有机化学第一张-绪论.ppt
第一章 绪 论,第一章 绪 论,1.1 有机化合物和有机化学,1.2 有机化合物的特性,1.3 有机化合物的分子结构和结构式,1.4 共价键,1.5 分子间相互作用力,1.6 有机化学中的酸碱理论,1.7 有机化合物的分类,1.8 有机化合物的研究程序(自学),1.9 有机化学学习方法浅谈,第一章 目 录,有机化合物与古人类生活关系密切,有机化合物与人类生活关系密切,有机化合物与国民经济关系密切,1.1.1 有机化合物,棉麻丝毛、合成纤维、皮草；淀粉、油脂、肉蛋奶、水果蔬菜；合成药及中草药；洗涤剂、化妆品；涂料、家具、文具纸张；橡胶及塑料制品；,能源、炸药、石油化工；化肥、农药；新型电子、医药材料；,1.1 有机化合物和有机化学,酿酒、制醋、造纸、中草药,有机化合物就是含碳化合物(L.Gmelin定义，1894年)。,有机化合物就是碳氢化合物及其衍生物。(Schorlemmer),有机化合物的定义,定义1,定义2,1.1 有机化合物和有机化学,1.1.2 有机化学,有机化学简史1806年，柏则里提出“有机化学”这一名词和“生命力”学说；1828年,F.Wohler由氰酸铵NH4OCN合成尿素NH2CONH2；1845年Kolbe合成醋酸;1854年，柏赛罗合成油脂；18501900年，合成有机化学时代，煤焦油化学时代；19001940年，有机化学工业时代，煤焦油染料、药物、炸药；1940年，石油化工时代，石油三大合成材料（橡胶、塑料、合成纤维）；1990年，有机化学与生命科学、环境科学、材料科学、能源工业、国防工业、电子工业、信息产业、无机非金属材料、各种轻工行业紧密联系，相互促进。,1.1 有机化合物和有机化学,有机化学可以看作是碳氢化合物及其衍生物的化学，它包括有机合成化学、天然有机化学、生物有机化学、元素有机及金属有机化学、物理有机化学、有机分析化学、应用有机化学等分支。,有机化学的定义,有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质及其变化规律的科学。,1.1 有机化合物和有机化学,有机化学是化学学科的重要组成部分。200多年来，有机化学的发展，揭示了构成物质世界的各种有机化合物的结构、有机分子中各原子间键合的本质以及它们相互转化的规律，并设计合成了大量具有特定性质的有机分子；同时，它又为相关学科(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。有机化学的成就使煤、石油、天然气、农产品等自然资源得到了充分的综合利用，为合成染料、医药、炸药等工业奠定了基础。,1.1 有机化合物和有机化学,今天，有机化学正处于富有活力的发展时期。其趋势和特点是：与生命科学、材料科学及环境科学密切结合；分子识别和分子设计正在渗透到有机化学的各领域；选择性反应，尤其是不对称合成，已成为有机化学的热点和前沿领域；有机化学继续在新药和农、医用化学品以及分子电子材料的开发中起主导作用。,1.1 有机化合物和有机化学,有机化学课程是我校化学化工类各专业的主干基础课、重点课程和精品课程，也是陕西省级精品课程。这些专业的学生必须掌握有机化学的基本知识及实验技能，才可以很好地学习后继的专业课程，掌握纸张、皮革、食品、药剂、无机和有机高分子材料及其加工助剂等的结构与性能间关系，正确选择工艺条件，合成和应用相关化学品，提高各种产品的加工工艺水平和质量档次。在我校的优势学科及研究方向如皮革化学品、造纸化学品、食品添加剂、陶瓷添加剂等的开发和应用中，有机化学起着主导作用。,1.1 有机化合物和有机化学,组成,除C、H以外，只含有O、N、S、P、X等少数元素。有机物数目繁多(400万/70万),原子间通常以共价键的方式结合；同分异构现象普遍。