有机化学第一章绪论

1、 有机化学Organic Chemistry主讲人主讲人: 汪世新汪世新 第一章第一章 绪论绪论 Introduction 一、有机化学的研究对象一、有机化学的研究对象 有机化合物的最初定义有机化合物的最初定义 1777年，瑞典化学家年，瑞典化学家Bergman将从动、植将从动、植物体得到的物质称为物体得到的物质称为，例如酒、醋、中，例如酒、醋、中草药等，从矿物体得到的物质称为草药等，从矿物体得到的物质称为。 十八世纪末期化学家从动物、植物中提十八世纪末期化学家从动物、植物中提取了一系列纯的有机化合物。取了一系列纯的有机化合物。什么是有机化学？为什么要学习有机化学？什么是有机化学？为什么要学习

2、有机化学？1769年，葡萄汁年，葡萄汁酒石酸酒石酸 酸牛奶酸牛奶乳酸乳酸酒石酸酒石酸 乳酸乳酸 尿素尿素1773年，尿年，尿尿素尿素H2NNH2CO1805年，鸦片年，鸦片吗啡吗啡吗啡吗啡Morphine1805 年年 提取分离提取分离1952 年年 确定结构并合成，经历了近确定结构并合成，经历了近 150 年年 有机化合物的组成元素：有机化合物的组成元素： 1848年，德国化学家年，德国化学家L. Gmelin（葛霉林葛霉林）提提出：出： 有机化合物是碳化合物，有机化学是碳化有机化合物是碳化合物，有机化学是碳化合物的化学。合物的化学。 现在的定义：现在的定义： 。 (excludes ino

3、rganic metal salts such as carbonates and cyanides and excludes carbon dioxide) 几十亿年之前原始大气层：几十亿年之前原始大气层： CH4, H2, NH3, H2O高能量辐射高能量辐射 碎片碎片氨基酸氨基酸 甲醛甲醛 嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 蛋白质蛋白质 糖糖DNA DNA，蛋白质（蛋白质（大分子大分子） 原始细胞原始细胞 漫长自然选择过漫长自然选择过程程 地球各种生物地球各种生物 有机化学和有机化学和密切相关密切相关。 19531953年美国科学家年美国科学家H.C.Urey（诺贝（诺贝尔奖获得者）发现，甲烷、氢、水

4、和氨尔奖获得者）发现，甲烷、氢、水和氨的混合物在电火花的作用下，能生成氨的混合物在电火花的作用下，能生成氨基酸等构成生物体的许多有机物。基酸等构成生物体的许多有机物。 二十一世纪是二十一世纪是的时代，人们已的时代，人们已经能从经能从上去探索生命现象的本质，上去探索生命现象的本质，将生命现象归结为分子的形成、运动和化学将生命现象归结为分子的形成、运动和化学变化过程。这就要求我们运用有机化学理论变化过程。这就要求我们运用有机化学理论知识，深入探讨组成生物体的各种有机化合知识，深入探讨组成生物体的各种有机化合物的结构与性质，以及在生物体内的合成、物的结构与性质，以及在生物体内的合成、分解、转化和代谢

5、规律。分解、转化和代谢规律。 当今生命科学的重大问题如当今生命科学的重大问题如生命的起源生命的起源，重大疾病重大疾病如癌症、艾滋病的治疗、都离不开如癌症、艾滋病的治疗、都离不开对有机化合物的研究。对有机化合物的研究。 二、有机化合物的特点二、有机化合物的特点 1 1组成上的特点：组成上的特点： (1)(1)组成有机化合物的元素很简单，常见的组成有机化合物的元素很简单，常见的有有碳、氢、氧、氮、卤素、硫、磷碳、氢、氧、氮、卤素、硫、磷，但是，有，但是，有机化合物的数量却非常庞大，目前已知的有机机化合物的数量却非常庞大，目前已知的有机化合物有二千多万种，而无机物却不到一百万化合物有二千多万种，而无

6、机物却不到一百万种。种。 (2)(2)分子组成复杂分子组成复杂 例如：例如：维生素维生素B12 C63H90N14PCo 1976年通过年通过90多步反应，由多步反应，由100多名世界上著名化多名世界上著名化学家参与，经过学家参与，经过11年，维生素年，维生素B12终于合成成功。终于合成成功。维生素维生素B B1212 2 2结构上的特点结构上的特点 (1)(1)在有机分子中原子之间主要通过在有机分子中原子之间主要通过共价共价键键结合，大多数都是共价化合物。结合，大多数都是共价化合物。 (2)(2)碳原子相互结合的能力很强。可以互碳原子相互结合的能力很强。可以互相结合形成碳链或碳环（可以形成单

