《有机化学》第1章绪论

有机化学主讲：xxx目录1绪论2链烃3环烃4卤代烃5醇、酚和醚6醛、酮和醌8取代羧酸9对映异构10含氮、磷、硫的有机化合物11杂环化合物和生物碱12糖类化合物13脂类、萜类及甾族化合物14氨基酸和蛋白质7羧酸及其衍生物15实验实训第1章绪论1.1有机化学与有机化合物1.2有机化合物的分类1.3有机化合物的结构章节导航本章导读有机化学是以有机化合物为研究对象的一门学科，而有机化合物与人类生活息息相关。本章将介绍有机化学和有机化合物的基础知识，为后续的学习奠定基础。学习目标【知识目标】了解有机化学和有机化合物的概念。熟悉有机化合物的特性。掌握有机化合物的分类。了解共价键的性质和有机反应中共价键的断裂方式。理解化学键理论和轨道杂化理论。学习目标【素质目标】激发爱党、爱国、爱社会主义的热情。树立客观、严谨、细致的工作作风。培养勤于思考、探索未知、不怕困难的科学精神。【技能目标】能够判断某物质是否为有机化合物。能够根据有机化合物的特征进行分类。能够根据有机化合物的结构式判断化学键的类型。1.1有机化学与有机化合物想一想根据国家标准《预包装食品标签通则》（GB7718—2011）的规定，食品标签须标示4种核心营养成分（蛋白质、脂肪、碳水化合物、钠）及能量，简称“4+1”。除此之外，商家为了吸引消费者，还会自愿标示其他成分，如反式脂肪、膳食纤维、钙、维生素等。想一想：为什么要标示这些成分？这些成分是有机化合物吗？1.1.1有机化学有机化学是研究有机化合物的学科，可以看作是研究碳氢化合物及其衍生物的学科。什么是有机化学？揭示了有机化合物的结构组成有机化学揭示了有机化合物分子中各原子间键合的本质揭示了有机化合物相互转化的规律设计合成了大量具有特定性质的有机化合物分子同时，有机化学又为相关学科（如材料科学、生命科学、环境科学等）的发展提供了理论、技术和材料，使煤、石油、天然气、农产品等自然资源可以被充分利用，为合成染料、医药、炸药等产业奠定了基础。查阅资料，结合自己的专业，谈一谈有机化学的应用。谈一谈1.1.1有机化学1.1.2有机化合物有机化合物可视为碳氢化合物及其衍生物的总称。有机化合物都是含碳的化合物，但是不包括以下几种。1．有机化合物的含义硫氰化物碳酸碳氧化合物碳酸盐碳化物氰酸盐氰化物有机化合物是生命产生的物质基础。生物体内的新陈代谢和生物的遗传现象，都涉及有机化合物的转变。有机化合物脂肪氨基酸蛋白质糖血红素叶绿素酶激素1.1.2有机化合物1．有机化合物的含义都是由有机化合物构成的此外，许多与人类生活有密切关系的物质石油天然气棉花染料化学纤维油漆橡胶1.1.2有机化合物1．有机化合物的含义下面哪些化合物是有机化合物？哪些化合物不是有机化合物？为什么不是？即学即练ab二氧化碳ce氰酸钠f硫氰化钾d氢氰酸h茶多酚gSiCi有机化合物和无机化合物的区别2．有机化合物的特性有机化合物的特征结构复杂、数目庞大熔点和沸点低导电性差难溶于水热稳定性差反应速率比较慢反应产物复杂1.1.2有机化合物组成有机化合物的元素种类虽然少，但有机化合物的数目众多。组成有机化合物的元素碳氢氧氮硫磷卤素铁等金属元素主要一些天然有机化合物中含有2．有机化合物的特性1）结构复杂、数目庞大1.1.2有机化合物正丁烷

