第一章有机化合物的结构和性质

第一章有机化合物的结构和性质①1806年,柏则里(Berzelius)首先提出“有机化学”名词、

②生命力学说、(OrganicChemistry)③作为一门单独学科,有机化学奠基于18世纪中叶、

1828年,F、Wöhler在实验室由公认得无机物氰酸铵(NH4OCN)经热分解人工合成了有机化合物尿素(NH2CONH2),突破了生命力学说得约束,促进了有机化学得发展、此后许多以简单得无机物为原料合成了许多其她有机化合物、1、1有机化合物和有机化学一、有机化学得发展④19世纪下半叶,有机合成得到了快速发展,20世纪初开始建立了以煤焦油为原料合成染料、药物和炸药为主得有机化学工业、⑤20世纪40年代开始发展了以石油为主要原料得有机化学工业,特别就是生产合成纤维、合成橡胶、合成树脂和塑料为主得有机合成材料工业、

CH二、有机化学得定义

※有机化学—研究含碳化合物得化学、凯库勒(A、Kekulé,1829-1896)、

※有机化学—研究碳氢化合物及其衍生物得化学、肖莱马(K、Schorlemer,1834-1892)、

有机化学—研究含碳化合物得化学、凯库勒(A、Kekulé,1829-1896)、

有机化学—研究碳氢化合物及其衍生物得化学、肖莱马(K、Schorlemer,1834-1892)、

有机化学—研究含碳化合物得化学、凯库勒(A、Kekulé,1829-1896)、

有机化学—研究碳氢化合物及其衍生物得化学、肖莱马(K、Schorlemer,1834-1892)、教材封面自然界中碳得循环

有机化学(研究含碳化合物)

成为独立学科得原因◆有机化合物用途广泛,遍及国民经济及日常生活各个领域。需要系统研究其性质、理论及合成方法与应用、◆典型得有机化合物与无机物得性质有着显著得差异,需要用不同得方法和手段来进行研究、

有机化合物与无机物在性质上得差别主要就是由于其结构得化学键差异形成得。有机化合物多为共价键而无机物则多为离子键。这就导致有机化合物有不同特点、①组成元素少(C,H等),但种类繁多、目前有机物得数目大于1400万个,并以40万个/年得速度递增,原因就是:A、

碳元素得结构特点:核外电子排布1s22s22p2B、

碳原子相互结合能力很强(碳链和碳环)C、

碳得同素异形体得存在:(1)石墨(2)金刚石(3)富勒烯C60/C701、2有机化合物得特点(包括以下五个方面):石墨得晶体结构(SP2)9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流金刚石得晶体结构(SP3)足球烯(富勒烯)(SP2-SP3):D、

含碳化合物之间得转化

CH4CH3Cl、、、

CCl4C金刚石E、不同官能团化合物之间得转化、碳链得增加和减少……

导致有机化合物种类繁多得原因除了上述C原子得特殊结构以外,有机化合物中还存在同分异构现象、

分子式相同而结构相异因而其性质也各异得不同化合物,称为同分异构体,这种现象叫同分异构现象、例1:乙醇和二甲醚

CH3CH2-OH,CH3-O-CH3例2:丁烷和异丁烷

CH3CH2CH2CH3

CH3CHCH3CH3

＊碳化合物含有得碳原子数和原子种类越多,她得同分异构体也越多、F、

有机化合物结构上存在同分异构现象一、同分异构现象构造异构:分子中各原子间相互结合得顺序不同而导致得异构现象、例如:丁烷和异丁烷此外,有机化合物还可由于构型(顺、反;Z、E;R、S)和构象不同而造成异构现象、

有机化合物得结构就是指:分子中原子间得排列次序(构造),原子相互间得立体位置(构型),化学键得结合状态(构象)以及分子中电子得分布状态(共振)等各项内容在内得总称、二、构造异构现象三、有机化合物得结构构造构型构象得概念构造(constitution):分子中原子间得连接次序;构型(configuration):一定构造得分子中,原子和基团在空间得排布;构象(conformation):一定构型得分子中,由于单键得旋转而导致原子和基团在空间得不同排布。构型就是固定得,而构象一般就是瞬间得。构型得变化须破坏化学键,而构象得变化则不会发生键得断裂。②易燃烧:生成CO2和H2O

③热稳定性差:受热易分解,熔点低,一般<400ºC,而无机物一般熔点、沸点较高。④大多数有机物不溶或难溶于水:有机物多为非极性化合物。⑤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;而有机反应一般为分子间反应,需要较高得活化能,故反应需要时间。同时,有机反应得副反应较多,一般产率达不到100%。☆有机化合物得特点小结:组成元素少,但种类多,数目大(C结构特点及同分异构)、易燃、生成CO2和H2O熔沸点、热稳定性低、易溶于有机溶剂,难溶于水、反应速度慢、时间长,往往伴随副反应、

