有机化学c1 绪论课件.ppt

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1、有机化学,Organic chemistry,蔡伟建(618579),学习参考书,1 汪小兰.有机化学第四版 北京:高等教育出版社，2005年。2 邢其毅等.基础有机化学(上下) 第三版 北京:高等教育出版社，2001。3 胡宏纹 .有机化学(上下) 第三版 北京:高等教育出版社，2002。4 吕以仙. 有机化学 北京:人们卫生出版社，2005年。5 陈洪超.有机化学自学指导 北京:高等教育出版社，2004年。,有机化学的学习方法,请同学们按要求学好这门课,考核形式,1 闭卷考试2 期末考试卷面成绩占总评的 70%3 平时成绩（平时作业+课堂练习+考勤）占总评的 30%,理论教学（51学时）安

2、排,第一章 绪论,教学要求：了解有机化学及其研究对象与任务2. 了解有机化学与环境工程学的关系3. 掌握化学键与分子间作用力4. 掌握有机化合物的分类及其基本特点 (重点)5. 掌握有机化合物的官能团和反应类型 (重点),有机化学与环境工程学的关系,环境保护：工农业生产“废水、废渣、废气”的处理及利用、城市生活垃圾和废水的处理、环境污染监测、环境污染治理、环境评价。,环境工程是“ 应用工程原理进行环境管理, 以保护人类健康, 保护生态环境系统, 保护并改善与人类生活质量相关的环境 ”。,有机化学与生命科学,在大分子和超分子水平上，生命科学与有机化学将在更广阔范围和更深层次上相互渗透，全面互补。

3、有机化学 小分子复杂分子大分子超分子生命科学 生物个体组织细胞亚细胞超分子大分子结构单元分子有机化学与生命科学的密切结合，是现代科学发展的必然结果和需要。,有机化学与医药科学,1、天然药物的开发有效成分的提取、药品的加工工艺、保存方式等。,2、有机合成新药新药设计，合成方法，药品性能改良，化工生产工艺设计等,A 生物体由有机物构成；组成头发、皮肤、肌肉的蛋白质；控制遗传基因的DNA；吃的食物；穿的衣服；吃的药物。B 建筑材料；汽油；轮胎；塑料等,1.1 有机化学的产生和发展1.1.1 有机化合物和有机化学的含义,脑白金（Melatonine),感冒药物,快克，康泰克，白加黑，康必得，速效感冒胶

4、囊，泰诺主要成份为对乙酰氨基酚,对乙酰氨基酚能抑制前列腺素的合成而产生解热作用,白加黑,成份: 每片含 日用片 夜用片对乙酰氨基酚 325mg 325mg盐酸伪麻黄碱 30mg 30mg无水氢溴酸右美沙芬 15mg 15mg盐酸苯海拉明 - 25mg,解热镇痛止咳药,有机化合物：Organic Compound,有机化学,含碳的化合物（除CO、碳酸盐等）、碳氢化合物(烃 hydrocarbons)及其衍生物（derivative),有机化学： Organic Chemistry,研究有机物制备（preparation)、结构（structure)、性质(property)、应用(applica

5、tion)的科学,有机化学意义：是研究生物体及生命现象的基础,1.1.2 有机化学的产生和发展,十九世纪初产生，至今约200年的时间。1777年，瑞典化学家Bergman将化合物分为“无机”(inorganic compounds)和 “有机”(organic compounds)两大类 。1808年瑞典化学家Berzelius贝齐里乌斯首先使用“有机化学”(organic chemistry)这个名词 。,1. 有机化合物的提纯,十八世纪末，化学家们已经得到了一系列纯的有机化合物 。代表人物是瑞典化学家舍勒(Scheele, 17421786 )，他一生发现、提纯了不少有机化合物 。,Sch