异丁烷

丙烯有机化合物数目众多的原因主要有以下3点。（1）构成有机化合物主体的碳原子的相互结合能力很强。碳原子之间可以相互结合成链状或环状结构，也可以通过单键、双键或三键等不同方式相互结合，构成各类结构复杂的有机化合物。例如：2．有机化合物的特性1）结构复杂、数目庞大1.1.2有机化合物1.1有机化学与有机化合物（2）碳原子不但可以相互结合，而且可以与其他原子（如N、O、X等）结合形成各类衍生物。（3）有机化合物的分子式相同而结构不同的现象称为同分异构现象，这些化合物互称为同分异构体（或同分异构物）。例如，C2H6O可以代表乙醇和二甲醚两种不同化合物的分子式，乙醇和二甲醚的分子结构分别为：1）结构复杂、数目庞大1.1.2有机化合物2．有机化合物的特性乙醇二甲醚1.1有机化学与有机化合物有机化合物中同分异构现象普遍存在，并且随着有机化合物分子中碳原子数目的增多，同分异构体的数目将迅速增加。1）结构复杂、数目庞大1.1.2有机化合物2．有机化合物的特性1.1有机化学与有机化合物通常，有机化合物熔点比较低，而无机化合物熔点较高。2）熔点和沸点低1.1.2有机化合物2．有机化合物的特性化学键晶格之间的作用力晶格能熔点和沸点无机化合物离子键库仑力高高有机化合物（分子晶体）共价键范德华力低低1.1有机化学与有机化合物有机化合物几乎都不导电，但也有例外，例如，聚乙炔可导电。3）导电性差1.1.2有机化合物2．有机化合物的特性可导电的聚乙炔是怎么被发现的？科学史话1967年，日本化学家白川英树在有机半导体研究中使用了聚乙炔。一次，实验室的一位研究生在合成聚乙炔时，误加了上千倍正常浓度的催化剂，生成了和往常黑色粉末状聚乙炔完全不同的银色薄膜状聚乙炔。黑色粉末状聚乙炔银色薄膜状聚乙炔可导电的聚乙炔是怎么被发现的？科学史话白川英树想，这种银色薄膜状聚乙炔有金属光泽，是否也像金属一样可导电呢？虽然测定结果显示这种聚乙炔不导电，但这件事情给了白川英树极大的启发。在后续的研究中，白川英树发现合成反应中添加了碘、溴生成的银色薄膜状聚乙炔，其导电性能会显著提升。1.1有机化学与有机化合物根据相似相溶原理，水是极性分子，大多数有机化合物是非极性分子或者极性较弱的分子，有机化合物通常难溶于水。但也有例外，例如，乙醇和醋酸在水中的溶解度就较大。4）难溶于水1.1.2有机化合物2．有机化合物的特性相似相溶原理：极性分子间的相互作用，使得极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂，难溶于非极性分子组成的溶剂，并使得非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂，难溶于极性分子组成的溶剂。知识角1.1有机化学与有机化合物但也有例外，例如，四氯化碳热稳定性高，不易燃烧，可以作为灭火剂的成分。5）热稳定性差1.1.2有机化合物2．有机化合物的特性一般有机化合物乙醚汽油沼气热稳定性较差，其受热易分解，易燃烧1.1有机化学与有机化合物有机化合物之间的反应速率较慢，通常需要几个小时、几天甚至更长的时间，例如，食物的变质、药物的失效等反应时间都比较长。6）反应速率比较慢1.1.2有机化合物2．有机化合物的特性1.1有机化学与有机化合物在有机化合物参与的反应中，由于有机化合物结构复杂，因此有多种断键和成键形式，可形成复杂的反应产物。7）反应产物复杂1.1.2有机化合物2．有机化合物的特性说一说生活中常见的有机化合物。简述有机化合物的特性。课堂检测课堂小结有机化学与有机化合物有机化学有机化合物有机化合物的含义有机化合物的特性1.2有机化合物的分类想一想那么，你知道如何对它们进行分类吗？都是有机化合物酒精的主要成分乙醇沼气的主要成分甲烷馒头的主要成分淀粉瘦肉的主要成分蛋白质猪油的主要成分油脂1.2有机化合物的分类有机化合物的分类方法按碳骨架分类按官能团分类在有机化合物分子中，碳原子连接方式不同，可形成不同的碳骨架。1.2.1按碳骨架不同分类1.2有机化合物的分类有机化合物按碳骨架的不同链状化合物环状化合物结构决定性质，想一想链状化合物和环状化合物在性质上会有什么差异，谈谈自己的理解。谈一谈链状化合物的特点是分子中的碳原子与碳原子或碳原子与其他原子相互连接成链状。这类化合物又称为脂肪族化合物。例如：1.2.1按碳骨架不同分类1.2有机化合物的分类1．链状化合物正丁烷2-己烯环状化合物的特点是分子中存在由碳原子与碳原子或碳原子与其他原子相互连接形成的环状结构。1.2.1按碳骨架不同分类1.2有机化合物的分类2．环状化合物环状化合物按组成环状结构的原子是否都是碳原子碳环化合物杂环化合物在碳环化合物的分子中，组成环状结构的原子都是碳原子。1.2.1按碳骨架不同分类1.2有机化合物的分类2．环状化合物1）碳环化合物碳环化合物按分子是否具有苯环或者稠合苯环结构脂环族化合物芳香族化合物为什么叫芳香族化合物？知识角芳香族化合物最早是指从天然的香树脂、香精油中提取出来的具有香味的物质。后来，人们发现这些物质中大多数含有苯环或稠合苯环结构，便将芳香族化合物定义为含苯环或稠合苯环结构的化合物。现在我们已经知道，仅凭气味并不能区分有机化合物是否具有苯环或稠合苯环结构，但芳香族化合物这个名称仍被使用。1.2.1按碳骨架不同分类1.2有机化合物的分类2．环状化合物1）碳环化合物稠合苯环结构是指两个或多个苯环之间通过共用两个相邻碳原子稠合而成的结构。知识链接具有环状的碳骨架（1）脂环族化合物不具有苯环或稠合苯环结构性质和脂肪族化合物相似

