有机化学课件第一章-绪论

organicchemistry,有机化学,教材：有机化学（第三版）（上、下册）胡宏纹高等教育出版社出版,辅导教材：基础有机化学（第三版）邢其毅、裴伟伟基础有机化学习题解答与解题示例邢其毅、徐瑞秋、裴伟伟编北京大学出版社出版,教学安排第一学期：第一章第十一章11月中旬考试（前六章）第二学期：第十二章第二十二章注：1.两册书的内容，融合在一起。,考试和成绩期中和期末考试各一次课堂练习多次成绩评定的主要因素：期末考试（70%）成绩评定的其它因素：习题完成情况、学习态度和出勤率等,关于习题每节课后根据教学内容自行安排一定量的练习每次课堂测试当堂交作业课后的习题和练习自行完成，随堂抽检。鼓励完成课堂布置思考题,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,反应物,产物,学习中应注意的几个方面,有机化合物的结构与反应,反应,性质,结构,有机反应与反应机理,有规律的反应,特殊反应,反应原理反应过程机理反应规律,有机反应的应用有机合成,简单化合物,多步反应,复杂分子,?,反应物,如何步骤最少产率最好,性质,上课纪律的要求：,1、每节课前关闭手机；上课玩手机发现后没收。2、每次课提前五分钟到课堂；3、值周班干必须在每次课前点名，向老师汇报本班到课情况。旷课三次补考，考试作弊补考。4、上课不得吃东西。,第一章绪论,1-1有机化学研究的对象,1-2有机化合物结构,1-3有机化合物的分类,一、有机化学与有机化合物,1-1有机化学的研究对象,什么是有机化合物呢？,C8H18、C15H32、C2H5OH、C6H12O6、CH3COOH,涵义：“有生机之物”,瑞典化学家贝格曼(T.D.Bergman)于1777年将化学分为“无机”和“有机”两大类。,从组成上看主要含有C、H还有O、N、X、S、P等,“有机化学”是由当时在世界上享有盛名的瑞典化学家贝采利乌斯(Berzelius.J.J.1979-1848)于1808年首先引用，以区别于矿物的化学无机化学。其引用有机化学这个名词并将有机化学与无机化学绝对分开是基于“生命力论”。,1874年肖莱马（Schorlemmer.C.18341892）：将有机化合物定义为“碳氢化合物及其衍生物”,1851年葛美林（Gmelin.L.17881853）和凯库勒（Kekule.A.18291896）等：“含碳的化合物称为有机化合物”,但CO、CO2、Na2CO3、KCN等为无机化合物。所以含碳化合物不一定是有机化合物，但有机化合物一定是含碳化合物,有机化学：研究碳氢化合物及其衍生物的化学分支。,为什么有机化学要作为一门独立学科呢？,C-C结合力强,同分异构体的产生,碳与碳之间可以多种方式结合,碳与碳之间可以C-C、C=C、CC相互结合，并且可以形成链状或环状。,性能特点：,原子间主要以共价键结合；,（活化分子）,（增加分子热运动）,反应速度慢、副反应多。,有机和无机的差別,但对有机物纯物质的认识和制备，并发展成为化学领域的一个极其重要的学科有机化学，迄今不足200年。,古代（周朝）懂得造纸、酿酒,18世纪末期开始制备分离,分离提纯阶段（第一阶段）,二、有机化学的起源与发展,但这一成就未能立即给“生命力”以致命的打击。由于维勒当时所用的氰酸铵是依赖有机物制成的，“生命力”维护者争辩说：“生命力”即在维勒所用的氰酸铵中。,1806年斯图萘尔（sertner)首次从鸦片中分离出第一个生物碱-吗啡，直到1952年才确定了其结构，并为全合成所证实。,这对于认识有机化合物无疑是一个重要阶段。但还未能用人工方法合成出有机化合物。因当时盛行的“生命论”，从而阻碍了有机合成的发展。,1854年柏赛罗（M.Berthelot）合成了油脂。,1845年德国有机化学家科尔伯（HKolbe）从无可争辩的无机物制成了公认为有机物的醋酸：,标志着有机化合物与无机化合物之间并没有绝然的界限。它们遵从着同一规律，因此，有机化合物和有机化学就失去了它原来的含义。,1858年德国化学家凯库勒（FAKekule）和英国有机化学家库帕（ASCouper）分别提出了“碳的四价概念”和“碳碳可以相互结合成键”的学说。为有机化学结构理论的建立奠定了基础。