,易燃、易爆；热稳定性差；熔、沸点低；难溶于水；反应速度慢。例：HOAc:m.p 16.1 b.p 116;NaCl:m.p 800 b.p 1440,1.2 有机化合物的特性,1.2 有机化合物的特性,1.3 有机化合物的分子结构和结构式,结构(structure)分子中原子的排列次序、原子相互间的立体位置、化学键的结合状态以及分子中电子的分布状况等各项内容的总和。分子的性质不仅取决于其元素组成，更取决于分子的结构。“结构决定性质，性质反映结构”，这是有机化学教与学的主线。构造(constitution)分子中原子间相互连接的顺序叫做分子的构造。,1.3 有机物的分子结构和结构式,例1：2-甲基丙醇的表示方法：,路易斯式书写麻烦,短线式较麻烦,缩简式较为常用,键线式较为常用,结构的表示方法,1.3 有机物的分子结构和结构式,例2：苯的构造式,路易斯式,短线式,键线式,缩简式,1.3 有机物的分子结构和结构式,1.4 共价键,1.4.1 共价键的形成,1.4.2 共价键的基本属性,1.4.3 共价键的断裂方式与有机反应的类型,(2)杂化轨道理论,(3)分子轨道法,(1)价键法,(1)键长,(2)键能,(3)键角,(4)键的极性 和诱导效应,(1)断键方式与反应类型,(2)均裂 自由基反应,(3)异裂 离子型反应,(4)周环反应,1.4 共价键,1.4 共价键,共价键最基本特点是具有饱和性和方向性。在有机化合物中，所有的碳必须是4价！成键原子间必须沿着电子云密度最大的方向重叠成键。,1.4 共价键,1.4.1 共价键的形成,描述共价键的两种理论：价键理论：形象直观，定域的观点，常用于描述非共轭体系；分子轨道理论：离域的观点，常用于描述共轭体系。将价键理论和分子轨道理论结合起来，可以较好地说明有机分子的结构。,1.4.1 共价键的形成,(1)价键理论,H2的形成成键电子处于成键原子之间。(略),(2)杂化轨道理论,1.4.1 共价键的形成,(a)sp3杂化,甲烷分子中的碳原子采取sp3杂化。杂化的结果：,sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。四个sp3杂化轨道完全相同，取最大的空间距离为正四面体构型，轨道夹角为109.5。(动画)构型原子在空间的排列方式。四个H原子只能从四面体的四个顶点进行重叠(因顶点方向电子云密度最大),形成4个CH键。(动画),1.4.1 共价键的形成,(b)sp2杂化,乙烯分子中的碳原子采取sp2杂化。杂化的结果：,sp2轨道的s成份更大些,(动画),(动画),未参与杂化的p轨道间肩并肩重叠形成键,1.4.1 共价键的形成,(c)sp杂化,乙炔分子中的碳原子采取sp杂化。sp杂化的结果：,sp杂化轨道的s成分更大，电子云离核更近!两个sp杂化轨道取最大键角180。所以：,乙炔分子中电子云的形状为对称于C-C键的圆筒形。,乙炔分子的骨架,1.4.1 共价键的形成,讨 论,不同杂化态碳原子的电负性不同，导致其与氢原子或其他原子形成的键的性质不同。电负性：sp杂化碳 sp2杂化碳 sp3杂化碳!杂化轨道可形成键，如C-H、C-C、C-X、C-O、C-N等。键是有机分子构成碳链或碳环的基础。未参与杂化的p轨道可形成键，如C=C、C=O、CC、CN等。,1.4.1 共价键的形成,(3)分子轨道法,分子轨道理论主要用来处理p电子或电子。乙烯分子中有两个未参加杂化的p轨道，这两个p轨道可通过线性组合（加加减减）而形成两个分子轨道(轨道)：,1.4.1 共价键的形成,(),(*),1.4.1 共价键的形成,1.4.2 共价键的基本属性,成键原子的平衡核间距。以nm(10-9m)表示。