7、键、双相结合形成碳链或碳环（可以形成单键、双键或三键）。一个有机化合物的分子中碳原键或三键）。一个有机化合物的分子中碳原子的数量少则仅一、二个，多则可达几千、子的数量少则仅一、二个，多则可达几千、几万甚至几十万个（有机高分子化合物）。几万甚至几十万个（有机高分子化合物）。 (3) (3) 同分异构现象同分异构现象 具有相同分子式但结构不同的化合物称具有相同分子式但结构不同的化合物称为同分异构体，这种现象称为为同分异构体，这种现象称为同分异构同分异构现象。现象。例如：例如：Formula：C2H6O 存在乙醇和二甲存在乙醇和二甲醚两种同分异构体。醚两种同分异构体。 C9H20 ：有有35种异构体

8、。种异构体。CHHHCHHOHCHHHCHHOH3 3性能上的特点性能上的特点 (1)(1)容易燃烧容易燃烧 例如：乙醚、汽油、甲烷（沼气）等。例如：乙醚、汽油、甲烷（沼气）等。 (2)(2)熔点低熔点低 有机化合物熔点比较低，而无机化合物有机化合物熔点比较低，而无机化合物熔点较高。熔点较高。 例如例如: NaCI m.p 801，b.p 1478 CH3CH2CI m.p -136.4 ， b.p 12.3 原因：原因：有机化合物晶体一般是分子型有机化合物晶体一般是分子型晶体晶体。 （3）难溶于水）难溶于水 根据相似相溶原理，水是极性分子，而有根据相似相溶原理，水是极性分子，而有机物大多是非

9、极性分子或极性较弱的分子。机物大多是非极性分子或极性较弱的分子。 （4 4）反应速度慢）反应速度慢 例如：例如： RCl要和要和Ag+反应，首先要打开反应，首先要打开R-Cl键，键，才能与才能与Ag+反应。反应。快快慢慢Cl- + Ag+AgClRCl + Ag+AgCl (5) (5)副反应多副反应多 有机分子组成复杂，反应时有机分子的有机分子组成复杂，反应时有机分子的各个部分都会受到影响，即反应时并不限定各个部分都会受到影响，即反应时并不限定在分子某一部位。因此一般有在分子某一部位。因此一般有主主反应、副反反应、副反应。主反应产率达到应。主反应产率达到70-80%就是比较满意就是比较满意的

10、反应。的反应。 上述情况不是绝对的，例如：四氯化碳、上述情况不是绝对的，例如：四氯化碳、乙醇和糖、乙醇和糖、TNT等等。 三、共价键的一些基本概念三、共价键的一些基本概念 1.1.价键理论价键理论 价键的形成可看作是电子配对或价键的形成可看作是电子配对或原子轨道的重叠的结果。原子轨道的重叠的结果。 碳原子处在周期表中第碳原子处在周期表中第A族的首位，族的首位，它的原子核对最外层四个价电子有一定控制它的原子核对最外层四个价电子有一定控制能力。当碳原子和其它元素形成化合物时，能力。当碳原子和其它元素形成化合物时，它不易获得或失去电子而总是和其它元素各它不易获得或失去电子而总是和其它元素各提供一个电

11、子而形成两个原子共有的电子对，提供一个电子而形成两个原子共有的电子对，即形成把两个原子结合在一起的化学键，叫即形成把两个原子结合在一起的化学键，叫做做。例如，碳原子可以和四个氢原子。例如，碳原子可以和四个氢原子形成四个共价键而生成甲烷。形成四个共价键而生成甲烷。 由一对共用电子的点来表示一个共价由一对共用电子的点来表示一个共价键的结构式，叫做路易斯结构式。如果这键的结构式，叫做路易斯结构式。如果这一对电子的点改用一根短划来代表一个共一对电子的点改用一根短划来代表一个共价键，这样的结构式就叫做蛛网式价键，这样的结构式就叫做蛛网式(凯库勒凯库勒结构式结构式)。共价键的数量代表了这个原子在。共价键的

12、数量代表了这个原子在这个分子中的化合价。这个分子中的化合价。C.+.4H.HHH :H.CCHHHH 共价键的饱和性共价键的饱和性 一个未成对电子既经配对成键，就不能一个未成对电子既经配对成键，就不能再与其它未成对电子偶合。再与其它未成对电子偶合。 共价键的方向性共价键的方向性 原子轨道只有在一定方向，即在电子云原子轨道只有在一定方向，即在电子云密度最大的方向才能得到最大的重叠而成键，密度最大的方向才能得到最大的重叠而成键，可以简单地理解为重叠部分越大，形成的共可以简单地理解为重叠部分越大，形成的共价键就越牢固。价键就越牢固。 杂化轨道杂化轨道 能量相近的原子轨道可进行杂化，组成能量相近的原子