6、eele的主要提纯工作,从尿中提取尿酸(1780),尿酸,正常男性尿酸根水平约为1000-2000mg，而女性约为一半。痛风病人的尿酸根水平为正常水平的2-3倍,Scheele的主要提纯工作,从柠檬中提取柠檬酸(1784)从苹果中提取苹果酸(1785),柠檬酸 苹果酸,其他化学家的分离提纯工作,1773年，由尿中发现尿素 1805年，由鸦片中得到第一个生物碱吗啡。1818年，由植物叶中分离出叶绿素。1820年，由植物中分离出马钱子碱、番木鳖碱、辛可宁等生物碱。,吗啡是鸦片中最主要的生物碱（含量约10-15%），1806年法国化学家F泽尔蒂纳首次从鸦片中分离出来。他用分离得到的白色粉末在狗和自己

7、身上进行实验，结果狗吃下去后很快昏昏睡去，用强刺激法也无法使其兴奋苏醒；他本人吞下这些粉末后也长眠不醒。据此他用希腊神话中的睡眠之神吗啡斯（Morphus）的名字将这些物质命名为“吗啡”。,叶绿素,1818年，由植物叶中分离出叶绿素。,2. 有机合成的功劳,Wohler由氰酸铵加热合成了尿素：,1845年 Kolbe(柯尔伯)合成了醋酸 1854年 Berthelot(贝特罗)合成了油脂 1861年 布特列洛夫合成了糖 一百多年来人工合成的有机化合物超过700万种,19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、药物和炸药为主的有机化学工业。20世纪40年代

8、开始发展了以石油为主要原料的有机化学工业, 特别是生产合成纤维 、合成橡胶 、合成树脂和塑料为主的有机合成材料工业。,一百多年来人工合成的有机化合物超过700万种。,有机化学是一门迅速发展的学科,19011998年，诺贝尔化学奖共90项，其中有机化学方面的 化学奖55项，占化学奖61%,在有机分析和合成发展的同时，有机结构理论得到了迅速的发展和完善。1857年凯库勒和库帕各自独立提出有机化合物中碳原子都是四价的，相互结合成碳链1861年布特列洛夫提出了化学结构，结构决定性质，性质可推出结构1865年凯库勒提出了苯的构造式。1874年范特霍夫和勒贝尔分别提出了碳的四面体结构，建立了分子的立体概念

9、，说明了旋光异构现象。1885年拜尔提出了张力学说，至此，有机结构理论基本建立起来。20世纪初建立了价键理论。,20世纪30年代建立了量子化学理论：化学键的微观本质、诱导效应 、共轭效应、及共振论 20世纪60年代将现代物理方法用到测定分子结构上，确定了许多复杂有机化合物的结构：糖、蛋白质、氨基酸、胆甾醇、血红素、叶绿素等,当今世界有机化学：1、很多复杂的分子结构被阐明，其中很多具有强烈的生理作用，为其他学科提出了大量研究课题2、合成与天然物完全相同的分子3、对天然分子进行改性4、用计算机进行有机合成的设计工作当代有机化学发展的一个重要趋势：与生命科学的结合。 1980年(DNA) 1997年

10、(ATP)与生命科学有关的化学诺贝尔奖八项； 1、有机化学以其价键理论、构象理论、各种反应及其反应机理成为现代生物化学和化学生物学的理论基础；2、对蛋白质、氨基酸的分离、提取，开创了研究生命物质的新时代。 3、有机化学特别是生物有机化学参与研究项目：研究信息分子和受体识别的机制;4、发现自然界中分子进化和生物合成的基本规律; 5、作用于新的生物靶点的新一代治疗药物的前期基础研究;6、发展提供结构多样性分子的组合化学;7、对于复杂生物体系进行静态和动态分析的新技术。,有机化学中，有机合成占有独特的核心地位。 1989年美国Harvard大学kishi教授等完成海葵毒素(palytoxin)的全合

