有机化学教学课件：1章-绪论

1、 有机化学Organic Chemistry2本课程所用教材汪小兰编有机化学，第四版，高等教育出版社( 北京), 2005.5有机化学各章节课时安排第一章绪论2第二章烷烃和环烷烃(4章部分内容)4第三章不饱和烃（烯烃、炔烃和二烯烃）6第四章芳香烃（独立一章）6第五章旋光异构4第六章卤代烃5第八章醇、酚、醚（7章光谱学内容不讲）7第九章醛、酮、醌7第十章羧酸和取代羧酸4第十一章羧酸衍生物4第十二章含氮化合物（13章含硫、磷化合物不独立讲）5第十四章碳水化合物6第十五章第十六章氨基酸、多肽、蛋白质5第十七章4第十八章分子轨道理论部分不讲类脂化合物杂环化合物34第一章 绪 论有机化合物和有机化学有机

2、化合物的结构特点有机化合物分子中的化学键及键参数有机化合物研究方法有机化合物的分类怎样学习有机化学5 一.有机化学的研究对象1. 有机化合物和有机化学 Organic Compounds and Organic Chemistry定义:1）凯库勒（A. Kekul, 1829-1896)：把含碳的化合物称为有机化合物，认为有机化学是研究含碳化合物的化学；2）肖莱马（K. Schorlemer, 1834-1892)：把碳氢化合物及其衍生物看作有机化合物，故有机化学则为研究碳氢化合物及其衍生物的化学。7a. 简单有机化合物 8 b. 高分子化合物(天然的或人工合成的)： 三大营养素：糖(淀粉)、

3、脂肪和蛋白质 三大合成材料：塑料、橡胶和纤维， 三大纤维素：织物中的麻、丝和毛c. 全碳分子化合物: 富勒烯或足球烯（如：C60)富勒烯 由于C60这一重大发现Kroto等人获1996年Nobel化学奖 。 C60是除石墨、金刚石以外碳的另一种同素异形体，分子式为C60，由12个五边形和20个六边形组成 。 每个碳原子均以sp2杂化轨道与相邻碳原子形成三个键，它们不在一个平面内。每个碳原子剩下的p轨道彼此构成离域大键，具有芳香性。 富勒烯是C60、C50、C70等一类化合物的总称。11含C,H,N,O,S,P.等的化合物，为有机化合物。而研究有机化合物的化学称有机化学。回答：什么是有机化合物和

4、有机化学?1）有机化合物有着广泛和巨大的用途。故需系统研究其性质、理论及合成方法等；2）典型的有机物与无机物有着显著的差异。需要用不同的方法和手段来进行研究； 而无机物与有机物在性质上的差别主要是由于它们化学键的差异所导致的。有机化合物多为共价键而无机物则多为离子键。这就导致有机物有以下几个特点：为何要把含碳化合物专门独避一门学科来进行研究呢？（1）易燃烧：生成CO2和H2O。（2）热稳定性差：受热易分解，熔点低，一般 400C，而无机物一般熔点、沸点较高。（3）大多数有机物不溶或难溶于水，有机物多 为非极性化合物。（4）反应较慢且较复杂：无机反应一般为离子 反应，往往可瞬间完成且产物简单；而

5、有机 反应一般为分子间反应，需要较高的活化能， 故反应需要时间。同时，有机反应的副反应 较多，一般产率达不到100%。以上仅为典型的有机和无机物间的差别3）有机化合物在生命现象中起着极为重要的作用。4）有机化合物的数目特别多且增长很快。目前有机物的数目 于1400万个(5年前的统计)，并以40万个/年的速度递增。 含碳化合物数目特别多的原因： a. 碳与碳原子相互间的结合力特别强， 组成有机化合物的元素不多，通常为：C, H, N, S, P., H和O目前结合的化合物仅有H2O 和HOOH，而一个 分子中含有的C几乎没有限制，如，n = 几十万，根据反应条件可控制 n 的大小15b. 碳原子

6、的连接方式多种多样C-C-C-C- (直链的)， C-C-C- (支链的)， （ 环状的）c. 碳化合物的异构现象十分普遍。C2H6O 是什么物质？（若无结构式，很难确定它是什么物质当写出：CH3CH2OH, CH3OCH3才能知道是乙醇或甲醚）16(无定型的碳)(石墨)平滑(钻石)(球状的)20自然界中碳的循环 21石墨的晶体结构 (SP2)金刚石的晶体结构( SP3)足球烯(富勒烯)(Footballene):单纯由碳元素结合形成的稳定分子，具有60个顶点和32个面，其中12个面为正五边形，20个面为正六边形，整个分子形似足球。具有芳香性。 C60 / C70中的碳原子处于 (SP2- S