13、轨道可进行杂化，组成能量相等的杂化轨道，这样可使成键能力更能量相等的杂化轨道，这样可使成键能力更强，体系能量降低强，体系能量降低。 sp3杂杂化化2S2P SP3 2P2S激发激发sp3杂化杂化 s轨道轨道 p轨轨道道 sp3杂化杂化轨道轨道 例如：甲烷例如：甲烷sp2杂化杂化2S2P SP22Psp2杂化杂化sp杂化杂化1802S2P 2PSPsp杂化杂化 2. 分子轨道理论分子轨道理论 按照分子轨道理论，当原子组成分子时，按照分子轨道理论，当原子组成分子时，形成共价键的电子即运动于整个分子区域。形成共价键的电子即运动于整个分子区域。分子中价电子的运动状态，即分子轨道，可分子中价电子的运动状

14、态，即分子轨道，可以用波函数以用波函数来描述。分子轨道由原子轨道来描述。分子轨道由原子轨道通过线性组合形成，形成的分子轨道数与参通过线性组合形成，形成的分子轨道数与参与组成的原子轨道数相等。与组成的原子轨道数相等。 例如，两个原子轨道可以线性组合成两例如，两个原子轨道可以线性组合成两个分子轨道，其中一个分子轨道是由两个原个分子轨道，其中一个分子轨道是由两个原子轨道的波函数相加组成（也即波相相同）；子轨道的波函数相加组成（也即波相相同）；另一个分子轨道则是由两个原子轨道的波函另一个分子轨道则是由两个原子轨道的波函数相减组成（也即波相不同）。数相减组成（也即波相不同）。 112212 1 1和和2

15、 2分别表示两个原子轨道的波函数。分别表示两个原子轨道的波函数。1=12+2=1212能量成键轨道反键轨道 一个分子轨道比原来的原子轨道的能量一个分子轨道比原来的原子轨道的能量低，叫做低，叫做；另一个分子轨道比原来；另一个分子轨道比原来的原子轨道的能量高，叫做的原子轨道的能量高，叫做。 每一个分子轨道只能容纳两个自旋每一个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子。电子总是首先进入能量低相反的电子。电子总是首先进入能量低的分子轨道，当此轨道已占满后，电子的分子轨道，当此轨道已占满后，电子再进入能量较高的轨道。例如，当两个再进入能量较高的轨道。例如，当两个氢原子形成氢分子时，两个电子均进入氢原子形成氢分

16、子时，两个电子均进入成键轨道，体系能量降低，即形成了共成键轨道，体系能量降低，即形成了共价键。（如上图）价键。（如上图） 由原子轨道组成分子轨道时，必须由原子轨道组成分子轨道时，必须符合符合： 对称匹配（就是对称性相同对称匹配（就是对称性相同）波函数符合相同波函数符合相同 波函数符合相反波函数符合相反py-py s-py 原子轨道重叠的程度要最大原子轨道重叠的程度要最大 原子轨道重叠的程度越大，形成的原子轨道重叠的程度越大，形成的键越稳定。键越稳定。 能量相近能量相近 只有能量相近的原子轨道才能有效只有能量相近的原子轨道才能有效地组成分子轨道。地组成分子轨道。3.3.共价键的键参数共价键的键参

17、数 用来表征共价键性质的物理量用来表征共价键性质的物理量，它们可利用近代物理方法测定。它们可利用近代物理方法测定。键长键长 形成共价键的两个原子核之间的平衡距形成共价键的两个原子核之间的平衡距离离键长。键长键长。键长共价键强度共价键强度 例如：例如：CC 的键长为的键长为 0.154 nm C=C的键长为的键长为 0.134 nm键角键角两价以上的原子在与其它原子成键时，两价以上的原子在与其它原子成键时，键与键之间的夹角键与键之间的夹角键角。键长和键角决键角。键长和键角决定了分子的立体形状。定了分子的立体形状。 例如：例如： 键能键能 在一个大气压和在一个大气压和25下，将下，将1mol气态双

18、气态双原原 子分子离解为两气态原子所需要的能量子分子离解为两气态原子所需要的能量离解能。离解能。 双原子分子：键能双原子分子：键能 =离解能，离解能， 多原子分子：多原子分子：。 键能键能共价键强度共价键强度。键的极性键的极性( (键矩键矩) ) 原子成键时，对成键电子的原子成键时，对成键电子的吸引能力。吸引能力吸引能力。吸引能力原子的电负性原子的电负性。两成键原子的电负性差别两成键原子的电负性差别键的极性键的极性。常见原子电负性大小次常见原子电负性大小次 FClBrI， FONCHCIH3CCI+-+-键的极性的是以键偶极矩键的极性的是以键偶极矩（）来度量的，键偶极矩的定义）来度量的，键偶极