11、成。21世纪，要实现“理想的”合成法。强调实用、环境友好、资源可持续利用。简单原料、条件温和，经过简单步骤，快速、高选择性、高效地转化为目标分子。 绿色合成 有机新材料(分子材料)化学。 1、化学结构种类多；2、 能够有目的地改变功能分子的结构，进行功能组合和集成； 3、能够在分子层次上组装功能分子，调控材料的性能。当前研究的热点领域：1. 具有潜在光、电、磁等功能的有机分子的合成和组装2. 分子材料中的电子、能量转移和一些快速反应过程的研究；3. 研究分子结构、排列方式与材料性能的关系，发展新的分子组装的方法，探讨产生特殊光电磁现象的机制；探索新型分子材料在光电子学和微电子学中的应用,1.2

12、 有机化合物的特点: “多、燃、低、难、慢”。 1.2.1 有机化合物的种类繁多（已知有七百多万种、且还在不断增加），但组成元素少 （C， H， O， N ，P， S， X等）。1.2.2 分子组成和结构复杂 1） C原子自身相互结合能力强2) 结合的方式多种多样（单键、双键、三键、链状、环状）3) 同分异构现象 （构造异构、构型异构、构象异构）普遍例如，C2H6O就可以代表乙醇和甲醚两种不同的化合物1.2.3 有机化合物性质上的特点(1) 容易燃烧 (2) 热稳定性差 (3) 熔点、沸点低(4) 难溶于水 (5)反应速率比较慢 (6) 反应复杂、副反应多,1.3 化学键和分子结构（重点）1.

13、3.1 价键理论（共用电子对理论） 化学键：将原子结合在一起的电子作用离子键：稳定的正、负离子通过静电引力而形成的化学键。 共价键：两个带正电的原子核对共用电子对的吸引, 使两原子结合在一起而形成的化学键。,共价键的特点：饱和性： 一般说来，原子核外未成对电子数，也就是该原子可能形成的共价键的数目。方向性： 共价键是由参与成键原子的电子云重叠形成的，电子云重叠越多，则形成的共价键越稳定，因此电子云必须在各自密度最大的方向上重叠。由于原子轨道重叠的方式不同，共价键有与键之分。, 碳元素:核外电子排布 1S22S22P2,不易获得或失去价电子,易形成共价键. (1) 路易斯结构式: 用共用电子的点

14、来表示共价键的结构式.(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,有机化合物中的共价键,C + 4H C H,H,H,H,C,H,H,H,H,当原子组成分子时,形成共价键的电子即运动于整个分子区域;(2) 分子中价电子的运动状态,即分子轨道,用波函数 来描述;(薛定谔方程的解)(3) 分子轨道由原子轨道线性组合形成(LCAO) ,形成的轨道数与参与成键的原子轨道数相等. 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),1.3.2 分子轨道理论,每个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子. 电子总是首先进

15、入能量低的分子轨道.,2个氢原子轨道组成2个氢分子轨道,成键轨道1=1 + 2,反键轨道2=1 - 2,小结,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 共价键的键参数（重点）,1.4.1 讨论共价键性质的重要性 有机化合物中原子主要是共价键连接的，共价键决定了有机化合物的性质，因此要研究共价键的性质。共价键的基本性质包括键长、键角、键能和键的极性。,1、键长, 键长（又称键距）：形成共价键的两个 原子核之间的平衡距离称为键长。,d：a

16、、b两原子的键长r1：b原子的范德华半径r2: b原子的共价半径r3: a原子的共价半径r4: a原子的范德华半径, 影响键长的因素：, 不同原子成键，键长与原子半径有关。 相同原子成键键长：单键双键三键。,常见共价键的键长,2、键角,同一个原子至少与两个原子成键时，中心原子的键与键之间的夹角称为键角。 键角的大小与成键原子特别是成键的中心原子的杂化状态有关，也受分子中的其它原子的影响。,3、键能,概念由原子形成共价键所放出的能量，或共价键裂成两个原子所吸收的能量称为该键的键能。后者又称键的解离能。键能的单位：kJ/mol。相同类型的键中，键能愈大, 键愈牢固。例1. H2(g)2H 吸收43