,1861年俄国化学家布特洛夫（AMButlerov）提出了“化学结构概念”。认为有机分子中的原子不是机械堆积，而是按一定化学关系结合，化学结构决定化学性质。,1874年荷兰化学家范霍夫（JHVantHoff）和法国化学家勒贝尔（JALebel）同时提出了组成有机化合物分子的“碳原子的四面体构型”学说，建立了有机立体化学的基础，并阐明了旋光异构体现象。,1885年德国化学家拜尔（ABaeyer）提出了环状化合物的“张力学说”，至此建立了有机化学经典结构理论。,到了二十世纪20年代以来，随着量子力学的引入，近代分析方法和实验技术的不断发展及电子计算机的广泛应用，有机结构理论迅速发展，提出了“价键理论”、“分子轨道理论”和“分子轨道对称守恒原理”，揭示了化学键的微观本质，建立了现代结构理论的基础，使理论有机化学沿着微观和定量的方向迅速发展。,近年来由于生物学的发展，对于复杂的生命现象的研究已进入分子的水平，是分子的形成、运动及变化的过程。这些分子主要是有机分子，这些复杂分子结构，随着物理及化学的发展而被一一阐明（如胆甾醇、血红素、叶绿素等）。尤其是对核酸、蛋白质的结构研究，现在也已进入一定程度，并了解到二者在控制遗传信息的传递、高等动物的记忆活动等许多方面的特殊作用。彻底揭开其结构的奥秘，将使生物体及生命现象的研究进入一个新水平。研究有机化学的深远意义之一是在于研究生物体及生命现象。,我国在天然有机化合物的合成领域处于世界领先水平，1965年合成了具有生理活性的蛋白质结晶牛胰岛素（化学通报，1965.5P257-285)；,1979年完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的半合成，1981年完成了全合成（化学通报，1982.12P28）,有机化学是涉及大量天然物质和合成物质的独特的学科，这些物质直接关系到人类的衣、食、住、行。,三、有机化学的重要性,当今世界有机化学：1、很多复杂的分子结构被阐明，其中很多具有强烈的生理作用，为其他学科提出了大量研究课题；2、合成与天然物完全相同的分子；3、对天然分子进行改性；4、用计算机进行有机合成的设计工作。,有机化学中，有机合成占有独特的核心地位。21世纪，要实现“理想的”合成法。强调实用、环境友好、资源可持续利用。简单原料、条件温和，经过简单步骤，快速、高选择性、高效地转化为目标分子绿色合成,如：Woodward等完成VB12全合成；1989年美国Harvard大学kishi教授等完成海葵毒素(palytoxin)的全合成。,Woodward等完成VB12全合成（1965年获诺贝尔化学奖）,当前研究的热点领域：1.具有潜在光、电、磁等功能的有机分子的合成和组装；2.分子材料中的电子、能量转移和一些快速反应过程的研究；3.研究分子结构、排列方式与材料性能的关系，发展新的分子组装的方法，探讨产生特殊光电磁现象的机制；探索新型分子材料在光电子学和微电子学中的应用。,有机化学与我们有着千丝万缕的关系，学习有机化学就是要改善我们的生活与生产。既然我们以化学为未来的事业贡献聪明才智，学习有机化学就有了巨大的动力和责任感。,生物化工、功能材料、生物科学与有机化学结合，形成新的产业部门。,有机化合物分子中各原子之间一般是以共价键连接起来的。对于共价键形成的理论解释，常用的有两种方法。,一、价键理论,共价键的形成，可看作是原子轨道的重叠或电子配对的结果。,1-2有机化合物结构,共价键的本质是在1927年由海特勒（Heitler）和伦敦（Lodon）用量子力学处理氢分子后才得以阐明的。,假定分子的原子具有未成对电子且自旋方向相反，就可以配对偶合，每一对电子形成一个共价键；,原子的未共用电子数就是它的原子价数；,如果一个原子的未共用电子已经配对，它就不能再与其它未成对电子配对，这种性质叫做共价键的饱和性；,电子云重迭的程度越大，形成的价键越稳定，因此原子轨道要尽可能在键轴方向上实现最大程度的重迭，这种性质叫做共价键的方向性；,能量相近的原子轨道可进行杂化形成能量相近的杂化轨道，这样可加强其成键能力，成键后达到最稳定的状态。,主要内容,分子轨道理论认为共价键的形成是由于成键原子的原子轨道相互重叠后，重新组合成整体的分子轨道的结果。