以上特点就是由有机化合物中普遍存在得共价键决定得,因此有机化学也就是研究共价键得形成和断裂得科学、•碳元素:核外电子排布1S22S22P2,电负性居中,不易获得或失去价电子,易形成共价键、(1)路易斯结构式:用共用电子得点来表示共价键得结构式、(2)凯库勒结构式:用一根短线代表一个共价键、路易斯结构式凯库勒结构式1、3有机化合物中得共价键及形成理论C+4HCHH••••••••H••••H—C—HHHH原子轨道—原子中每个核外电子得运动状态都可以用一个单电子得波函数(x,y,z)来描述、称为原子轨道,因此电子云形状也可以表达为轨道得形状、(1)共价键得形成可看作就是原子轨道在成键原子之间得

重叠(交盖)或电子(自旋相反)配对得结果。

(2)共价键得饱和性—一个未成对得电子配对成键后就不能与其她未成对电子偶合、(3)共价键得方向性(最大重叠原理):两个电子得原子轨道得重叠部分越大,形成得共价键就越牢固、一、量子化学得价键理论(定域理论):方向性决定分子空间构型,因而影响分子性质、(1)当原子组成分子时,形成共价键得电子运动于整个分子区域、(2)分子中价电子得运动状态,即分子轨道,用波函数来描述;(薛定谔方程得解)(3)分子轨道由原子轨道线性组合形成(LCAO),形成得轨道数与参与成键得原子轨道数相等、

1=

1+2(符号相同,即:波相相同、成键轨道)

2=

1-2(符号不同,即:波相相反、反键轨道)二、分子轨道理论(离域理论)(4)每个分子轨道只能容纳两个自旋相反得电子、(5)电子总就是首先进入能量低得分子轨道、2个氢原子轨道线性组合组成2个氢分子轨道成键轨道1=1+2反键轨道2=1-2(6)共价键具有方向性(最大重叠原理):2p1syx1s2pyx(a)x轴方向结合成键(b)非x轴方向重叠较小不能形成键对称性匹配(位相相同)。最大重叠(成键得方向性)。能量相近(杂化轨道)。如何使原子轨道得能量相近呢?分子轨道形成时必须满足三个条件:三、杂化轨道理论2p———2s—1s—能量碳原子基态得电子构型2p———2s—1s—一个2s电子激发至能量较高得2pz空轨道只需要402kJ/mol、能量2p———2s—1s—————基态激发态sp3杂化态碳原子2s电子得激发和sp3杂化

C采取sp3杂化轨道与4个H原子得s原子轨道形成4个sp3-s型得C-H键(CH4)比形成CH2要稳定得多、(414×4-402)kJ/mol。形成CH4

时仍有约1255kJ/mol能量释放出。所以这个体系CH4比形成两个共价键得CH2稳定得多。这四个sp3杂化轨道得能量就是相等得,每一轨道相等于1/4s成分,3/4p成分、sp3杂化轨道得图形(1)键长——两个成键原子得原子核之间得距离、(不同化合物中同一类型得共价键也可能稍有不同,平均键长)(2)键角(方向性)——任何一个两价以上得原子,与其她原子所形成得两个共价键之间得夹角、(3)键能

——气态原子A和气态原子B结合成气态A-B分子所放出得能量,也就就是气态分子A-B离解成A和B两个原子(气态)时所吸收得能量、(泛指多原子分子中几个同类型键得离解能得平均值)、离解能——一个共价键离解所需得能量、(指离解特定共价键得键能,例如甲烷中四个C-H键得离解能就是不同得)、1、4有机化合物中共价键得键参数(4)键得极性和元素得电负性等性双原子分子H—H,Cl—Cl等得成键电子云对称分布于两个原子之间,分子得偶极矩为０,这样得共价键没有极性。下列化合物有极性(成键原子电负性不同):

H(+)

Cl(-)

(极性共价键)

H3C(+)

Cl(-)

(极性共价键)部分负电荷(-)部分正电荷(+)诱导效应CH3→

CH2→

CH2→

Cl-+++电负性——一个元素吸引电子得能力。偶极矩——正电中心或负电中心得电荷与两个电荷中心之间得距离d得乘积、(方向性:正到负,一般用符号表示。

qd(D,德拜)

