奥赛讲座之有机化学

1、高中化学奥林匹克竞赛系列讲座（四）高中化学奥林匹克竞赛系列讲座（四）福清一中化学组福清一中化学组1.1、有机化学历史和展望、有机化学历史和展望 1828年德国化学家武勒从典型的无机化合物氰酸钾与氯化年德国化学家武勒从典型的无机化合物氰酸钾与氯化铵，合成了有机物尿素。铵，合成了有机物尿素。kocn + nh4cl co(nh2)2 + kcl我国科学家在我国科学家在20世纪世纪60年代首次合成具有生物活性的蛋白质年代首次合成具有生物活性的蛋白质 -结晶牛胰岛素结晶牛胰岛素1、有机化学概述、有机化学概述1.2、碳原子的成键特征、碳原子的成键特征1.2.1、共价数、共价数 根据共价键理论，某原子有几

2、个未成对电子，根据共价键理论，某原子有几个未成对电子，就可以形成几个共价键，而价电子中的孤对电子，就可以形成几个共价键，而价电子中的孤对电子，则可以形成配位键。则可以形成配位键。c原子可形成原子可形成4个共价键；个共价键；n、p原子可形成原子可形成3个共价键，个共价键，1个配位键个配位键s、o原子可形成原子可形成2个共价键，个共价键，2个配位键个配位键cl、br原子可形成原子可形成1个共价键，个共价键，3个配位键个配位键h原子可形成原子可形成1个共价键个共价键 碳元素的成键时电子云的重叠方式碳元素的成键时电子云的重叠方式 （头碰头（头碰头键键、肩并肩、肩并肩键）键） （1）键键电子云头碰头重叠

3、，重叠程电子云头碰头重叠，重叠程度大度大 可绕键轴旋转。稳定，能发生可绕键轴旋转。稳定，能发生取代。取代。 （2）键键电子云肩并肩重叠，重叠程电子云肩并肩重叠，重叠程度小不能旋转。易断裂，易发生加成反应。度小不能旋转。易断裂，易发生加成反应。1.2.2、碳原子的成键特征、碳原子的成键特征c原子的价电子：原子的价电子：2s1、2px1、2py1、2pz1（1）、）、成键时轨道的重叠要尽可能采取电子云密度最大的方向，成键时轨道的重叠要尽可能采取电子云密度最大的方向，要尽可能使生成物能量更低、更稳定。因此碳原子在成键时可能要尽可能使生成物能量更低、更稳定。因此碳原子在成键时可能4个价电子轨道完全杂化

4、（个价电子轨道完全杂化（sp3杂化杂化）、可能部分杂化（）、可能部分杂化（sp2杂化、杂化、sp杂化杂化）（2）、）、碳原子在形成碳原子在形成4个共价单键个共价单键时，采用等性时，采用等性sp3杂化形式。杂化形式。并且，为使成键电子对间的相互排斥力最小，这四个共价键构成并且，为使成键电子对间的相互排斥力最小，这四个共价键构成一种一种“立体立体”的结构。的结构。 例如例如ch4：形成：形成4个共价键键能、键长完全相等，夹角为个共价键键能、键长完全相等，夹角为109。28。（3）、）、在在c2h4分子中，分子中，c原子为达到最外层原子为达到最外层8电子的稳定结电子的稳定结构，构，形成了形成了2个共

5、价单键个共价单键（键）键），和一个双键，和一个双键（键和键和键）键）。这时碳原子采用了这时碳原子采用了sp2杂化形式形成了三个杂化形式形成了三个键。键。乙烯分子中乙烯分子中6个原子位于同一平面上个原子位于同一平面上。 在在c2h2分子中，碳原子形成了一个单键一个叁键，这分子中，碳原子形成了一个单键一个叁键，这时碳原子采用了时碳原子采用了sp杂化形式形成了杂化形式形成了两个两个键键，另外两个，另外两个p电电子分别与另外一个碳原子的两个子分别与另外一个碳原子的两个p电子形成了电子形成了两个两个键键，乙乙炔分子中炔分子中4个原子位于同一直线上。个原子位于同一直线上。（4）、）、在在ch2=chch=