不同的共价键有不同的键长；(高P10表1-2)例如：CC 键长0.154nm CH 键长0.109nm C=C 键长0.133nm CO 键长0.143nm相同的共价键，处于不同的化学环境时，键长也稍有差异。(袁P8表1-2)一般地：键长越短，化学键越牢固，越不容易断开。,(1)键长,1.4.2 共价键的基本属性,(2)键能,键能即键的平均解离能。例如：,平均值：(423+439+448+347)4=414KJ/mol CH的键能为414KJ/mol。,化学键的键能越大，键越牢固。(P10表1-3),1.4.2 共价键的基本属性,(3)键角,键与键之间的夹角。键角与成键中心原子的杂化态有关，也受分子中其他原子的影响。,立体透视式的写法,1.4.2 共价键的基本属性,(4)键的极性和诱导效应,键的极性是由于成键原子的电负性(P11表1-4)不同而引起的。例如：,一般地：成键原子电负性差大于1.7，形成离子键；成键原子电负性差为0.51.6，形成极性共价键。,a.键的极性,1.4.2 共价键的基本属性,键的极性用偶极矩(键矩)来度量：,qd 的单位：Cm(库仑米)q正、负电中心的电荷 d 电荷中心之间的距离 例：HCl CH3Cl,1.4.2 共价键的基本属性,b.分子的极性,键的极性可引起分子的极性，分子的偶极矩等于键的偶极矩的矢量和。例如：,分子的极性影响化合物的沸点、熔点和溶解度等。,1.4.2 共价键的基本属性,c.诱导效应,由于成键原子的电负性不同而引起的分子中电子云的转移称为诱导效应(Inductve effect)。例如，1-氯丁烷分子中的氯原子有吸电子诱导效应(-I)：,诱导效应的特点：由电负性的不同而引起。吸电子诱导效应-I；给电子诱导效+I；沿-键传递，且随着碳链增长迅速减弱；23 个C以后，诱导效应几乎为零。用直箭头表示诱导效应引起的电子云的转移方向。,1.4.2 共价键的基本属性,小 结,绝大多数有机物分子中都存在共价键。共价键的键能和键长反映了键的强度，即分子的热稳定性；键角反映了分子的空间形象；键的偶极矩和键的极化性反映了分子的化学反应活性和它们的物理性质。,1.4.2 共价键的基本属性,1.4.3 共价键的断裂方式与有机反应的类型,发生均裂的反应条件是光照、辐射、加热或有过氧化物存在。均裂的结果是产生了具有不成对电子的原子或原子团自由基。有自由基参与的反应叫做自由基反应或均裂反应。,均裂,1.4.3 共价键的断裂方式与反应类型,异裂,发生异裂的反应条件是有催化剂、极性试剂、极性溶剂存在。异裂的结果产生了带正电荷或负电荷的离子。发生共价键异裂的反应，叫做离子型反应或异裂反应。,1.4.3 共价键的断裂方式与反应类型,周环反应：,反应经环状过渡态，旧键的断裂和新键的生成同时进行。,例：,1.4.3 共价键的断裂方式与反应类型,有机反应的类型,1.4.3 共价键的断裂方式与反应类型,1.5 分子间相互作用力,例1：,例2：,1.5.1 偶极-偶极相互作用,1.5 分子间相互作用力,1.5.2 Van der waals力,由于分子或电子的运动而导致分子中电子云分布不均匀，产生的局部偶极称为瞬时偶极或诱导偶极。瞬时偶极或诱导偶极间的相互作用力称为Van der waals力。,范氏力主要存在于非极性分子之间。例如：烷、烯、炔、苯、Br2、I2等分子间力主要是范氏力。上述非极性分子的沸点较低，且b.p随着分子量而。,1.5 分子间相互作用力,1.5.3 氢键,由氢原子和两个电负性很强的原子可形成氢键。例如：,氢键具有饱和性和方向性，但键能却远远小于普通的化学键。作用力大小顺序：普通化学键氢键偶极偶极作用力范氏力 1023KJ/mol 2030KJ/mol,1.5 分子间相互作用力,1.6 有机化学中的酸碱理论,1.6.1 Brnsted酸碱理论,能给出质子者为酸。例如：,1.6 有机化学中的酸碱理论,能接受质子者为碱。