7、P3) 中间过渡态。Importance of CarbonBasis for all lifeFrom stable covalent bonds to other carbon atoms -catenationCan form single, double and triple bondsLong carbon chains can be producedWill bonded with many other elements A HUGE number of chemicals are possible 作为一门学科的有机化学产生于19世纪。18 世纪下半叶：天然产物的分离、结构分析,

8、 酒石酸（1769年）、草酸（1776年）、乳酸(1780年）等； 同时，“生命力”论的提出阻碍了有机化学的发展。 1828年德国化学家维勒（F. Whler, 1800-1882)在蒸发氰酸铵水溶液时得到了尿素，从而突破了“生命力”论的束缚，使得有机化学在19世纪下半叶有了迅速的发展。2. 有机化学的产生与发展1828.Ammonium cyanate(氰酸铵)1857年：凯库勒和库柏（A.S. Couper)分别独立提 出了碳的四价学说，开创了结构理论的基础；1861年：布特列洛夫(A.M. Butlerov)提出了完整的 有机结构理论，指出原子间存在着相互影响， 结构决定性质等；1865

9、年：凯库勒提出了苯的结构式；1874年：范德荷夫(J.H. Vant Hoff)和勒贝尔(J.A. Le Bel) 建立了分子立体概念，说明了几 何异构和对映异 构现象，有机经典结构理论到此已经基本建立。 20世纪初随着物理学的发展、量子力学的建立，使电子成对的化学键观点获得了理论基础，阐明了化学键的本质。出现了 诱导效应、共轭效应及立体效应等理论。 总之，有机化学在20世纪特别是下半叶开始，发生了巨大的变化，取得了众多的成就。 形成了相互联系而又互有分工的三个领域。有机合成化学： 是有机化学的中心，是有机化学也是整个化学中最具有创造性的领域之一。 它利用天然资源或简单的工业生产的有机分子，通

10、过一系列复杂的化学反应，合成到十分复杂的天然或非天然有机化合物，向医药、工农业等提供各种有机原料。 20世纪新反应、新试剂等不断发现，突出的成就是60年代VB12的全合成和90年代的海葵毒素的全合成，反应出当代有机合成的水平。有机化合物分离及结构测定： 是人们从分子水平认识物质世界的基本手段。 50年代以后人们已不仅依靠萃取、结晶、分馏等方法来实现分离和分析。目前，各种层析技术已成为各有机实验室的常规手段，检出灵敏度已达到ppm甚至ppb（十亿分之一）的水平。 60年代以来发展的四大波谱技术，NMR、IR、UV、MS已广泛普及。加上X-衍射技术等手段，使有机物的结构问题已难不倒有机化学家。10

11、0 ug 时，也能给出确切的结构信息。物理有机化学： 有机合成和分离、结构分析的成就，促进了有机化学的理论基础物理有机化学的发展。而物理有机化学又可指导有机化学向更深层次进展。 G.N. Lewis, E. Hkel, K. Ingold, L. Pauling, Woodward-Hoffman, 福井谦一等。 90年代计算机技术的发展，使得分子动力学、化学计算等成为有机化学家好助手。 中国科学家在有机化学的发展中也做出了突出的贡献。化学生物学（Chemical Biology）化学生物学是以化学小分子为探针，探索生物体内的分子事件及其相互作用网络，在分子水平上研究复杂生命现象的新学科。作为

12、化学和生命科学交叉的学科，化学生物学通过化学的方法和技术拓展了生物学的研究范围，同时也通过化学在生命科学中的应用进一步促进化学的发展。基于化学小分子探针的信号转导过程研究 国家自然科学基金委员会 化学科学部，生命科学部，数理科学部，信息科学部 本项重大研究计划以生物信号转导过程为研究目标，充分发挥化学和生物医学等多学科合作研究的优势，揭示传统生物学所难以发现的新规律，进而推动新药、新靶标和新的药物作用机制的发现，造福于人类的健康事业，促进我国经济发展。同时也必然会推动新的交叉学科化学生物学的发展。311902Emil Fisher糖和嘌呤的合成1965Robert B. Woodward有机合