6、ch2分子中，两个分子中，两个键的电子键的电子云为云为4个碳原子共用，该分子更加稳定。个碳原子共用，该分子更加稳定。“共轭共轭” 键键又叫离域又叫离域大大键。例如苯分子：键。例如苯分子：3个个键的电子云为键的电子云为6个个c原子共用。原子共用。1.3、碳原子的杂化轨道与结构特点、碳原子的杂化轨道与结构特点1、sp3杂化轨道及其代表物和结构特点杂化轨道及其代表物和结构特点、碳原子的基态、激发态、碳原子的基态、激发态、碳原子的、碳原子的spsp3 3杂化的优点：大头更大、成键能杂化的优点：大头更大、成键能 力更强力更强、碳原子的、碳原子的spsp3 3杂化轨道的电子云的模型：正四面体杂化轨道的电子

7、云的模型：正四面体、碳原子的、碳原子的spsp3 3杂化轨道的成键的特点：全部是单键杂化轨道的成键的特点：全部是单键 即形成即形成4 4个个键键、代表物：、代表物：chch4 4、cclccl4 4 2、sp2杂化轨道及其代表物和结构特点杂化轨道及其代表物和结构特点碳原子的碳原子的spsp2 2杂化的优点：大头更大、成键能力更强杂化的优点：大头更大、成键能力更强、碳原子的、碳原子的spsp2 2杂化轨道的电子云的模型：杂化轨道的电子云的模型： 平面正三角形平面正三角形、碳原子的、碳原子的spsp2 2杂化轨道的成键的特点：杂化轨道的成键的特点： 形成形成3 3个单键即个单键即3 3个个键的同时

8、又形成了键的同时又形成了1 1个个键键、代表物：乙烯、苯、代表物：乙烯、苯 3、 sp杂化轨道及其代表物和结构特点杂化轨道及其代表物和结构特点碳原子的碳原子的spsp杂化的优点：大头更大、成键能力更强杂化的优点：大头更大、成键能力更强、碳原子的、碳原子的spsp杂化轨道的电子云的模型：直线型杂化轨道的电子云的模型：直线型、碳原子的、碳原子的spsp杂化轨道的成键的特点：杂化轨道的成键的特点： 形成形成2 2个单键即个单键即2 2个个键的同时又形成了键的同时又形成了2 2个个键键代表物：乙炔代表物：乙炔键键键键由原子轨道轴向交叠由原子轨道轴向交叠而成，交叠程度大而成，交叠程度大侧面交叠，交叠程度

9、较小侧面交叠，交叠程度较小电子云对键轴呈圆柱电子云对键轴呈圆柱形对称分布，核对其形对称分布，核对其束缚力较大束缚力较大电子云分布在分子平面上下，流动电子云分布在分子平面上下，流动性较大，极化性也大性较大，极化性也大绕键轴旋转不破坏交绕键轴旋转不破坏交叠叠不能自由旋转，不能自由旋转，c cc c原子相对旋转会原子相对旋转会减少甚至破坏交叠，造成键的断裂，减少甚至破坏交叠，造成键的断裂，因此有顺反异构现象。因此有顺反异构现象。键能大、稳定键能大、稳定键能较小，易破裂，易起化学反应键能较小，易破裂，易起化学反应1.4、高中有机化学中的常用概念或化学用语、高中有机化学中的常用概念或化学用语 1.4.1