环戊烷环戊二烯1.2.1按碳骨架不同分类1.2有机化合物的分类2．环状化合物1）碳环化合物苯萘至少含有一个苯环或稠合苯环结构（2）芳香族化合物性质和脂环族化合物有显著区别在杂环化合物的分子中，除碳原子外，组成环状结构的原子还有氧、硫、氮等原子。1.2.1按碳骨架不同分类1.2有机化合物的分类2．环状化合物2）杂环化合物吡啶呋喃官能团是指有机化合物分子中比较活泼、容易发生反应的原子或基团，这些原子或基团在很大程度上决定了有机化合物的性质。一般来说，含有相同官能团的化合物，具有相似的性质，可把它们归为一类进行研究。有机化合物按官能团不同分类如表所示。1.2.2按官能团不同分类1.2有机化合物的分类官能团官能团名称分类名双键烯烃三键炔烃—X（F、Cl、Br、I）卤素卤代物—OH羟基醇、酚(C)—O—(C)醚键醚—CHO醛基醛官能团官能团名称分类名酮基酮—COOH羧基羧酸磺基磺酸硝基硝基化合物氨基胺—CN氰基腈（续左表）在对有机化合物进行分类时，常常把按碳骨架不同分类和按官能团不同分类两种方法结合起来使用，这样更能反映有机化合物的结构和性质。1.2有机化合物的分类课堂检测简述有机化合物的两种分类方法。课堂小结有机化合物的分类按碳骨架不同分类链状化合物环状化合物按官能团不同分类1.3有机化合物的结构想一想我们都知道有机化合物分子是由多个原子组成的，那么这些原子之间是怎样结合在一起的呢？有机化合物中的化学键一般为共价键，而熟悉化合物中普遍存在的共价键，是理解有机化合物中共价键的基础。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键价键理论分子轨道理论来解释共价键的原理下面从价键理论方面来介绍化合物中普遍存在的共价键（1）电子层。原子核外电子分层运动，形成电子层（也称能层）。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键1）原子的电子构型（2）电子亚层。根据精密仪器的观察结果，人们对电子层进行细分，将其分成多个电子亚层（也称能级），每个电子亚层上的电子具有相同的能量。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键1）原子的电子构型电子亚层按照能量从低到高依次分别命名为s、p、d、f、g、h、iK、L、M、N……电子层的电子亚层分别为1s、2s2p、3s3p3d、4s4p4d4f……另外，由于能级交错现象的存在，各电子亚层按能量从小到大排列的顺序如下。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键1）原子的电子构型查询资料，谈一谈各电子亚层按能量从小到大排列的顺序有什么规律。谈一谈（3）轨道。目前自然状态下能存在的原子，其电子最多填充到f电子亚层，因此我们以s、p、d和f电子亚层为例介绍构成电子亚层的轨道。s、p、d和f分别有1、3、5和7个轨道，每个轨道可容纳一对自旋方向相反的电子。以p电子亚层为例，其具有Px、Py、Pz

