有机化学：第1章 绪论

1、有机化学课 程 简 介有机化学是什么为什么要学有机化学如何学好有机化学成绩如何评定1. What is chemistry ？Chemistry is the science of matter; the branch of the natural sciences dealing with the composition of substances and their properties and reactions.Organic chemistry is the study of the organic compounds. 2. What is organic chemistry？Wh

2、y should we study it? 有机化学：研究有机化合物的结构和性质的科学。Every living organism is made of organic chemicals. The foods you eat; The medicines you take; The wood, paper, plastics, and fibers that make modern life possible are all organic chemicals.Anyone with a curiosity about life and living things must have a b

3、asic understanding of organic chemistry.Organic chemistry is a subject that touches the lives of everyone.有机化学与现代人类的生活息息相关衣：棉花、化纤、染料食：脂肪、碳水化合物、蛋白质、维生素、药物住：建材、油漆、涂料、清洁剂行：化妆品、汽油、纸、墨、网络、电脑、手机等本科综合培养计划类别课程名称学时学分数开课学期知识架构能力要求素质要求(材控高分子)学科基础课有机化学 I483.04A3B2C4物理化学4高分子化学5(材科无机非)学科基础课Disciplinary Basic Cour

4、ses无机化学 1无机化学实验1分析化学3分析化学实验3有机化学483.04A3B2C4有机化学实验4物理化学4物理化学实验4A3 : 自然科学与工程技术的基础知识和前沿知识；B2 : 发现、分析和解决问题的能力；C4 : 思维敏捷、乐于创新勤于思考，善于钻研，对于推陈出新怀有浓厚的兴趣，富有探索精神并渴望解决问题；1）牢牢把握住有机分子结构特性 2）理解有机反应机理，牢记基础反应3）有机反应的应用有机合成反应机理：反应过程，涉及反应原理、反应规律。在理解反应机理的基础上牢记基础反应：是学好基础有机化学中很重要的一部分。综合应用3. 如何学好有机化学？结构是基础，反应是重点！有机反应的重要动力

5、：结构决定反应的动力“三个清晰认识” 认识化合物的电子分布认识化合物的反应位点认识化合物的电子行踪结构机理反应3.1学习中应注意的几个方面预习听课，记笔记整理、归纳、总结做习题（巩固）非常重要！讨论和答疑切记：不要死记硬背！不要临时抱佛脚！3.2学好有机化学的重要环节参考书有机化学学习指南（第2版）( 重点归纳，参考答案 ) 邢其毅，裴伟伟，徐瑞秋，裴坚. 基础有机化学(第3版). 北京：高等教育出版社，2005 教材 有机化学（第5版） (面向21世纪课程教材)天津大学有机化学教研室张文勤、郑燕、马宁、赵温涛编. 北京：高等教育出版社，2014.73.3充分利用教材教辅第一章 绪 论 1.1

6、 有机化合物和有机化学的发展和定义 1.2 有机化合物和有机反应的特性1.3 分子结构和结构式1.4 共价键 1.4.1 共价键的形成（ 键，键；杂化轨道） 1.4.2 共价键的属性 诱导效应 1.4.3 共价键的断裂和有机反应的类型1.5 分子间相互作用力 1.6 酸碱的概念 1.6.1 Brnsted 酸碱理论 1.6.2 Lewis 酸碱理论1.7 有机化合物的分类 Structure and bonding; Acids and bases1.1 有机化合物和有机化学的发展简史来自于矿物的物质不能合成，只能由生命体制造出来源1)1806年，瑞典的Berzelius从来源定义化合物：来自

7、于植物和动物的物质无机物有机物 生命力学说（活力学说）盛行于十八世纪末十九世纪初1.1.1 有机化合物近代概念的建立 该实验具有划时代意义，首次用无机物制备有机物。2) 1828年，德国化学家F. Whler在实验室中加热氨水和氰酸得到了尿素。 3) 1845年后，在实验室中又合成了醋酸、葡萄糖、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸等一系列的有机酸以及脂肪和糖类化合物等。 为现代有机化学的建立奠定了基础。 inorganicorganicHCNOFPSClBrISiB有机化合物中常见的元素organic compounds-the compounds of carbon1.1.2 有机化合物的组成和定义Wh

8、y is carbon special?LiMg或：碳氢化合物及其衍生物Why is carbon special?Of all elements, carbon alone is able to form an immense diversity of compounds.The ground-state electron configuration of carbon is 1s22s22p2 As a group 4A element, carbon atoms can share four valence electrons and forms four strong covalent