10、.分子式、最简式、通式分子式、最简式、通式 介绍各类烃的通式介绍各类烃的通式 1.4.2.结构式、结构简式结构式、结构简式（省单键、省单键、碳架结构、碳架结构、折线式）折线式） （1）以）以c5h12为例介绍结构式和一般结构简式为例介绍结构式和一般结构简式 （2）以）以c6h14为例介绍结构简式中的碳架结构为例介绍结构简式中的碳架结构 和折线式和折线式 1.4.3.同分异构体、同分异构现象同分异构体、同分异构现象(1)同分异构体和同分异构现象的概念同分异构体和同分异构现象的概念(2)举例说明举例说明1.4.4、有机物的官能团、有机物的官能团决定化合物化学特性的原子或原子团。决定化合物化学特性的

11、原子或原子团。常见的官能团有：常见的官能团有：c=c双键、双键、cc叁键、卤素原子（叁键、卤素原子（x）、羟基（）、羟基（oh）醛基（醛基（ ch）o羧基（羧基（cooh）硝基硝基（ no2）、磺酸基（）、磺酸基（ so3h）、氨基（）、氨基（ nh2）1.4.5.同系物（同系物（概念概念、判断判断） （1）同系物的概念）同系物的概念 （2）根据同系物的概念判断）根据同系物的概念判断2 2、有机物系统命名法、有机物系统命名法 2.1带支链烷烃带支链烷烃 主链主链 选碳链最长、带支链最多者。选碳链最长、带支链最多者。 编号编号 按最低系列规则。从靠侧链最近端编号，如按最低系列规则。从靠侧链最近端

12、编号，如两端号码相同时，则依次比较下一取代基位次，最两端号码相同时，则依次比较下一取代基位次，最先遇到最小位次定为最低系统（不管取代基性质如先遇到最小位次定为最低系统（不管取代基性质如何）。何）。 取代基次序取代基次序iupac规定依英文名第一字母次序规定依英文名第一字母次序排列。我国规定采用立体化学中排列。我国规定采用立体化学中“次序规则次序规则”：优先基团放在后面，如第一原子相同则比较下优先基团放在后面，如第一原子相同则比较下一原子。一原子。 2-甲基甲基-3-乙基戊烷乙基戊烷 2.2单官能团化合物单官能团化合物 主链主链 选含官能团的最长碳链、带侧链最选含官能团的最长碳链、带侧链最多者，

13、称为某烯（或炔、醇、醛、酮、酸、多者，称为某烯（或炔、醇、醛、酮、酸、酯、酯、）。卤代烃、硝基化合物、醚则以）。卤代烃、硝基化合物、醚则以烃为母体，以卤素、硝基、烃氧基为取代基，烃为母体，以卤素、硝基、烃氧基为取代基，并标明取代基位置。并标明取代基位置。 编号编号 从靠近官能团（或上述取代基）端从靠近官能团（或上述取代基）端开始，按次序规则优先基团列在后面。开始，按次序规则优先基团列在后面。 2.3多官能团化合物多官能团化合物 （1）脂肪族）脂肪族 选含官能团最多（尽量包括重键）的最长碳选含官能团最多（尽量包括重键）的最长碳链为主链。官能团词尾取法习惯上按下列次序：链为主链。官能团词尾取法习惯

14、上按下列次序： ohnh2（=nh）ccc=c （2）脂环族、芳香族）脂环族、芳香族 如侧链简单，选环作母体；如取代基如侧链简单，选环作母体；如取代基复杂，取碳链作主链。复杂，取碳链作主链。 （3）杂环）杂环 从杂原子开始编号，有多种杂原子时，按从杂原子开始编号，有多种杂原子时，按o、s、n、p顺序编号。顺序编号。 2.4顺反异构体顺反异构体 （1）顺反命名法）顺反命名法 环状化合物用顺、反表示。相同或相似的原环状化合物用顺、反表示。相同或相似的原子或基因处于同侧称为顺式，处于异侧称为反式。子或基因处于同侧称为顺式，处于异侧称为反式。 3 3. 异构现象和立体化学异构现象和立体化学 3.1构造

