有机化学第01章-绪论

1、1有机物和无机物化学：研究物质化学变化规律的科学1675年，勒梅里(Lmery，1645-1715，法国)：化合物为三类：矿物质、植物质和动物质1770年，博格曼(Bergman，1735-1784，瑞典)：有机物(Organic substance)：来自生物体(Living organism)无机物 (Inorganic substance)：来自矿物质1784年，拉瓦锡(Lavoisier，1743-1794，法国)：来自动植物的化合物，都含有碳(C)元素和氢(H)元素，并且常含有氮(N)元素和磷(P)元素。同一种化合物既可以由植物获得，也可以由动物获得，因此植物质和动物质间没有区别。物

2、质根据来源可分为两类：矿物质和动植物质。2生命力论及尿素的合成氰酸铵(Ammonium cyanate)尿素(Urea)1807年，贝采里乌斯(Berzelius，1779-1848，瑞典)创造了（coined）“有机化学（Organic chemistry）”术语。1815年，贝采里乌斯提出了生命力论（Vitalism）有机物是由于受生命力(Vital force)的影响生成的，而不能由人工合成。1828年，维勒(Whler，1800-1882，德国，曾在贝采里乌斯手下工作过)合成了尿素（1799年发现）当时公认的有机物：加热3有机化合物和有机化学化学无机化学物理化学有机化学分析化学量子化学

3、尿素的人工合成，是有机化学发展过程中的一个里程碑（被认为是现代有机化学的开始），它突破了有机物和无机物之间的绝对界限，动摇了生命力论的基础。1845年，科尔贝（Kolbe，1818-1884，维勒的学生）由CS2合成了醋酸，生命力论被彻底推翻。有机物就是含有碳元素的化合物。有机化学就是碳化合物的化学。4分子式为C2H6O的两个化合物结构的提出两个化合物具有相同的分子式：C2H6O5结构的提出常见元素的化合价元素化合价化合物H, Cl, Br, F1H2, HCl, Cl2, Br2O2H2O, O2N3NH3氯化氢水氨结构：有机物分子中原子排列的顺序和方式化学键：分子中的原子相互结合在一起的很

4、强的作用力化合价：不同元素的原子在相互结合时的能力6凯库勒结构理论(Single bond)单键(Double bond)双键(Triple bond)叁键结构式：用来表示化合物分子结构的式子凯库勒结构理论(1858年，Kekul，1829-1896，德国 )：碳原子在有机化合物分子中的化合价为4；碳原子之间可以用1价、2价或3价成键生成碳链，生成的化学键分别称为单键、双键和叁键。7同分异构和异构体具有相同分子式C2H6O的两个化合物为：同分异构现象(Berzelius-isomerism)分子式相同而结构不同因而是不同化合物的现象异构体(Isomer)分子式相同而结构不同的化合物 8CH3N

5、O2的3个异构体硝基甲烷(Nitromethane)，沸点为101C，赛车燃料。亚硝酸甲酯(Methyl nitrite)，沸点为12C，吸入后能引起血管扩张。氨基甲酸(Carbamic acid)，合成尿素的中间体，极不不稳定，不易分离。9平面结构的缺陷二氯甲烷(2个异构体)甲烷(1个异构体) 氯甲烷(1个异构体)10范霍夫结构理论当碳原子分别和4个原子结合时，它的4价是等同的，并指向以碳原子为中心的正四面体的四个顶角1874年，范霍夫(Vant Hoff，1852-1911，荷兰化学家)提出了正四面体结构理论11立体结构与平面结构的关系两个平面结构是同一立体结构在不同角度的投影沿平面H-C

6、-H观察沿平面H-C-Cl观察12原子的组成1897年：汤姆逊(Tomson，英国物理学家)发现了电子1919年：卢瑟福(Rutherford，英国物理学家)发现了质子1932年：查德威克(Chadwick，英国物理学家)发现了中子原子是由原子核(带正电的质子和不带电的中子)和绕核运动的带负电的电子组成的13薛定谔方程1926年，薛定谔(Shrdinger，奥地利物理学家)发表了著名的薛定谔方程该方程可以用来描述包括电子在内的任何具有波粒二象性的微观粒子。薛定谔方程的建立，开创了一个新的物理学领域：量子力学。物理学分析力学统计力学电动力学量子力学14氢原子轨道将氢原子核外电子的各种参数代入薛定

7、谔方程，并将直角坐标转换成球面坐标，然后进行求解，就可得到描述氢原子中电子运动规律的波函数。量子力学把描述电子运动规律的波函数叫做原子轨道函数，简称原子轨道(Atomic Orbital)。每个原子轨道对应着一定的能级。原子轨道用量子数描述。原子轨道可以用图示法表示，每个轨道有一定的形状。15描述轨道的三个量子数1主量子数(n)n = 1，2，3，4，用K，L，M，N，表示。n 代表了轨道离原子核的平均距离，同时也是决定轨道能量高低的重要因素。2角量子数(l)l = 0，1，2，3，n1，用s，p，d，f，表示。角量子数l表示在主量子数相同时，轨道在能量和形状上的差异。一个轨道的主量子数和角量