9、 bonds.Carbon atoms can bond one another, forming long chains and rings. 有机化合物无机化合物数量 超过8000万种不足40万种构成元素 C、H、O、N、P、S、X等少数几种全部元素结构特性 复杂，常有异构現象如CH3CH2OH 与 CH3OCH3；CH3CH2CHO 与 CH3COCH3较简单，较少异构化学键共价键为主离子键为主熔点 一般较低，如无水葡萄糖(范德华力) 146.5一般较高，如氯化钠(静电引力)801 溶解性一般难溶于水，易溶于有机溶剂(极性弱)一般溶于水可燃性多数易燃烧不燃的较多反应特点反应复杂，副产物多

10、，速率较慢，常需催化剂副反应少，速率快1.2有机化合物和有机反应的特性副反应多 反应速度慢K=4加热、加酸催化可促进反应的进行例如：酯化反应有机化学的反应式通常只写出主要产物，也无需配平，反应式中用箭头代替等号，以表示反应进行的方向。副产乙烯、乙醚等绝大多数有机物具有明显不同于无机物的特性！性质上的差异源于有机化合物的结构特征分子结构：分子中各原子之间的结合方式、连接顺序以及在空间的位置1.3 有机化合物分子结构及其表达 有机化合物分子结构的表达：模型表示和书面表示1）模型表示 Kekul模型 (球棒模型)Stuart模型 (比例模型)2）书面表示实线式（价键式）：用短线表示共价键结构式：表示

11、化合物分子结构的一种化学式Lewis结构式（电子式）：用电子对表示共价键缩写式（示性式）： 键线式（骨架式）：键线代表碳链骨架，写出官能团以及与C相连的O, N, S等原子（H原子除外）。C：第II周期，第IV主族元素，具有4个价电子与其他原子多以共价键形式成键 离子键原子间电子转移形成化学键共价键原子间共用电子对形成若共用的电子对由一个原子提供形成配位键1.4 共价键 covalent bond 金属键由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间静电吸引力组合而成 组成分子的原子以共价键结合是有机化合物分子基本的共同的结构特征！1900初，ionic bond，W. Kossel(德)，NaCl

12、等。1916年，covalent bond，G. N. Lewis(美)，H2、O2、N2等。1927年，Valence bond theory，W. Heitler(德)和F。London(美籍德国人)，用薛定谔方程研究H2分子。1931年，hybrid orbital，L. Pauling(美)，碳四面体结构。1930以后，molecular orbital theory，R. S. Mulliken(美)、F. Hund(德)，O2分子的顺磁性,奇电子分子或离子的稳定存在等实验现象。1.4.1 共价键的形成1）路易斯理论 1916年由美国化学家G N Lewis 提出分子中每个原子应具有

13、稳定的稀有气体的电子层结构；（八隅体结构）这种稳定结构是通过原子间共用一对或若干对电子来实现的。C：四价； H：一价；O：二价； N：三价； X：一价 局限性： 无法解释BF3、PCl5、SF6等分子的稳定性；无法解释共价键的饱和性和方向性等问题。2）价键理论（起源于电子配对，并引入量子力学） 基本要点：通过自旋相反的电子配对和原子轨道的最大重叠形成共价键，使体系达到能量最低状态共价键的性质：饱和性；方向性HH+HH=氢原子 轨道交盖 氢分子 氢原子的 s 轨道沿核间连线相互交盖形成氢分子共价键的类型： 键； 键共价键的类型： bond ：“head-on”overlap bond：“side

14、ways” overlap NOTE: the electrons in a bond occupy the region centered between nuclei, while the electrons in a bond occupy the regions on either side of a line drawn between nuclei. 键 与 键的区别：键：沿核间连线相互交盖，可沿键轴自由旋转；键：重叠大，电子云集中在核间连线上，键能大，稳定；键：存在于所有有机分子中，且在分子中可单独存在；共价键的形式： single bond由一对共用电子(2 electrons

15、)形成的键double bond由两对共用电子(4 electrons)形成的键triple bond由三对共用电子(6 electrons)形成的键 键：侧面重叠，不可自由旋转 键：重叠较小，电子云分散在核间连线上下两层，束缚小，流动性大，易极化，化学活性较高； 键：不可单独存在，与键共存于双键和叁键中。1931年美国化学家Pauling Linus提出Linus Pauling，1901.2.28-19925 年获物理化学博士学位荣获1954年诺贝尔化学奖:贡献是阐释化学键的本质，并将其应用于解释复杂物质的结构。 1962年诺贝尔和平奖。唯一 一个两次单独获得诺贝尔奖的人