三个轨道，最多容纳三对电子，如图所示。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键1）原子的电子构型根据能量最低原理，电子一般优先占据能量低的电子亚层，且当最外层的电子个数不足以填满电子亚层的所有轨道时，每个电子优先占据一个轨道，且自旋方向相同。例如，磷原子的电子排布式为1s22s22p63s23p3（上标为电子亚层的总电子数），其3p电子亚层上的3个电子分别占据Px、Py、Pz三个轨道。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键1）原子的电子构型知识角标明电子的电子层、电子亚层、轨道等信息的形式称为电子排布式。由于能级交错现象的存在，电子并不是填充完一个电子层的轨道，再填充下一个电子层的轨道，但是在编写电子排布式时，通常是写完一个电子层的电子，再写下一个电子层的电子。例如，锰原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2。价键理论认为共价键是由成键两原子间自旋相反的孤对电子所处的原子轨道（或电子云）重叠而成的。两个原子轨道相互重叠时，重叠的程度越大，原子核间排斥力越小，系统能量越低，形成的共价键越稳定。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键2）共价键的形成电子云是电子在原子核外空间分布的形象描述。电子在原子核外空间的某区域内出现，好像带负电荷的云笼罩在原子核的周围，因此称为电子云。知识链接共价键形成的基本要点主要有以下3点。（1）成键电子自旋方向相反。成键原子的电子云重叠成键时，成键电子必须是自旋相反的孤对电子，这样才能相互接近而结合成键，因此价键理论也称为电子配对法。（2）共价键的饱和性。通常一个未成对电子若与某原子的另一个电子配对，就不再与第三个电子配对，因此原子核外的未成对电子数，也就是该原子可能形成的共价键数目。例如，氢原子只能与另一个氢原子或其他一价原子结合，氧原子只能与两个一价原子结合等，这就是共价键的饱和性。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键2）共价键的形成（3）共价键的方向性。共价键是由电子云重叠而形成的。而除s轨道呈球形对称无方向性外，p、d、f轨道在空间都有一定的伸展方向。在形成共价键时，除s轨道在任何方向上都能达到最大程度的重叠外，p、d、f轨道只有沿着一定的方向才能发生最大程度的重叠。由于形成共价键时，成键电子的电子云重叠越多，原子核间电子云密度越大，形成的共价键越稳固，因此共价键的形成应尽可能沿着电子云密度最大的方向，这就是共价键的方向性。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键2）共价键的形成例如，H2分子的形成如图所示。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键2）共价键的形成注：H原子的电子排布式为1s1。例如，HCl分子的形成如图所示。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键2）共价键的形成注：Cl原子的电子排布式为1s22s22p63s23p5

