有机化学课件绪论PPT课件

1、1第一节 有机化合物和有机化学1.1.有机化合物：碳化合物、碳氢化合物及其衍生物。 C C、H H（O O、N N、X X、P P、S S）2. 2. 有机化学：研究有机化合物来源、制备、结构、性能、应用以及有关理论、变化规律和方法学科学。 三项内容：分离、结构、反应和合成 分离 从自然界或反应产物通过蒸馏、结晶、吸附、萃取、升华等操作孤立出单一纯净的有机物。 结构 对分离出的有机物进行化学和物理行为的了解，阐明其结构和特性。 反应和合成 从某一有机化合物( (原料) )经过一系列反应转化成一已知的或新的有机化合物( (产物) )。第1页/共51页23. 有机化学的发展及其研究热点。1806年

2、，柏则里乌斯提出“有机化学”这一名词和“生命力”学说“成为有机”(Organic) “有机体” (Organism) 的来源1828年，德国化学家魏勒(Whler,F.)制尿素：1845年，柯尔伯(H.kolber) 制得醋酸；1854年，柏赛罗(M.berthelot)合成油脂类化合物；尔后，布特列洛夫合成了糖类化合物；.有机物可来源于生物体也可由无机物转化而来。迄今已知的化合物超过2000万(主要通过人工合成)，其中绝大多数是有机化合物。第2页/共51页3三. 有机化学的发展及其研究热点。1、 从有机体内提取有机物 （ 1773 1805） 酒石酸、尿酸、乳酸等 “生命力”学说 2、 由提

3、取进入到提取合成并举的时代 （ 1806 1828 1854）1828年， F.Wohler：合成尿素 从无机物合成得到有机物 1845年，柯尔伯(H.kolber) 制得醋酸；1854年，柏赛罗(M.berthelot)合成油脂类化合物；尔后，布特列洛夫合成了糖类化合物；. 第3页/共51页43、进入合成时代 （1849 1900 ）标志性成果维生素B12 牛胰岛素 紫杉醇4、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。有机物可来源于生物体也可由无机物转化而来。迄今已知的化合物超过20002000

4、万( (主要通过人工合成) )，其中绝大多数是有机化合物。 第4页/共51页5第5页/共51页6 当代有机化学发展的一个重要趋势：与生命科学的结合。19801980年(DNA)1997年(ATP)与生命科学有关的化学诺贝尔奖八项； 有机化学以其价键理论、构象理论、各种反应及其反应机理成为现代生物化学和化学生物学的理论基础；在蛋白质、核酸的组成和结构研究、顺序测定方法的建立、合成方法的创建等方面，有机化学为分子生物学的建立和发展开辟了道路； 确定DNADNA为生物体遗传物质, , 是由生物学家和化学家共同完成； 人类基因组“工作框架图”组装后基因组计划序列基因(Sequence Genomics

5、)结构基因(StructuralGenomics)功能基因(Functional Genomics)。第6页/共51页7有机化学特别是生物有机化学参与研究项目：l 研究信息分子和受体识别的机制; ;l 发现自然界中分子进化和生物合成的基本规律; ;l 作用于新生物靶点的新一代治疗药物的前期基础研究; ;l 发展提供结构多样性分子的组合化学; ;l 对于复杂生物体系进行静态和动态分析新技术，等等。第7页/共51页8有机新材料( (分子材料) )化学1. 1. 化学结构种类多； 2. 2. 能够有目的地改变功能分子的结构，进行功能组合和集成；3. 3. 能够在分子层次上组装功能分子，调控材料的性能

6、。当前研究的热点领域：1. 1. 具有潜在光、电、磁等功能的有机分子的合成和组装2. 2. 分子材料中的电子、能量转移和快速反应过程的研究；3. 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；4. 4. 探索新型分子材料在光电子学和微电子学中的应用等第8页/共51页9有机化合物的特点：1. 有机物中原子间通常以共价键方式相互结合；2.2.结构复杂； 3.3.熔点、沸点较低；一般m.p 300；例：HOAc(M=60)：m.p 16.6，b.p 118（弱的分子间引力） NaCl(M=58.5)：m.p 800，b.p 1440（强的离子间静

7、电引力） 4.4.容易燃烧； (1)(1)易燃、易爆( (如汽油、酒精等) )； (2) (2) 热稳定性差，受热(200(200300)300)易分解；第9页/共51页10 5.5.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) )。 6.反应速度慢,反应复杂，副产物多。 有机反应产率达80%80%相当可观，有40%40%的产率就有合成价值。 第10页/共51页11(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

8、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。 第11页/共51页12例1：2-甲基丙醇的表示方法： H C C C O HH H HHH C HHHH-C-C-C-O-HHH HHHH-C-HHCH3CHCH2OHCH3(CH3)2CHCH2OH或OH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第12页/共51页13例2：苯的构造式 CCCCCCHHHHHHCCCCCCHHHHHHCHCHCHCHCHCH或路易斯式短线式键线式缩简式第13页/共5

9、1页14(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 第14页/共51页15 共价键最基本特点: 具有饱和性饱和性和方向性方向性。 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。 第15页/共51页16(1) 共价键的形成 描述共价键的两种理论：l 价键理论：形象直观，定

10、域的观点，常用于描述非共轭体系；l 分子轨道理论：离域的观点，常用于描述共轭体系。l 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。 第16页/共51页17(甲) 价键法 激发杂化(线性组合)4个sp 杂化轨道33个sp2p轨道2个spp轨道(sp 杂化)3(sp 杂化)(sp杂化)2C:2s 2p22s轨道p轨道 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：第17页/共51页18(i) sp3杂化 甲烷分子中的碳原子采取sp3杂化。杂化的结果：sp31. sp3轨道具有更强成键能力和更大的方向性。 2. 四个sp3杂化轨道完全