17、6.0kJ/mol能量，即 H-H 键的键能，也称为HH的解离能（Ed=436.0 kJ/mol）表示。,例2. 甲烷分子中有四个C-H键，其解离能如下：,每一种C-H键的解离能Ed不相等,在甲烷中C-H的键能是各C-H键解离能的平均值：（423+439+448+347）/4=414kJ/mol化合物的键能数据可从手册中查到。,一些共价键的键能,化学环境不同的相同共价键的键能是有差异的！,键能与解离能的区别,键能：指分子中同种类型共价键解离能的平均值。 解离能：裂解分子中某一个共价键所需的能量。 双原子分子-键能=解离能 （例如Cl2） 多原子分子-键能解离能 （例如CH4） 、共价键的极性:

18、其大小主要取决于成键两原子的电负性之差。差值越大,键的极性越大。 根据电负性大小，共价键分为非极性共价键(两元素电负性差=0）和极性共价键（电负性差为0.51.6 ）。 电负性大的原子周围有较多的电子云，用-表示 电负性小的原子周围有较少的电子云，用+表示,键极性的度量定性的相对比较: 键的极性大小主要取于成键两原子的电负性值之差。例如，H-O 极性大于H-N 键的极性。,碳、氮在不同杂化状态下的电负性值,定量的度量： 由键偶极矩（又称键矩）来度量。 : 键偶极矩 单位：Cm=qd q :正电荷或负电荷中心电量 单位：C d :正负电荷中心间距离 单位：m,常见共价键的键偶极矩表,极性键的表示

19、：偶极矩是向量,用一箭头表示指向键的负电荷端.如:,、共价键的极性与分子的极性,非极性分子：正、负电荷重心相重合的分子。极性分子：正、负电荷重心不相重合的分子。(1) 双原子分子H2、Cl2、O2分子中存在非极性键，为非极性分子。HF、 HCl、HBr、HI分子中存在极性键，为极性分子。(2) 多原子分子分子的极性则由各键的极性和分子的空间构型决定。,偶极矩越大，键的极性越强。键的极性是决定分子的物理及化学性质的重要因素之一。双原子分子：键的偶极矩就是分子的偶极矩例如： =3.5710-30（C.m)多原子分子：分子的偶极矩是各键的偶极矩的向量和，决定于分子的形状。,分子的极性,=6.4710

20、-30（C.m),=3.2810-30（C.m),=0（C.m),例题画出下列化合物偶极矩的方向,偶极矩为零的分子是非极性分子；偶极矩不为零的分子是极性分子；偶极矩越大，分子极性越强。,一些常见化合物气态时的偶极矩,绝大多数有机化合物分子都有共价键，共价键的键长，键能反映了键强度，分子的热稳定性；键角反映了分子的空间形象；键偶极矩和键的极性反映了分子化学反应活性和影响分子的物理性质。,1.5 分子间的力1.5.1 定向力：极性分子间的作用力，偶极偶极作用力，1.5.2 色散力：极性分子和非极性分子内之间的作用力。 分子内部电荷分布不均匀，运动瞬间产生暂时偶极。 极化率：RI RBr RCl R

21、F1.5.3 氢键：氢原子与原子半径小、电负性强且有未共用电子对的原子（F、O、N）结合时产生的力。 三种力大小比较：氢键 定向力 色散力,1.6 有机化合物的物理性质与分子结构的关系,一、沸点 b.p.,1.分子的极性大，沸点高,CH3CH2CH3 -42,CH3OCH3 -23,2. 同系列中分子量大，沸点高,CH3Cl-22.7,CH3CH2Cl -12.5,3.异构体中直链沸点比支链高,36,9,4.分子间存在氢键沸点显著升高,CH3OCH3 -23,C2H5OH 78.4,CH3CH2CH2OH 97,197,二、熔点m.p.,熔点除了与分子间力有关外，还与晶体结构中分子的排列是否紧