16、。3) 杂化轨道 2s 2px 2py 2pz跃迁Hybridization4个sp3轨道 2s 2px 2py 2pzC: 1s22s22p2 碳原子的几种轨道杂化类型 sp3 hybridizationFour tetrahedral sp3 orbitals碳是四价的 four C-H bonds are identicalAn sp3 orbital 甲烷(CH4)的 成键示意： Single bond键轴对称方式交叠 sp2 hybridization 2s 2px 2py 2pz 2s 2px 2py 2pz跃迁Hybridization 3个sp2轨道 2pzPlanar str

17、ucture垂直于杂化轨道所在平面3个原子轨道混合再均分 乙烯(CH2=CH2)的成键示意：键 侧面交叠（电子云结合较松散） sp hybridization 2s 2px 2py 2pz 2s 2px 2py 2pz跃迁2个原子轨道混合再均分2个sp轨道 2py 2pz two sp orbitals are linear乙炔(CHCH)的成键示意：Try to indicate the hybridization of each carbon and predict the value of each bond angle.杂化轨道理论的 基本要点：原子形成分子时，同一原子中能量相近的原子

18、轨道之间可以通过混杂平均化 形成杂化轨道。一定数目的原子轨道杂化后可得到数目相同、能量相等的各杂化轨道；杂化后，轨道能量降低。每一个杂化轨道有一个电子，其电子云集中在一个方向，增加了与其他原子轨道的交盖，成键比较牢固，因此杂化轨道的成键能力更强。1.4.2 共价键的属性 1）键长(bond length)：2）键角(bond angle) ：3）键能(bond strength) ：键的解离能：在101.3kPa和298.15K下，将1mol气态分子AB 离解为 理想气态原子所需要的能量。 双原子分子中键能(E)就是键的解离能(D)。多原子分子中某一共价键的键能是分子中该键的平均解离能。(bo

19、nd dissociation energy)4）键的极性(bond polarity)键与键之间的夹角；反映分子的空间结构。两核间的平均距离。断裂1mol键所需要的能量(E)电负性 (electronegativity)反映了原子吸引电子的能力的相对强弱，决定了化学键的极化状态和电子的流向，是判断反应类型和反应机理的基本参数。键的极性：成键原子吸电子能力不同，即电负性不同，使电负性较大的原子一端电子云密度较大，呈现部分负电荷，另一端呈现部分正电荷。极性共价键 小大小大多原子分子中，分子的极性是分子中每个键的极性的向量和。例如：C-O和C-Cl是极性键，但CO2、CCl4 却为非极性分子。分子

20、的极性双原子分子, 键的极性就是分子的极性极化度：键的极化的难易程度成键原子的电子云流动性越大，极化度越大极化度大小：键 键C-F C-Cl C-Br C-I 键的极化 由于外电场的作用而引起键的极性的改变。 诱导效应（Inductive effect） 由于原子的电负性不同而引起分子中电子云密度分布不平均，并可沿分子链以静电诱导的方式传递下去，这种原子间相互影响的电子效应，称为“诱导效应” 定义电子云是沿着原子链传递诱导效应随着距离的增长急剧衰减，一般超过三根键以后影响几乎消失（近程传递）。 特点 诱导效应的分类：吸电子诱导效应（-I）推电子诱导效应（+I）取代基X电负性 H取代基Y电负性

21、HC-H键为标准常见的吸电子基：-NO2 、 -CN 、 -X、-OR、-OH、-NH(R)2、-NHCOR、-CHO、-COR、-COOH、-C6H5、 -CH=CH2 等常见的给电子基： -CH3 -C2H5 -CH(CH3 )2 -C(CH3 )3常见基团的诱导效应：产物(product)溶剂试剂(reagent) 化学反应的本质：旧键的断裂和新键的生成反应物(reactants) CCl41.4.3 共价键的断裂和有机化学反应的类型底物(substrate)1）共价键均裂与自由基反应有自由基参加的反应称为“自由基反应”产生自由基的条件：光照或高温下的气相反应非极性溶剂中，在自由基引发剂

22、引发下的液相反应H-CH2CH3H3C-CH3Cl-ClBr-Br键能kJ/mol420377243194自由基(radicals)带有未成对电子的原子或基团；活泼的反应中间体2）共价键异裂与离子型反应 极性分子或易极化的分子易发生共价键的异裂。酸、碱极性溶剂中有利于共价键的异裂。 反应过程中产生正、负离子的反应称为“离子型反应”共价键异裂碳正离子carbocation碳负离子carbanion也是活泼的反应中间体亲核反应亲电反应离子型反应亲电反应亲核反应亲电取代反应亲电加成反应亲核取代反应亲核加成反应 反应中，旧键的断裂和新键的形成是同时发生的，经过环状过渡态，且不产生自由基和离子等反应中间