。共价键的基本属性可定性或半定量确定分子的形状、解释分子的某些性质。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键3）共价键的基本属性共价键的基本属性主要体现在键长键能键角键的极性在理论上可以根据量子力学计算而得，也可以由实验测得（1）键长、键能。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键3）共价键的基本属性指成键两原子核间的距离键长键长越短破坏化学键需要的能量越多，化合物越稳定键长越长化合物越易发生化学反应指共价键在形成或断裂过程中所释放或吸收的能量键能共价健键长（pm）键能（kJ/mol）F—F141.8154.8Cl—Cl198.8239.7Br—Br228.4190.16I—I266.6198.95C—C154345.6134602±21120835.1120.7493.59109.8941.691.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键3）共价键的基本属性共价键键长（pm）键能（kJ/mol）H—H74.2436.00H—F91.8565±4H—Cl127.4431.20H—Br140.8362.3H—I160.8294.6O—H96458.8S—H134363±5N—H101386±8C—H109411±7(续左表)（2）键角。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键3）共价键的基本属性指2价以上的原子与其他原子所形成的多个共价键之间的夹角键角（3）键的极性。形成共价键时，电负性高的原子会把成键电子对“拉”向自己，使得电荷分布不均匀，这种共价键具有极性，称为极性共价键。由于成键两原子的电负性不相同而产生的共价键的极性形成σ键和π键的电子分别称为σ电子和π电子。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键4）共价键的类型在有机化合物分子中，单键都为σ键，而双键和叁键都只含有一个σ键，其余均为π键。提示共价键按原子轨道重叠方式及重叠部分对称性的不同σ键π键1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构1．化合物中普遍存在的共价键4）共价键的类型σ键和π键的特征比较如表所示。共价键类型σ键π键原子轨道重叠方式沿键轴方向“头碰头”重叠沿键轴方向“肩并肩”重叠原子轨道重叠部位集中在两原子核之间键轴处，可绕键轴旋转分布在通过键轴的一平面的上下方，键轴处无分布，不可绕键轴旋转原子轨道重叠程度大小键的强度较大较小化学活泼性不活泼活泼注：键轴即为成键两原子的核间连线。不同种类原子轨道混合起来重新组合成新原子轨道的过程称为原子的轨道杂化。形成的新原子轨道称为杂化轨道。碳原子是有机化合物的结构基础，其杂化轨道的形成在一定程度上决定了有机化合物的性质。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构2．有机化合物中的共价键1）碳原子的轨道杂化碳原子的电子排布式为1s22s22p2，在基态时其2p电子亚层上有两个未成对电子，分别分布在Px、Py轨道上，可形成2价粒子。而在有机化合物中，碳均为4价，此时碳原子处于激发态。在激发态时，碳原子中2s电子亚层的一个电子会填充到2p的Pz轨道上。此时，可参与轨道杂化的有1条s轨道和3条p轨道。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构2．有机化合物中的共价键1）碳原子的轨道杂化碳原子的轨道杂化根据参与轨道杂化的p轨道数目不同sp3杂化sp2杂化sp杂化其中上标3、2、1表示参加轨道杂化的p轨道数目处于激发态的原子称为激发态原子。提示指原子具有最低能量时的状态基态基态原子吸收能量后，电子跃迁到较高的电子亚层的状态激发态处于基态的原子称为基态原子。（1）sp3杂化。甲烷（CH4

）分子中的碳原子采取sp3杂化，结果如下。①

sp3杂化轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。②有4个sp3杂化轨道且完全相同，它们在空间的分布呈正四面体，其对称轴间的夹角为109.5°。③

4个H原子只能从四面体的4个顶点进重叠（因顶点方向电子云密度最大），形成4个等同的C—H键（σ键）。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构2．有机化合物中的共价键1）碳原子的轨道杂化（2）

sp2杂化。乙烯（C2H4）分子中的碳原子采取sp2杂化，结果如下。①有3个sp2杂化轨道且处于同一平面，彼此间成120°。②未参加杂化的轨道与此平面垂直。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构2．有机化合物中的共价键1）碳原子的轨道杂化（3）sp杂化。乙炔（C2H2）分子中的碳原子采取sp杂化，结果如下。①sp杂化轨道的s成分更大，电子云离核更近。②有2个sp杂化轨道，它们之间的夹角为180°。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构2．有机化合物中的共价键1）碳原子的轨道杂化当有机化合物发生化学反应时，分子中原来的共价键会断裂且新的共价键会形成。1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构2．有机化合物中的共价键2）有机化合物中共价键的断裂共价键的断裂的方式均裂异裂1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构2．有机化合物中的共价键2）有机化合物中共价键的断裂（1）均裂。指共价键断裂时，成键的一对电子平均分配给两个成键原子均裂

均裂生成的带有未成对电子的原子或原子团称为自由基（也称游离基），通常用R·表示，小黑点表示未成对电子。例如，CH3·称为甲基自由基（也称甲基游离基）。共价键按均裂方式断裂的反应称为自由基反应。自由基反应一般在光和热的作用下进行。

1.3.1有机化合物的化学键1.3有机化合物的结构2．有机化合物中的共价键2）有机化合物中共价键的断裂（2）异裂。指共价键断裂时，成键的一对电子保留在一个原子上