15、异构构造异构 分子式相同而构造式不同，即分子中原子互相分子式相同而构造式不同，即分子中原子互相连接的方式和次序不同，称构造异构。有碳架异构、连接的方式和次序不同，称构造异构。有碳架异构、位置异构、官能团异构、互变异构。位置异构、官能团异构、互变异构。 3.2立体异构立体异构 构造式相同但原子或基团在空间的排列不同构造式相同但原子或基团在空间的排列不同（即构型不同）产生的异构现象叫立体异构。如（即构型不同）产生的异构现象叫立体异构。如顺反异构、对映异构。顺反异构、对映异构。 一、一、 甲烷的组成、结构和性质甲烷的组成、结构和性质1.1.甲烷的组成：甲烷的组成：（1 1）元素组成）元素组成 （2

16、2）质量组成）质量组成 （3 3）分子组成）分子组成（4 4）通过质量组成推断分子组成的方法）通过质量组成推断分子组成的方法2.2.甲烷的结构：甲烷的结构：（1 1）分子结构）分子结构 chch4 4分子中的碳原子是以分子中的碳原子是以spsp3 3杂化轨道成键的杂化轨道成键的 chch4 4分子是以碳原子为中心的正四面体，分子是以碳原子为中心的正四面体， 键角为键角为1091090 02828 chch4 4分子的结构式分子的结构式 chch4 4分子的电子式分子的电子式 下列事实中能证明甲烷分子为正四面体而非正方下列事实中能证明甲烷分子为正四面体而非正方形结构的是（形结构的是（ ）a.ch

17、a.ch3 3clcl无同分异构体无同分异构体 b.chb.ch2 2clcl2 2无同分异构体无同分异构体c.chclc.chcl3 3无同分异构体无同分异构体 d.cd.ch h键的键参数相同键的键参数相同 （2 2）晶体结构）晶体结构3.3.甲烷的性质：甲烷的性质：（1 1）取代反应）取代反应 取代反应的概念取代反应的概念甲烷的卤代：甲烷的卤代： a.a.甲烷氯代的化学反应方程式：甲烷氯代的化学反应方程式： b.b.甲烷发生卤代反应的条件：光照且卤素单质为气体甲烷发生卤代反应的条件：光照且卤素单质为气体甲烷氯代反应的分析甲烷氯代反应的分析 a.a.反应的机理：反应的机理： b.b.有机产

18、物的特点：有机产物的特点： a.a.是否为混合物？是否为混合物？ b.b.各种有机产物的名称和状态、颜色各种有机产物的名称和状态、颜色 c.c.各种产物的物质的量之间的关系：各种产物的物质的量之间的关系： a. a. n n(hcl(hcl) )最大，且最大，且 n n(hcl(hcl)=)= n n(cl(cl2 2) )b.b.n n(ch(ch4 4)=)= n n(ch(ch3 3cl)+cl)+ n n(ch(ch2 2clcl2 2)+)+ n n(chcl(chcl3 3)+)+ n n(ccl(ccl4 4) )c c、n n(hcl(hcl)=)=n n(ch(ch3 3cl

19、)+2cl)+2n n(ch(ch2 2clcl2 2)+3)+3n n(chcl(chcl3 3)+4)+4 n n(ccl(ccl4 4) )甲烷氯代反应实验的现象甲烷氯代反应实验的现象 a.a.混合气体的颜色：混合气体的颜色： b.b.产物的状态：产物的状态： c.c.产物产物hclhcl的水溶性：的水溶性：（2 2）裂解反应）裂解反应甲烷常温时很稳定，高温时可断键甲烷常温时很稳定，高温时可断键甲烷的高温裂解反应方程式：甲烷的高温裂解反应方程式：以上反应的温度高低比较：以上反应的温度高低比较： （3 3）燃烧）燃烧反应方程式：反应方程式：点燃甲烷时的注意事项：点燃甲烷时的注意事项：甲烷燃