13、成艺术的成就1905Adolf von Baeyer有机染料和芳香化合物的合成1968H. G. Khorana基因密码与蛋白质合成1910Otta Wallach脂肪链化合物的工作1969Dereck H. BartonOdd Hassel构象概念与应用1912Victor Grignard Paul Sabatier格氏反应，利用金属的氢化反应1975Vincert PrelogJohn W. Cornforth有机分子反应的立体化学酶反应的立体化学1928Adolf Windaus甾体的组分与维生素的联系1979Herbert C. BrownGeorg Wittig硼、磷化学在有机合成

14、中的应用1930Hans Fischer血红素核心结构合成1981Roald HoffmanKenichi Fukui化学反应过程的理论研究1937Walter HaworthPaul Karrer碳水化合物与维生素的研究1984R. B. Merrifield固相化学合成1939Leopold Ruzicka高级萜烯类化合物1987D. J. Cram, J.-M. Lehn, C. J. Pedersen超分子化学1947Robert Robinson生理活性的植物成分特别是生物碱的研究1990Elias J. Corey有机合成的理论与实践1950Otta DielsKurt Alder

15、发现和发展了双烯合成1994George A. Olah碳氢化合物研究1955Vincent du Vigneaud首次合成多肽激素2001Sharpless, Noyori, et al.不对称合成1963Karl ZieglerGiulio Natta有机高聚物的研究与工业化2002有机化学与相关领域的诺贝尔化学奖有机分子工程学的历史是一个人类科学奋斗与追求的历史历史回顾（1828-1944）(脲素)(乙酸)(葡萄糖)(松油醇)(樟脑)(亲菌素)(血红素)(马萘雌酮)(维生素B6)(奎宁)历史回顾（二战之后）Woodward 时代士的宁,番木鳖碱维生素B12银杏 strychnine历史回

16、顾（1990-2000）紫杉醇海洋毒素Tailored Synthesis:ChiralityRational logic driven designHigh level of sophisticationPalytoxinC131H227N3O53Mr=2692.2664 asymmetric6 Olefin centers270=1.2x1021 isomersIndustrial Important CompoundsMonomers and polymers.(单体和聚合物)Adhesives and coating agents.(黏合剂和包袱剂)Dyes(染料)Flavorings

17、 and scents.(调味品及香料)Pharmaceutical products.(药物产品)Cosmetics.(化妆品)Insecticides.(杀虫剂)Herbicides.(除草剂)38理论分子与非天然复杂分子39 二、有机化合物的结构特点40 典型有机物与无机物的最大区别主要是有机物一般都以共价键相结合形成分子的，故有必要复习、巩固以下有关共价键的基本知识。1.原子轨道S 轨道P 轨道轨道的能量图不同原子的轨道能量图2. 共价键理论核心内容1) 共价键是成键两原子通过共享电子对而形成的。Lewis结构式和Kekul结构式Lewis结构式Kekul结构式Lewis结构式Lewi

18、s结构式Kekul结构式2) 共价键的饱和性。 即当一个电子与另一个电子配 对成键后就不能与“第三者”配对，原子的外层价电子 数就是可成键数。3) 共价键的方向性。即两成键轨道的电子云必须最大 程度的重叠，方越牢固、稳定。4）共价键的极性由电负性差别较大的原子形成的共价键使得电子在负电性大的原子周围出现的几率大，因而，使得共价键带有极性，极性的大小以键距表示，称偶极距，用m 表示，依赖于原子的电负性m = q x d q 为正或负电中心的荷电量 d 为正负电荷中心的距离m = 1.03 D, m = 0, m = 1.84 D, 5) 轨道的杂化 原子轨道通过杂化可形成更稳定的分子。sp杂化氢

19、化铍sp2杂化（氢化硼）sp3杂化氨水sp3杂化（甲烷）乙烯C原子的sp2 和乙炔C原子的sp杂化要点： 形成化学键的电子是在整个分子中运动的,其运动形式用波函数表示。分子轨道的近似解法,可用原子轨道的现性组合（LCAO).N个原子轨道只形成n个分子轨道。两个原子轨道A、 B的组合方式为：3. 分子轨道理论1 = c1 A + c2 B 2 = c1 A + c2 B 对称性匹配。能量相近。最大重叠。但分子轨道形成时必须满足三个条件：H2分子的生成4. 共振论意义: 许多有机化合物可以用一个式子表示其结构。如有些化合物却不能用单一的式子精确地表示其结构。如2) 写法要求(1) 各经典结构式中原