11、相同，取最大的空间距离为正四面体构型，轨道夹角为109.5。 构型原子在空间的排列方式。 3. 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CH键。 第18页/共51页19(ii) sp2杂化 乙烯分子中的碳原子采取sp2杂化。 杂化的结果： 120。C3个sp 杂化轨道2取最大键角为120 。未参加杂化的p轨道与3个sp 杂化轨道2垂直sp3sp2sp2轨道的s成份更大些 HHHHCCHHHHCC未参与杂化的p轨道间肩并肩重叠形成键3个sp2杂化轨道取最大键角120 未参加杂化p轨道与三个sp2杂化轨道垂直第19页/共51页20(iii) sp杂化 乙炔分子

12、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 C CC CC CH HH HHHCC1. sp杂化轨道的s成分更大，电子云离核更近!2.两个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-CC-C键的圆筒形。 第20页/共51页21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

13、C、CN等。 第21页/共51页22(乙) 分子轨道法 分子轨道理论主要用来处理p p电子或电子 。 乙烯分子中有两个未参加杂化的p p轨道，这两个p 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) )： 第22页/共51页23p(p(能量* +-节面+-有一个节面+-无节面+-( )(* )第23页/共51页24(2) 共价键的基本属性 (一) 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：CC CC 键长0.154nm CH 0.154nm CH 键长0.109nm0.109nm C=C C=C 键长0.133nm CO 0.133nm

14、 CO 键长0.143nm0.143nm 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：键长越短，化学键越牢固，越不容易断开。 第24页/共51页25第25页/共51页26第26页/共51页27(二) 键能： 键的平均解离能。 例如：.CH3CH4+ HCH3.CH2+HCH2.CH.H+.CH.C.+HH=423KJ/molHH=439KJ/mol=347KJ/molH=448KJ/mol 平均值：(423+439+448+347)4=414KJ/mol CH的键能为414KJ/mol。化学键的键能越大，键越牢固。第27页/共51页28第28页/共51页29(三) 键角 键与键

15、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。 CHHHH在纸面前方在纸面后方在纸面上立体透视式的写法第29页/共51页30 (四) 键的极性和极化性 a. 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： H Cl CH3 Cl CH3 OH， 通常： 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0.51.6，形成极性共价键。第30页/共51页31 键的极性用偶极矩(键矩)来度量： qd 的单位：Cm(库仑米) q正、负电中心的电荷， d 电荷中心之间的距离 例：HCl CH3Cl 第31页/共51页32b. 分子的极性 键的极性可引起分

16、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。 有极性有极性CHHHH无极性H HO OH HO OC CO O无极性ClCHHH第32页/共51页33c. 键的极化度 外电场作用下，共价键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： CO CO；II BrBr ClCl；极化度： CI CBr CCl CF；第33页/共51页34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

17、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。 第34页/共51页35(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、加热或有过光照、辐射、加热或有过氧化物氧化物存在。 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。 自由基参与的反应叫做自由基反应或均裂反应。 A BA + BCH3 + H ClH CH3 + Cl 均 裂(甲) 断键方式与反应类型第35页/共51页36异裂A BA+ + B-(CH3)3C Cl(CH3)3C+ + Cl- 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

18、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。 第36页/共51页37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( (协同进行) )。+环己烯CH2CH21,3-丁二烯环状过渡态=例：第37页/共51页38有机反应的类型有机反应的类型 烯烃的 卤代烷烃的卤代、烯烃的反马式加成苯环上的“四化”反应烯烃水合、炔烃加卤素等卤代烃的水解、氰解等 醛、酮加HCN、NaHSO3等有机反应类型自由基反应离子型反应自由基加成自由基取代亲电反应亲核反应亲电加成亲电取代亲核取代亲核加成双烯合成等周环反应消除反应卤代烃脱HX、醇脱水等 第38页/共51页39(乙)

19、 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： CH4 + Cl2CH3 Cl+ HClh自由基试剂Cl2(氯自由基)2Cl 光或热常见的自由基试剂：X2、过氧化物(R-O-O-R)、偶氮化物(R-N=N-R)等。 第39页/共51页40 亲电试剂 常见的亲电试剂： H+、Cl+、Br+、SO3、BF3、AlCl3、+NO2等。 亲电试剂特点：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： RCH2Cl + AlCl3R+CH2AlCl4-亲电试剂第40页/共51页

20、41 亲核试剂 对碳原子核有亲合力的试剂是亲核试剂。例如： CH3CH2-Br + OH-CH3CH2-OH + Br-亲核试剂常见的亲核试剂： OH-、NH2-、CN-、H3CO-、H2O、NH3等。亲核试剂特点： 1.有负电荷或孤对电子。 2.亲核试剂在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。第41页/共51页42 试剂与酸碱 布伦斯特(Brnsted)(Brnsted)酸碱 能给出质子者为酸( (如HClHCl、CHCH3 3COOH)COOH)； 能与质子结合者为碱( (如OHOH- -、NHNH3 3等) )；路易斯(lewis)(lewis)酸碱

21、能接受外来电子对者为酸( (如H H+ +、FBFB3 3、AlClAlCl3 3等) )； 能给出电子对者为碱( (如ClCl- -、OHOH- -、NHNH3 3、H H2 2O O等) )。所有lewis酸都是亲电试剂；所有lewis碱都是亲核试剂。第42页/共51页43讨论：l 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；l 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。l 亲电试剂首先进攻碳原子的反应称为亲电反应。 亲核试剂首先进攻碳原子的反应称为亲核反应。 例： CH3CH2O Na + CH3BrCH3CH2OCH3 + NaBr亲核取代第43