在双原子组成得分子中,键得极性就就是分子得极性,键得偶极矩就就是分子得偶极矩。在多原子组成得分子中,分子得偶极矩就是分子中各个键得偶极矩得向量和。H—ClCH3—ClH—CC—Hμ=1、03Dμ=1、87Dμ=0＊键参数得含义键长及键能:反映键得强度,即分子得稳定性、键长越短,键能越强,分子越稳定、键角:反映分子得空间构型、键得偶极距及键得极性:反映键得断裂能力,与反应活性相关、(1)均裂:

两个原子之间得共用电子对均匀分裂,两个原子各保留一个电子得断裂方式、产生活泼得自由基(游离基)、

A:B

A·+B·例如:

Cl:Cl(光照)

Cl·+Cl·CH4+Cl·

CH3·+H:Cl

＊有自由基参与得反应叫自由基反应、

1、5共价键得断裂--均裂与异裂(2)异裂:

共价键断裂时,两原子间得共用电子对完全转移到其中得一个原子上得断裂方式、结果产生正、负离子(有正或负离子参与得反应叫离子型反应)、

A:B

A++B-例如:(CH3)3C:Cl

(CH3)3C++Cl-(3)协同反应——旧键得断裂和新键得生成同时发生得反应。反应过程中无任何活性中间体,没有明显分步得共价键均裂或异裂、例如:D-A双烯加成反应、凡就是能给出质子得物质叫酸,凡就是能与质子结合得物质叫碱、在有机化学中得酸碱一般指此类、酸给出质子后即形成了该酸得共轭碱,碱则反之。

1、6有机化学中得酸碱概念(1)布伦斯特(Bronsted)质子酸碱理论强酸得共轭碱必就是弱碱(如:HCl和Cl-)弱酸(CH3COOH)得共轭碱就是强碱(CH3COO-)酸碱得概念就是相对得:如HSO4-(既就是酸,也就是碱)凡就是能接受外来电子对得都叫做酸,凡就是能给予电子对得都叫做碱、酸和碱又可分别称为电子对得受体和给体、(2)路易斯(Lewis)电子酸碱理论

B得核外电子排布:1s22s22p1;

Al得核外电子排布:1s22s22p６3s23p1

BF3(酸)+:NH3(碱)

F3B-NH3sp3AlCl3(酸)+:

Cl-(碱)

Cl3Al-Cl=AlCl4-

缺电子化合物:共价性高,有空轨道、能接受外来电子对,就是Lewis酸路易斯(L)酸:能接受外来电子对,具有亲电性、在反应时,有亲近另一分子得负电荷中心得倾向,又叫亲电试剂、路易斯(L)碱:能给予电子对,具有亲核性、在反应时,有亲近另一分子得正电荷中心得倾向,又叫亲核试剂(“核”作为正电荷得同义语)、如:(3)亲电性与亲电试剂;亲核性与亲核试剂HO-+CH3—ICH3—OH+I-

••••••δ+δ-(1)酸得强弱

HA+H2O

H3O++A-

Keq=[H3O+][A-]/[HA][H2O]

在稀水溶液中得酸性常数Ka

:

Ka=Keq[H2O]=[H3O+][A-]/[HA]

一般以pKa值(pKa=-lgKa

)来表示酸得强弱;pKa值越低酸性越强、(4)酸碱得强弱和酸碱反应

有机化学中酸碱得强弱一般指布伦斯特酸碱、(2)碱得强弱同理碱强度以pKb表示,也常用其共轭酸得pKa值来表示、共轭酸强则其共轭碱就是个弱碱、(3)酸碱得强弱和酸碱反应利用各化合物得pKa值来预测酸碱反应得进行,例:

CH3COOH+OH-CH3COO-+H-OH乙酸(pKa=4、72)

共轭碱(强)共轭碱(弱)水(pKa=15、74)

乙酸得酸性比水强质子得转移总就是由弱碱转移到强碱反应向右进行、(1)开链族化合物(脂肪族化合物):

1、7有机化合物得分类一、按碳链分类(2)碳环族化合物(化合物由碳原子构成碳环)

A:脂环族化合物:

B:芳香族化合物:(3)杂环化合物:按分子中含有相同得、容易发生某些特征反应得原子或原子团及特征化学键结构进行分类:①原子(如卤素原子)②原子团(如:羟基-OH、醛基-CHO、羰基>C=O、羧基-COOH、硝基-NO2,氨基-NH2、腈基-CN等)③某些特征化学键结构(如双键>C=C<、叁键-

CC-

)等分类、

含有相同官能团得有机化合物具有类似得物理化学性质,所以按官能团分类为研究复杂得有机化合物提供了系统方便得研究方法,确定了有机化学得知识结构主线、二、按官能团分类有机化学教材得主线:根据官能团得不同,可以将有机化合物分为烷