22、密有很大关系,即分子的对称性有关。,1. 同系列中，分子量越大，熔点也就越高。,216,279,2. 分子的对称性大，熔点较高。,CH4 -183,CH3CH2CH3 -188,三、在溶剂中的溶解度,“相似相溶”原理：,亲水基团 ：-OH , -SO3H , -COOH , -NH2 , -CHO 等极性基团，增加在水中的溶解度。,结构相似者互相溶解，极性相近者互相溶解。,疏水基团：-R , -X 有利于在有机溶剂中的溶解。,四、 物质的颜色,生色团：如：（长的共轭双键）， （偶氮基）， 2（硝基）， （亚硝基）等等。,助色团：2，2， 3， 3。,1.有机反应的基本类型和试剂的分类（重点）(

23、1) 均裂: 共价键断裂时，成键的一对电子平均地分给两个原子或基团，生成的带单电子的原子或原子团叫自由基，按这种方式发生的反应为游离基反应。 A:B A. + B. 反应条件：光、热或氧化物作用Cl:Cl Cl. + Cl. CH4 + Cl. CH3. + HCl(2) 异裂: 共价键断裂时，成键的一对电子为其中的一个原子或原子团所有, 生成了碳正离子与碳负离子，按这种方式发生的反应为离子型反应。C:X C+ + X- 形成碳正离子 反应条件：C:X C- + X+ 形成碳负离子 酸碱或极性物质催化(3) 协同反应：旧键的断裂和新键的产生是同时进行的,有机反应的类型 （重点）,有机反应试剂的

24、分类（重点）,1、自由基试剂 能产生自由基的试剂是自由基试剂。例如：,常见的自由基试剂：X2、过氧化物(R-O-O-R)、偶氮化物(R-N=N-R)等。,2、亲电试剂,常见的亲电试剂： H+、Cl+、Br+、SO3、BF3、AlCl3、+NO2等。亲电试剂的特点：有正电荷或空轨道。亲电试剂在进行化学反应时，进攻反应对象的负电中心。由亲电试剂首先进攻的反应称为亲电反应。,对电子有亲合力的试剂是亲电试剂。例如：,3、亲核试剂,对碳原子核有亲合力的试剂是亲核试剂。例如：,常见的亲核试剂： OH-、NH2-、CN-、H2O、NH3等。亲核试剂的特点： 有负电荷或孤对电子。 亲核试剂在进行化学反应时进攻

25、反应对象的正电中心。 由亲核试剂首先进攻的反应称为亲核反应。,讨论：, 碱性指试剂与质子结合的能力，亲核性指试剂与碳核结合的能力； 试剂的属性与反应条件或反应物的性质有关。例如：Cl2在高温或光照下是自由基试剂，在极性介质中是亲电试剂； HBr在极性介质中是亲电试剂，在高温或光照下是自由基试剂。 由亲电试剂首先进攻碳原子的反应称为亲电反应。 由亲核试剂首先进攻碳原子的反应称为亲核反应。 例：,1. 研究有机化学的方法（提取、合成） (1) 分离提纯 重结晶、升华、蒸馏、分馏、色谱分离 (2) 纯度的检定 熔点、沸点、相对密度、折光率 (3) 实验式和分子式的确定 定性分析：确定化合物的元素组成

26、。 定量分析：确定各元素的相对含量。 (4) 结构式的确定 ：化学方法和物理方法.现代物理方法:X衍射、红外光谱、核磁共振谱、质谱,1. 有机化合物的分类1.1 按分子中碳原子的骨架分类(1)开链化合物：碳原子相互连接成链状骨架的化合物。 丙烷、丙烯、及有支键的化合物也属于开键化合物。 (2) 碳环化合物：完全由碳原子组成的碳环结构的化合物 A：脂环族化合物：性质与脂肪族化合物相似。B：芳香族化合物：同平面环闭共轭体系。(3)杂环化合物：碳原子和其它原子(O、S、N)组成环。,课堂练习,以下化合物按碳骨架分属于哪一类？,1.2 按官能团分类官能团：有机分子中易起化学反应的原子或原子团。 本书按官能团顺序教学。烷、烯、炔、卤代烃、醇和酚、醚、醛和酮、羧酸、硝基化合物、胺、偶氮和重氮化合物、硫醇和硫酚、磺酸。,按官能团分类（请同学们熟记）,