23、体。周环反应： 3) 有机反应的类型：离子型反应，自由基型反应，周环反应1.5 分子间相互作用力1.5.1 偶极-偶极相互作用（取向力）极性分子的+端与另一个分子的-端的静电吸引作用。丙酮b.p.=56丁烷b.p.=- 色散力非极性分子中，电子运动产生瞬间偶极，通过诱导作用，影响邻近分子的电荷分布，产生诱导偶极。两分子间电荷相反区域相互吸引的作用力称为 van der Waals 力。它是一种普遍存在的很弱的分子间力。非极性分子之间存在的吸引力 1.5.3 氢键 B的电负性比H原子大，如O、N、FA必须是富电子的，可以是含孤对电子的A原子也可以是含 键的A分子活泼氢-+醇分子间

24、的氢键：氢键就是键合于某一个分子或分子碎片B-H上的H原子与另外一个原子或原子团A之间形成的静电吸引力。氢键具有饱和性和方向性1.6 酸和碱的概念1.6.1 Brnsted酸碱理论质子酸碱理论A Brnsted acid is a substance that donates a proton (H+)如：Ph-OH, C2H5OH，CH3COCH3A Brnsted base is a substance that accepts a proton (H+)如：CH3 NH2，CH3O-H2O的共轭碱 NH3的共轭酸 酸碱酸碱酸碱强度： 因介质不同而异，强度是相对的。一般以水为溶剂，以Ka或

25、pKa表示 Ka越大或pKa越小，酸性越强 （对应的共轭碱的碱性越弱）弱酸的共轭碱是强碱：强酸的共轭碱是弱碱：弱碱强酸弱酸强碱酸碱平衡总是有利于生成较弱的酸和较弱的碱化合物名称酸的分子式pKa共轭碱的分子式乙烷CH3CH351CH3CH2-甲烷CH448CH3-乙烯CH2CH244CH2CH-氨NH338-NH2氢气H235H-乙炔CHCH25CHC-丙酮CH3COCH319.2CH3COCH2-叔丁醇(CH3)3COH18(CH3)3CO-乙醇CH3CH2OH15.9CH3CH2O-水H2O15.7HO-甲铵离子CH3NH3+10.64CH3NH2碳酸氢根离子HCO3-10.33CO32-苯

26、酚C6H5OH9.95C6H5O-铵离子NH4+9.24NH3乙酰丙酮CH3COCH2COCH39.0(CH3COCHCOCH3)-硫化氢H2S7.04HS-一些常见化合物的pKa值 碳酸H2CO36.36HCO3-乙酸CH3COOH4.76CH3COO-苯铵离子C6H5NH3+4.63C6H5 NH2苯甲酸C6H5COOH4.19C6H5COO-甲酸HCOOH3.75HCOO-氢氟酸HF3.2F-磷酸H3PO42.1H2PO4-硝酸HNO3-1.4NO3-水合氢离子H3O+-1.74H2O甲醇合氢离子CH3O+H2-2.5CH3OH丙酮合氢离子(CH3)2CO+H-3.8(CH3)2CO苯磺

27、酸C6H5SO3H-6.5C6H5SO3-盐酸HCl-7Cl-氢溴酸HBr-8Br-硫酸H2SO4-9HSO4-氢碘酸HI-9I-六氟锑酸HSbF6-12SbF6-一些常见化合物的pKa值 续上表1.6.2 Lewis酸碱理论电子酸碱理论酸是能够接受电子对的分子或离子。 A Lewis acid is a substance that has a vacant valence orbital and thus can accept an electron pair.常见Lewis酸(缺电子的物质) 分子：BF3、AlCl3、SnCl2、FeCl3金属离子：Li+、Ag+、Mg 2+ 、Al 3

28、+正离子：H+、R+、Br+、NO2+-碱是能够给出未共用电子对的分子或离子。A Lewis base is a substance that donates an unshared electron pair.常见Lewis碱(富电子的物质)分子：NH3、RNH2、ROH负离子：X-、OH-、RO-、R-双键：烯烃、芳烃Most organic molecules that contain oxygen and nitrogen are Lewis bases.碱 酸 酸碱配合物Lewis酸碱反应的实质是形成配位键，生成酸碱配合物1.7.1 按碳的骨架分类链状化合物环状化合物碳环化合物杂环化合物脂肪环芳香环1.7 有机化合物的分类乙烷 1丁烯 丙炔 乙醇开链化合物：脂环化合物：环己烷 环戊二烯 环辛烯 环己醇芳香族化