19、矩的定义: : 电荷与正电荷与正负电荷中心之间距离的乘积（负电荷中心之间距离的乘积（qd），单位），单位为为Cm（库（库米）。米）。 是矢量，方向是矢量，方向: : 键的极性键的极性。 d.d.键偶极矩的矢量和。在双键偶极矩的矢量和。在双原子分子中，键偶极矩即是分子的偶极矩。但原子分子中，键偶极矩即是分子的偶极矩。但是在多原子分子中，键偶极矩的矢量和是分子是在多原子分子中，键偶极矩的矢量和是分子的偶极矩。的偶极矩。0 6.471030Cm 3.281030 Cm 键的可极化度键的可极化度键的极化：在外电场诱导下产生的偶键的极化：在外电场诱导下产生的偶极极诱导偶极，引起键的极化，键极性改诱导偶极

20、，引起键的极化，键极性改变的能力变的能力键的可极化度。成键原子半径键的可极化度。成键原子半径 共价键的可极化度共价键的可极化度。 键的极性和可极化度是决定有机物性质的键的极性和可极化度是决定有机物性质的重要因素。重要因素。 四四、有机化学中的酸碱概念有机化学中的酸碱概念 酸碱概念是理解有机化学问题的重要基酸碱概念是理解有机化学问题的重要基础之一。在有机化学中应用得较为广泛的是础之一。在有机化学中应用得较为广泛的是Brnsted（布朗斯特）和（布朗斯特）和Lewis（路易斯）（路易斯）酸碱理论。酸碱理论。 1酸碱的质子理论酸碱的质子理论 1923年布朗斯特等提出了较为广义的年布朗斯特等提出了较为

21、广义的酸碱理论，认为酸是能释放质子的物质，碱酸碱理论，认为酸是能释放质子的物质，碱是能接受质子的物质。是能接受质子的物质。 CH3COOH H2O H3O+ CH3COO- 例如：例如：H2SO4 ROH ROH+ HSO4- -H 碱的共轭酸碱的共轭酸 酸的共轭碱酸的共轭碱H2SO4 C2H5OC2H5 C2H5OC2H5+ HSO4- -H2.2.酸碱强度的计量酸碱强度的计量 酸的强度，可以在很多溶剂中测定，但最常用酸的强度，可以在很多溶剂中测定，但最常用的是在水溶液中，通过酸的离解常数的是在水溶液中，通过酸的离解常数Ka来测定的。来测定的。 酸性强度可用酸性强度可用pKa表示，表示，pK

22、a = -lgKa。Ka1，则则pKa0，为强酸；若为强酸；若Ka4，为弱酸。，为弱酸。 2酸碱的电子理论酸碱的电子理论 路易斯在路易斯在1923年提出了一个更为广泛的酸碱概念。年提出了一个更为广泛的酸碱概念。他认为酸是电子的接受体；碱是电子的给予体。酸和他认为酸是电子的接受体；碱是电子的给予体。酸和碱反应是酸从碱接受一对电子，形成酸碱配合物的反碱反应是酸从碱接受一对电子，形成酸碱配合物的反应。例如：应。例如： 酸碱配合物酸碱配合物 酸碱配合物酸碱配合物NH3 BF3 H3N BF3 +- -AlCl3 Cl- - Cl3Al Cl_：能接受电子对的分子如：能接受电子对的分子如： FeCl3

23、，AlCl3，BF3 ， ZnCl2 等；等； 正离子如：正离子如： H+， R+， Br+ ，+NO2 RC+=O等。等。：含孤电子对的分子如：含孤电子对的分子如：RNH2，ROH，ROR，RCHO，RCOR等；等； 负离子如：负离子如：X- -，OH- -，RO- -，R- -等；等； 烯烃或芳香族化合物。烯烃或芳香族化合物。路易斯路易斯布朗斯特定义的布朗斯特定义的路易斯路易斯布朗斯特定义的布朗斯特定义的Johann Nicolaus Brnsted 1879 - 1947Gilbert Newton Lewis1875-1946 五、研究有机化合物的程序和方法五、研究有机化合物的程序和方

24、法 1.1.分离提纯分离提纯 (1)(1)重结晶；重结晶；(2)(2)蒸馏；蒸馏；(3)(3)萃取；萃取；(4) (4) 层层析法；析法；(5)(5)电泳法；电泳法；(6)(6)离子交换法离子交换法 2.2.测定物理常数测定物理常数 熔、沸点；相对密度；折射率；比旋光熔、沸点；相对密度；折射率；比旋光度等度等 3.3.确定分子式确定分子式 进行元素定性、定量分析，测定相对分进行元素定性、定量分析，测定相对分子质量，确定分子式。子质量，确定分子式。 4.4.结构测定结构测定 X衍射、各种光谱（红外光谱、紫外衍射、各种光谱（红外光谱、紫外光谱）、核磁共振、质谱。光谱）、核磁共振、质谱。 六、有机化合物的分类六、有机化合物的分