,烃的衍生物,链烃,环烃,饱和烃,不饱和烃,脂环烃,芳香烃,卤代烃,含氧化合物,含氮化合物,醇、酚、醚,醛、酮,羧酸和羧酸衍生物,杂环化合物,硝基化合物,胺,重氮和偶氮化合物,CH3CH3,CH3Br,CH3OH,CH3-O-CH3,CH3CHO,CH3COOH,CH3NO2,CH3NH2,CH2CH2,CHCH,.,74,一、饱和烃的来源及加工,沼气和天然气（1）沼气动物类粪便、植物落叶、杂草等隔绝空气经发酵，得到气体，其中65%为甲烷，是农村重要能源。（2）天然气天然气广泛存在于自然界，其中主要成分是低碳数烷烃，常常含75%的甲烷、15%的乙烷、5%的丙烷。,1.8有机化合物的天然来源,.,75,（3）甲烷的加工甲烷高温裂解制备乙炔甲烷卤化、硝化可以得到各种氯代物和硝基甲烷。甲烷裂解制备碳黑。甲烷水解制备合成气（CO+H2），由合成气合成氨及甲醇等。,.,76,2.石油(1)石油石油主要成分是链烷烃、环烷烃和芳烃，还有些含有少量的氧、硫、氮等有机化合物。(2)石油加工根据石油中各种烃类的沸点不同，分馏成不同的馏分，例如可分馏成下列馏分:,.,77,.,78,炼厂得到的重馏分（如重柴油）在高温下裂化，得到质量较高的汽油。为了得到化工原料，把低碳烷烃（如石脑油）进一步裂解成乙烯、丙烯、丁稀、丁二烯等化工基本原料。,.,79,3.煤,煤,隔绝空气9501050,干馏,焦炉气,煤焦油,焦炭,4.农副产品及其他生物质，可再生,绿色植物通过光合作用直接产生或间接衍生的所有物质即为生物质,.,80,.,81,1.9有机化学和有机化工的“绿色化”,绿色化学又称环境无害化学，由此发展的技术称环境友好技术或洁净技术：即利用化学原理在化学品的设计、生产和应用中即消除或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有毒有害物质的使用和产生，设计研究没有或只有尽可能少的环境负作用、在技术上和经济上可行的产品和化学过程。,.,82,绿色化学的重要性迄今为止。化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开发的。近年来，由于化学工业向大气、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物质。1992年，美国化学工业用于环保的费用为1150亿美元，清理已污染地区花去7000亿美元。1996年美国DuPont公司的化学品销售总额为180亿美元。环保费用为10亿美元。所以从环保、经济和社会的要求看，化学工业不能再承担使用和产生有毒有害物质的费用。需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。,.,83,从科学观点看化学科学基础的创新从环境观点看从源头上消除污染从经济观点看合理利用资源的能源，降低生产成本,绿色化学的主要特点1、化学反应的原子经济性。2、化学反应的清洁性3、化学工艺的循环性和闭路性。4、化学反应技术的可持续性5、化工生产的可持续性,绿色