20、子在空间的位置应当相同或接近相同，它们的差别在于电子的排布;(2) 所有的经典结构式中,配对的和未配对的电子数目应当是一样的。 用弯箭头表示电子移动的方向, 但不移动原子的位置和改变未配对电子的数目，可以从一个经典结构式推导出另一个。(3) 等同的经典结构式贡献相等;(4) 经典结构式中, 如所有属于第一、第二周期的原子都满足惰性气体电子构型,其贡献较未满足的大。贡献大贡献小(5) 没有正负电荷分离的经典结构式的贡献较大。贡献大贡献小3) 共振论的应用 解释反应中间体的活性和稳定性等. 三、共价键的键参数 用来表征共价键特征或性质的物理量，叫做共价键的键参数。1）键长：指的是成键原子核间的距离

21、。常用（10-10 m，1pm = 10-12 m）做单位。须注意： AB 共价半径只是原子成键时呈现的大小，是最近和最 远距离的平均值，并非单个原子的半径的加和； 同一种键在不同分子中的差别不大。 如， 0.154 nm, 1.54 0.134 nm, 1.34 0.120 nm, 1.20 键长决定分子的大小。2）键角：分子中某一原子与另外两个原子形成共 价键，彼此在空间的角度，叫做键角。键角决定了分子的立体形状。 甲烷 乙烯 乙炔 甲醚为四面体型 为平面型 为直线型 为三角型=104.5o=180o3）键能：将一个气态分子分解成组成它的全部原子（气态）时所需的能量，等于分子中全部化学键能

22、的总和。则总能量除以化学键的数目，就是每个化学键 平均键能。键能是化学键强度的主要标志之一，在一定程度上反映了键的稳定性。4）键矩：是衡量键的极性的一个物理量。同种原子形成的共价键无极性；异种原子形成的共价键有极性, 其键矩定义为正、负电荷中心的电荷(e)与正、负电荷中心之间的距离(d)的乘积:HHCCl共价键虽为极性键，但整个分 子却不一定是极性的。 如： 矢量和为0。而CHCl3却有极性。d. 当两种原子的电负性相差很大时, 则为离子键了。如 NaCl几个常见原子的电负性: C H N Cl Br I O S Si P 2.50 2.20 3.07 2.83 2.74 2.21 3.50

23、2.44 1.74 2.06 四. 有机反应和有机反应方程式1. 有机反应的分类极性或异裂反应（Heterolysis Cleavage：离子型反应） 异裂产生带正电的碳离子和带负电的碳离子，分别称为碳正和碳负离子是重要的有机反应中间体，不稳定。由它们参加的反应叫离子型反应。（2） 自由基反应(键的均裂 Homolysis Cleavage)：均裂产生带孤电子的原子或基团，称为自由基。是一种重要的有机反应中间体，在光照或高温加热的条件下产生，其发生的反应称为自由基反应(Redical Reaction)。（3）协同反应： 旧键的断裂和新键的生成同时发生的反应。反应过程中无任何活性中间体。 有机

24、反应还有其他的分类方法。2. 有机反应方程式：同时，要注意和学会各种符号、箭头等的意义和用法。五、酸和碱 酸碱是化学变化中应用最广的概念之一。有机反应中有许多酸碱反应，熟悉酸碱的概念对理解有机反应很有用。质子理论(Brnsted-Lowry):定义：凡是能给出质子的物质是酸，凡能接受质子的物质是碱。酸给出质子后即形成了该酸的共轭碱，碱则反之。 酸碱的质子理论体现了酸碱两者相互转化和依存的关系： 由定义，酸的强度就是它给出质子的倾向的大小，碱的强度就是它接受质子的倾向的大小。故酸越强其共轭碱越弱。2. 电子理论（G.N. Lewis)定义：凡能接受电子对的物质是酸, 凡能给出电子对的物质是碱。故酸和碱又可分别称为电子对的受体和给体，而酸碱反应则是生成配位键的过程，生成酸碱加合物。3. 软硬酸碱理论（HSAB)规则：硬酸优先与硬碱结合，软酸优先与软碱结合。硬酸：H+，碱金属、碱土金属离子，Al3+，Fe3+， BF3，RCO+等；硬碱：F-，OH-，-OAc，Cl-，CO32-，RO-，ROH， NH3，RNH2，NO3-，SO42-等；软酸：Cu+，Ag+，Pd2+，Pt2+，BH3，I2，Br2等；软碱：I-，-CN，-SR，R2S，C6H6，CO，(RO)3P等。须注意：软硬酸碱理论是在总结大量实验数据的