例如：,有些有机化合物既能给出质子，又能接受质子，它们既是酸又是碱。例如：,1.6 有机化学中的酸碱理论,共轭碱和共轭酸的概念：强酸的共轭碱是弱碱，弱酸的共轭碱是强碱；强碱的共轭酸是弱酸，弱碱的共轭酸是强酸。酸和碱的概念是相对的。例如：乙醇与硫酸反应时为碱，与水反应时为酸；乙胺与水反应时为碱，与OH-反应时为酸。化合物的酸性可用Ka或pKa表示；化合物的碱性可用Kb或pKb表示。,讨 论,1.6 有机化学中的酸碱理论,1.6.2 Lewis酸碱理论,凡能接受外来电子对者为酸，凡能给出电子对者为碱。例如：,1.6 有机化学中的酸碱理论,lewis碱就是Brnsted碱。如：:NH3 Brnsted碱，lewis碱。lewis酸则与Brnsted酸略有不同。如：H+lewis酸，非Brnsted酸；HClBrnsted酸，非lewis酸；BF3和AlCl3 lewis酸，非Brnsted酸。Brnsted酸碱理论和lewis酸碱理论在有机化学中均有重要用途。,讨 论,1.6 有机化学中的酸碱理论,1.6.3 硬软酸碱原理,“软”电子云易变形，可极化度高；“硬”电子云不易变形，可极化度低。例：H+、Al3+、BF3 硬酸;SO42-，F-，O(C2H5)2 硬碱；Ag+、Hg2+、Br2、RX 软酸;SO32-，CH2=CH2、S(C2H5)2 软碱。,1.6 有机化学中的酸碱理论,软硬酸碱反应原理：“硬亲硬，软亲软，软硬交界就不管。”例1：稳定性：H2 SO4H2SO3；BF3O(C2H5)2BF3S(C2H5)2；例2：乙烯在室温下就可与溴起加成反应：,1.6 有机化学中的酸碱理论,1.7 有机化合物的分类,对有机物进行分类的目的是便于介绍和讨论有机化合物。按碳链分类,1.7 有机化合物的分类,1.7.2 按官能团分类,官能团决定化合物典型性质的原子或原子团。含有相同官能团的化合物具有相似的化学性质，是同类化合物。按官能团分类可将有机物分为：烷、烯、炔、卤代烃、芳香烃、醇、酚、醚、醛、酮、醌、羧酸、羧酸衍生物、硝基化合物、胺、重氮和偶氮化合物、杂环化合物 等。通常将以上两种分类方法结合使用。如：“开链烯烃”、“脂肪酸”、“芳香胺”,1.7 有机化合物的分类,一些常见官能团及其名称,1.7 有机化合物的分类,1.7 有机化合物的分类,官能团优先次序规则：(高鸿宾，实用有机化学辞典，高教出版社，1997)羧基、磺酸、酯，酰卤、酰胺、腈，醛基、酮基、醇羟基，酚、巯、氨基、（氢）、烷氧基、烷基、卤素、硝基。,1.7 有机化合物的分类,1.8 有机化合物的研究程序,研究一个新的有机化合物，通常需要经历以下程序：(1)分离提纯(2)物理常数的测定(3)元素分析和实验式的确定(4)相对分子质量的测定和分子式的确定(5)结构的确定(a)官能团分析(b)化学降解及合成(c)物理方法的应用,-自学。见高鸿宾，有机化学(第四版)，P2122。,1.8 有机化合物的研究程序,1.9 有机化学学习方法浅谈,课前预习，课后复习。学会听课，及时发问，提高学习效率。必要的记忆：如命名原则、某些重要的反应等。通过必要的记忆，可以熟悉反应，发现规律，活跃思维，提高兴趣。提纲挈领，把握主线结构与性能的关系。学会鸟瞰，及时总结，按时完成作业。,学好有机化学的关键是要走进有机化学，喜欢有机化学。喜欢有机化学的过程：认识好感 追求 热爱以下的技术性措施仅供参考：,1.9 有机化学学习方法浅谈,关于作业和考试,作业有机化学三大块内容：课堂理论教学、习题作业、实验教学，相辅相成，缺一不可；作业按章交给辅导教师，每章都交，便于教师登记；教师每次批改12。考试老师和学生是同一战壕的战友。,1.9 有机化学学习方法浅谈,sp3杂化碳,甲烷分子模型,sp2杂化碳,乙烯分子模型,Sp杂化碳,乙炔结构模型,