8、子数确定以后，其能量也随之确定。3磁量子数(m)m = 0，1，2，3，l。磁量子数决定原子轨道在空间的伸展方向。16三个量子数之间的关系nlm轨道表示法轨道数目轨道总数目1001s1120101, 0, 12s2p134301201, 0, 12, 1, 0, 1, 23s3p3d 0, 12, 1, 0, 1, 23, 2, 1, 0, 1, 2, 34s4p4d4f13571617原子轨道的形状+18多电子原子的轨道19电子填充到轨道中的原则描述一个电子的状态需要四个量子数主量子数n，角量子数l，磁量子数m，自旋量子数ms能量最低原理：电子首先填充到能量最低的轨

9、道。保里不相容原理(Pauli exclusion principle)：一个轨道同时只能容纳两个电子，且自旋必须相反。自旋的方向分别用+和表示，称电子的自旋量子数ms。洪特规则(Hunds rule)：电子尽可能分占能量相同的轨道且自旋相同。所有轨道在全满、半满和全空时较稳定。20几个典型元素的电子构型原子序数元素电子构型1H1s16C1s22s22p27N1s22s22p38O1s22s22p49F1s22s22p510Ne1s22s22p6轨道1s2s2px2py2pz21原子轨道的意义原子轨道没有明确的物理意义。原子轨道的平方(| 2)，代表了原子核外空间某一点电子出现的几率密度。由于

10、电子行踪不定地出现在空间各点，仿佛电子是分散在原子核周围的空间，因此常形象地将电子在空间出现的几率称做电子云。电子云常用图形表示。原子轨道有正负之分。电子云没有正负之分。22当活泼的金属原子和活泼的非金属原子在一定反应条件下相互靠近时，金属原子失去电子变成带正电荷的正离子，非金属原子得到电子变成带负电荷的负离子。正负离子均有稀有气体原子的八隅体结构。正负离子通过静电引力结合在一起形成离子型化合物。离子键理论Na + Cl = Na+ + Cl = Na+Cl1916年，柯塞尔(Kossel，德国化学家)提出了离子键理论 23离子晶体NaCl24共价键理论1916年，路易斯(Lewis，美国化学

11、家)提出了共价学说若两个原子各有一个未成对电子，且自旋相反，则电子所在的轨道可以相互重叠形成共价键，若有几个未成对电子，则能形成几个共价键。形成共价键后，配对的电子归两核共同所有，称为共用电子对。25共价键氢分子的形成键轴参与成键的原子轨道重叠后两原子核的连线原子可以通过共用电子形成八隅体结构(路易斯式)(凯库勒式)26共价键的键长键长键轴的长度(单位：nm或pm)27有机化合物常见化学键键长共价键键长(nm)共价键键长(nm)CH0.109CO0.143CC0.154CO0.122CC0.134CF0.141CC0.120CCl0.176CN0.147CBr0.194CN0.116CI0.2

12、1428共价键的类型和特点F2s22px12py22pz2H1s1波函数在最大值处重叠：共价键的方向性一个轨道只能和其它轨道重叠一次：共价键的饱和性29共价键的类型和特点一个元素的化合价就是未成对的价电子的数目N2s22px12py12pz130共价键的键角180二氟化铍120三氟化硼109.5甲烷31共价键的解离能和键能解离能：在298K时，将lmol基态双原子分子拆开成为基态原子所需要的能量 。D(HH)432kJ/mol键能：同一类型的共价键解离能的平均值。NH3(g) NH2(g) + H(g)D1435.1 kJ/molNH2(g) NH(g) + H(g)D2397.5 kJ/mo

13、lNH(g) N(g) + H(g)D3338.9 kJ/mol32有机化合物常见共价键的键能共价键键能(kJ/mol)共价键键能(kJ/mol)CC347CO360CC611CF485CC837CCl339CH414CBr285CN305CI21833电负性(Electronegativity，EN)原子吸引成键电子和价电子的能力鲍林元素电负性表34化学键的极性Fully covalent bond(CC)非极性共价键Polar covalent bond(CO)极性共价键Ionic bond(NaCl)离子键+ 35偶极矩(Dipole Moment)q: 偶极电荷所带的电量d: 正负电荷

14、的距离: 偶极矩， D(1D=3.33610-30 Cm =10-18 esucm)The debye unit is named in honor of Peter Debye, a Dutch scientist who did important work in many areas of chemistry and physics and was awarded the Nobel Prize in chemistry in 1936.36一些化学键的偶极矩化学键偶极矩(D)化学键偶极矩(D)HC0.4CC0HN1.3CN0.2HO1.5CO0.7HF1.7CF1.6HCl1.1CCl

15、1.5HBr0.8CBr1.4HI0.4CI1.2Paula Ruice, Organic Chemistry, 4th ed37键的极性与分子的极性氯甲烷(Chloromethane) =1.87D+二氯甲烷(Dichloromethane) =1.62D四氯甲烷(Tetrachloromethane) = 0D+38表 观 电 荷表观电荷(Formal charge)自由原子的价电子数成键原子的价电子数自由原子的价电子数(成键电子数的一半孤对电子数)水合质子铵离子39酸碱质子理论酸是反应中能够给出质子的物质（离子或分子） A Brnsted-Lowry acid is a substance that donates a proton碱是反应中能够接受质子的物质（分子或离子） A Brnsted -Lowry base is a substance that accepts a proton一个酸失去质子后生成的碱被称为该酸的共轭碱一个碱得到质子后生成的酸被称为该碱