,分子轨道理论与价键理论的不同之处是成键电子不再定域在个别原子上，也不定域在两个成键原子之间，而是离域到整个分子中运动。,两个原子轨道充分接近后，能通过原子轨道的线性组合，形成两个分子轨道。其中，能量低于原来原子轨道的分子轨道叫成键轨道，能量高于原来原子轨道的分子轨道叫反键轨道。,二、分子轨道理论,组成分子轨道的三个条件,a、对称匹配（对称性相同）组成分子轨道的原子轨道的符号（即位相-波相）必须相同，才能匹配组成分子轨道。就是说，原子轨道在不同的区域有不同的波相，相同的波相重叠，能有效的成键，不同的波相重叠，不能有效的成键，如：Py与Py轨道重叠，波相相同，即对称性相同，能有效的成键组成分子轨道；,而S轨道与Py轨道是有部分重叠，但因其中一部分波相相同，一部分波相不同，两部分正好抵消，所以不能有效的成键。,b、原子轨道重叠部分要最大两个原子轨道重叠时还必须有一定的方向性，以使重叠最大，最有效，组成的键最强。c、能量相近组成分子轨道的两个原子轨道的能量比较接近，这样，才能有效的成键，成键的原子轨道的能量差愈小愈好。,为什么两个原子轨道必须能量相近才能成键？根据量子力学计算，两个能量相差很大的原子轨道组成分子轨道时，在成键轨道中含有能量较低的原子轨道成分较多，因此成键轨道1+2的能量与原子轨道1的能量很接近也就是在成键过程中能量降低很少，故不能形成稳定的分子轨道。,三、共价键的属性（参数）,共价键的键长、键角、键能和键的极性是共价键的基本性质，称为共价键的属性或共价键参数。,同一类型的化合物连接不同的原子（基团）键角有所不同。,键能是指一个共价键的强度，一般共价键结合得牢固，则其键能就大。,键能是指破坏或形成某一个共价键所需的平均能量。一般来说，有机分子的键能越小，键就越活泼；键能越大，键就比较稳定。,双原子分子键能也就是键的离解能；多原子分子同类型共价键的键能，是各个键离解能的平均值。,4.键的极性与偶极矩,分子中以共价键相连的原子吸引电子的能力是不同的。电负性大吸引电子能力大。电负性小吸引电子能力小。,共价键极性的大小是用键的偶极矩来量度的。键的极性大，偶极矩大。键的极性小，偶极矩小。,分子的偶极矩可以是分子本身所固有的，也可在外界电场作用下产生,前者称为分子的永久性偶极矩,后者称为诱导偶极矩。,=0D,=0D,双原子分子的极性就是其键的极性，可书写如下：,多原子分子的极性是各个价键极性的矢量和。偶极矩是矢量,具有方向性。,断裂方式：决定于分子结构和反应条件。,四、共价键的断裂与反应类型,共价键是有机物中的主要价键类型，有机化合物之间的化学变化大都涉及到共价键的断裂和形成。,有机反应的基本类型,自由基反应：按均裂进行的反应,离子型反应：按异裂进行的反应,条件：一般游离基反应多在高温或光照或过氧化物存在下进行。,协同反应：反应过程中键的断裂与生成是同时发生的的反应,条件：一般是在酸或碱的催化下，或在极性介质中，有机分子通过共价键的异裂形成个离子型的活性中间体而完成的。,五、分子间的力,1、偶极偶极作用力：这种力产生于具有永久偶极的极性分子之间。,化学键是决定分子化学性质的重要因素。,分子间的作用力从本质上说都是静电作用力。主要来自于分子的偶极间的相互作用，分子间作用力有以下三种：,分子间的作用力是决定物质物理性质(如沸点、熔点、溶解度等)的重要因素。,一个分子带部分负电荷的一端便会排斥另一个分子的带部分负电荷的一端而吸引其带部分正电荷的一端，这样分子之间便会以正、负相吸定向排列，所以这种力也叫定向力。,2、色散力：非极性分子内由于电子的运动在某一瞬间，分子内的电荷分布可能不均匀，而产生一个很小的暂时偶极，这个暂时偶极又可影响周围分子也产生暂时偶极。暂时偶极虽然会很快消失，但它又不断地出现，因此总的结果是在非极性分子间产生一种极弱的引力，这种引力就叫做色散力。,色散力的大小与分子的极化率有关，分子的极化率越大，分子间的色散力也越大。,极化率是指一个中性分子由于邻近的具有永久或暂时偶极的分子的作用而产生偶极的能力。