20、烧的现象：甲烷燃烧的现象： a.a.火焰颜色火焰颜色淡蓝色、烟淡蓝色、烟无烟或很淡的烟无烟或很淡的烟b.b.分析原因分析原因4.4.甲烷的制备：甲烷的制备：（1 1）工业制备）工业制备 （2 2）实验室制备）实验室制备 药品：无水药品：无水chch3 3coonacoona和碱石灰和碱石灰反应原理：（主反应、副反应以及反应的类型）反应原理：（主反应、副反应以及反应的类型） a.a.主反应方程式：主反应方程式： b.b.副反应方程式：副反应方程式： c.c.是否为取代反应？是否为取代反应？碱石灰中的碱石灰中的caocao的作用：的作用： a.a.提供反应物提供反应物 b.b.疏松导气疏松导气气体

21、发生装置：同于气体发生装置：同于o o2 2、nhnh3 3 气体收集方法：同气体收集方法：同h h2 2、o o2 2、nhnh3 3比较比较 性质验证实验：性质验证实验： a.a.不能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪色不能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪色 b.b.不能使酸性高锰酸钾溶液褪色不能使酸性高锰酸钾溶液褪色 c.c.点燃燃烧：通过对产物的定性分析验证甲烷的元素点燃燃烧：通过对产物的定性分析验证甲烷的元素 组成组成 尾气处理：点燃燃烧尾气处理：点燃燃烧 实验室制甲烷反应原理的应用：实验室制甲烷反应原理的应用：5.5.甲烷的用途：甲烷的用途： 一、 烷烃的组成、结构和性质1.1.烷烃的组成：烷烃

22、的组成：（1）元素组成 （2）分子组成（通式）（3）质量组成 2.2.烷烃的结构特点：烷烃的结构特点：（1）分子结构 （2）晶体结构 3.3.烷烃的性质特点：烷烃的性质特点：（1）取代反应一元取代产物的判断与书写一元取代产物的判断与书写二元取代产物的判断与书写二元取代产物的判断与书写气态烷烃不能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪色气态烷烃不能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪色液态烷烃不能因反应使溴水褪色，液态烷烃不能因反应使溴水褪色， 但能因萃取而使溴水褪色但能因萃取而使溴水褪色 （2）裂解反应c8h18的均裂的均裂c4h10的裂解的裂解c4h10裂解后所得混合气体平均分子量的计算裂解后所得混合气体平均分子

23、量的计算（3）氧化反应烷烃不能使酸性高锰酸钾溶液褪色烷烃不能使酸性高锰酸钾溶液褪色c4h10催化氧化制催化氧化制ch3cooh烷烃的燃烧：用通式书写烷烃的燃烧：用通式书写烃烃c cx xh hy y燃烧的相关计算燃烧的相关计算 a.a.燃烧后生成的燃烧后生成的coco2 2和和h h2 2o o（g g）的体积比为）的体积比为a ab b 最简式为：cah2b 分子式为：(cah2b)n b. b.燃烧前后混合气体的体积不变燃烧前后混合气体的体积不变 分子式为：分子式为：cxh4 具体为：ch4、c2h4、c3h4 c. c.燃烧后生成的燃烧后生成的coco2 2和和h h2 2o o（g g）被）被naohnaoh溶液或溶液或 nana2 2o o2 2固体充分吸收固体充分吸收 讨论计算讨论计算4.4.常见的气态烷烃：常见的气态烷烃： chch4 4、c c2 2h h6 6、c c3 3h h8 8、chch3 3chch2 2chch2 2chch3 3、ch(chch(ch3 3) )3 3、c(chc(ch3 3) )4 45.5.烷烃的物理性质：熔点、沸点的递变规律烷烃的物理性质：熔点、沸点的递变规律三、烷烃的命名系统命名法 1.1.取代基：取代基：（1）烃基 （2）烃名 （3）甲基、乙基的电子式