,极化率：RIRBrRClRF,特点：色散力的作用范围较小，只在分子间靠得很近的部分才起作用，也就是它和分子的接触面积有关,3、氢键：当氢原子与一个原子半径较小、而电负性又很强并带未共用电子对的原子Y(Y主要是F，O和N)结合时，由于Y的极强的拉电子作用，使得HY问电子密度主要集中在Y一端，而使氢原子几乎成为裸露的质子而显正性，这样，带部分正电荷的氢便可与另一分子中电负性强的Y相互吸引而与其未共用电子对以静电引力相结合，这种分子间的作用力叫做氢键。,特点：分子间作用力中最强的；在特定情况下，分子之内也能形成氢键。,4、分子间的作用力对物质的某些物理性质的影响,对沸点和熔点的影响：非离子型化合物是以共价键结合起来的，它的单位结构是分子，其气体分子凝聚成液体、固体就是靠分子间作用，要比化学键能小一二个数量级，因此需要克服这种分子间的作用力的温度也就较低，一般有机化合物的熔点、沸点很少超过300度。沸点:非离子型化合物的沸点与分子量的大小、分子的极性、色散力和氢键都有关。a、分子极性愈大，偶极-偶极作用愈大，沸点愈高。b、如果分子极性相同，则分子量愈大，色散力也愈大，故沸点随分子量升高而升高。如：CH3Cl-24度，CH3CH2Cl12.5度，CH3CH2HCH2Cl47度c、如果分子极性相同，分子量也相同，则分子间接触面积大的，色散力大，沸点高。如：正戊烷沸点:36度,新戊烷沸点:9度d、分子量接近,分子内OH键愈多,形成氢键愈多,沸点愈高。如：.CH3CH2CH2OH沸点97度HO-CH2-CH2-OH沸点197度,熔点:除与上述分子间作用力有关外,还与分子在晶格中排列的情况有关,一般讲,分子对称性高,排列比较整齐，熔点较高.如:新戊烷熔点:-17度,正戊烷熔点:-160度因前者分子对称性高,结构比较紧密,分子间吸引力大,故熔点较后者为高.对溶解度的影响对非离子型化合物有一个经验规律相似的溶解相似的,就是极性大的分子与极性大的分子相溶,极性弱的分子与极性弱的分子相溶.这个经验规律可以由分子间作用力来说明,例如甲烷和水,它们本身分子间均有作用力,甲烷分子间有弱的范德华力(色散力）,水分子间有较强的氢键吸引力,而甲烷与水之间虽有很弱的吸引力,因此不易互溶。又如水与甲醇,均有活泼氢可以形成氢键,水中的氢键与甲醇中的氢键可以互相代替,因此水和甲醇可以互溶。,六、有机化学中的酸碱概念1、勃朗斯德(Brnsted)酸碱质子论,酸是质子的给予体，碱是质子的接受体,酸碱可以带正电荷或带负电荷或为中性分子,在一个反应中是酸，而在另一个反应中可以是碱。,酸性越强，解离出质子后的共轭碱的碱性越弱。,如何判断化合物的酸性强弱？,主要取决于化合物离解出H+后的负离子稳定性。负离子越稳定则原来的化合物酸性越强。,2、路易斯(lewis)酸碱电子论,酸是电子对的接受体，碱是电子对的给予体。,lewis酸具有亲电性，lewis碱具有亲核性。,常见的lewis酸：,常见的lewis碱:,七、有机化合物的研究顺序,分离提纯元素分析和实验式确定3.相对分子质量的确定及分子式的确定4.有机化合物结构测定化学方法官能团分析、化学降解及合成物理方法红外(IR)、紫外(UV)、核磁(NMR)、质谱(MS)、气液色谱和X衍射等。,一、按碳架分类,1-3有机化合物的分类,如：,以上分类只是从有机物母体（或碳干）形式分，并不反映其性质，实际也不反映其结构本质。,二、按官能团分类,三、有机分子结构构造式的几种表示方法,1.短线式（蛛网式）,2.普通式（结构简式）,3.键线式,对有机化学和农业化学有重要贡献。建立了有机化合物的元素分析方法，这个方法现在仍在使用。他是一位伟大的教育家，他非常重视实验。培养了一大批优秀的化学家。如：霍夫曼、凯库勒、范特霍夫、阿累尼乌斯、拜尔等都是从李比希的学生。到1960年获诺贝尔化学奖的60人中有44人是出自李比希的门下。,1768年被选为法国科学院院士。同年当上了收税官。1793年11月法国逮捕所有的收税官（28名），1794年5月全部处死。著名数学家拉格朗日说：“他们可以一瞬间把他的头割下，而他那样的头，百年也许长不出一个来”他对化学的主要贡献有：1、用燃烧的氧化理论代替燃素学说。这是一场真正的革命。2、使化学具有空前的条理性。他的“化学命名法”和“化学纲要”两书的基本内容沿用至今。3、全面阐述了质量守恒定律。4、把燃烧理论用于有机分析。拉瓦锡知识渊博，是一位伟大的化学家，近代化学的奠基人。,贝采利乌斯