有机化学绪论.ppt

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1、有 机 化 学,绪 论,第一节 有机化学和有机化合物,一、有机化学的研究对象,有机化合物与人类生活有着密切关系 人类对有机化合物的认识过程 1828年，德国化学家伍勒在研究氰酸盐的过程中，意外地发现了有机物尿素的生成。,有机化合物的涵义,在有机化合物中，绝大多数都含有碳、氢两种元素，有些还含有氧、硫、氮、磷、卤素等其它元素。所以，现在人们认为，有机化合物就是碳氢化合物（烃）及其衍生物。有机化学的涵义 有机化学就是研究碳氢化合物及其衍生物的化学。在化学上，通常把含有碳氢两种元素的化合物称为烃。因此，有机化学也就是研究烃及其衍生物的化学。,二、有机化学与农业科学的关系,1.农业科学的发展促进了有机

2、化学的发展，同样，有机化学的发展也促进了农业科学的进步和深入发展。2.要从分子水平上认识生命过程并研究生命现象。化学的理论、观点和方法在整个生命科学中起着不可缺少的作用。3.大量天然的和合成的有机化合物正在越来越广泛地应用于农业生产。有机化学既是学习农业科学的基础，又是进行农业科学研究的工具。,三、有机化合物的特性,1易燃烧 除少数例外，一般有机化合物都含有碳和氢两种元素，因此容易燃烧，生成二氧化碳和水，同时放出大量的热量。大多数无机化合物，如酸、碱、盐、氧化物等都不能燃烧。因而有时采用灼烧试验可以区别有机物和无机物。,2.熔点、沸点低,无机化合物 静电力有机化合物 范德华力,3.难溶于水，易

3、溶于有机溶剂,水是强极性化合物。大部分无机化合物是离子键型化合物，易溶于水，不易溶于有机溶剂；有机化合物是共价键型化合物，极性小，不溶于水，易溶于有机溶剂“相似相溶”原理。,4.反应速度慢,无机反应是离子型反应，一般反应速度都很快。有机反应大部分是分子间的反应，反应过程中包括共价键旧键的断裂和新键的形成，所以反应速度比较慢。,5副反应多，产物复杂,有机化合物的分子大多是由多个原子结合而成的复杂分子，所以在有机反应中，反应中心可以在不同部位同时发生反应，得到多种产物。反应生成的初级产物还可继续发生反应，得到进一步的产物。因此在有机反应中，除了生成主要产物以外，还常常有副产物生成。书写有机反应方程

4、式时常采用箭头，而不用等号，一般只写出主要反应及其产物，有的还需要在箭头上标明反应的必要条件。,6.同分异构现象普遍存在,同分异构现象是指具有相同分子式，但结构不同，从而性质各异的现象。乙醇和甲醚，分子式均为C2H6O，但它们的结构不同，因而物理和化学性质也不相同。乙醇 b.p.78.5 oC 甲醚 b.p.-25 oC,第二节 共价键的一般概念,化学键有多种形式，但最常见的是离子键和共价键。离子键是通过电子转移形成的，共价键是通过共用电子对形成的。无机化合物是以离子键结合的，有机化合物是以共价键结合的。,一、共价键理论,1原子轨道 原子是由原子核和核外电子两部分组成的。电子在核外的分布就好像

5、云雾一样，因此把这种分布形象地称为电子云。如果用一个界面把这样的分布划出一个区域，电子在这个区域内出现的几率很大。这种电子在空间可能出现的区域称为原子轨道。,1s、2p轨道的电子云示意图,基态时碳原子和氧原子核外的电子排布,6C 8O 2s 2p 2s 2p 1s 1s 基态时，原子中的电子都按能量最低原理、互不相容原理和洪特规则排布在原子轨道中，每一个原子轨道只能容纳两个自旋方向相反的电子。,2.价键理论(1)两个原子都有一个或多个未成对电子且自旋相反(2)原子相互靠近轨道重叠时重叠的程度最大方向性(3)成键电子只能在成键区域内运动定域性(4)一个电子最多只能和一个自旋方向电子配对饱和性,3

6、碳原子的价键特点和杂化轨道,(1)碳原子的价键特点 碳原子基态时，核外电子排布为：1s22s22px12py1 碳原子之间相互结合或与其它原子结合时，都是通过共用电子对而结合成共价键。碳原子是四价的，它可以与其它原子或自身形成单键，也可以形成双键或叁键。,(2)碳原子轨道的杂化 碳原子在基态时，只有两个未成对电子，碳原子应是两价的。而在有机化合物中，碳均为4价。,美国化学家鲍林，1954年获诺贝尔化学奖，1963年获诺贝尔和平奖。,1931年，Pauling提出原子轨道杂化理论,碳原子在成键的过程中首先要吸收一定的能量，使2s轨道的一个电子跃迁到2p空轨道中，形成碳原子的激发态。激发态的碳原子

7、具有四个单电子，因此碳原子为四价的。,跃迁 2px 2py 2pz 2px 2py 2pz 2s 2s 基态 激发态,碳原子的2s电子跃迁后得到的四个原子轨道，它们处在不同的能级中的，成键后碳原子的四个价键不可能是等同的。事实上，在饱和烃中，碳原子的四个价键是等同的。为了解决这个矛盾，杂化轨道提出：碳原子在成键时，四个原子轨道可以“混合起来”进行“重新组合”形成四个能量等同的新轨道，称为杂化轨道。,杂化轨道的能量稍高于2s轨道的能量，稍低于2p轨道的能量。杂化轨道的数目等于参加组合的原子轨道的数目。,碳原子的杂化分为三种类型：sp3杂化、sp2杂化、sp杂化,sp3杂化,实例：CH4,一个sp

8、3杂化轨道,两两夹角,sp2杂化,实例：CH2=CH2,Sp 杂化,（1）二个sp杂化轨道的分布（2）二个p轨道相互垂直 碳原子的sp杂化轨道示意图,实例：,（3）键和键,共价键按共用电子对的数目，分为单键和重键 单键：共用一对电子，用一半短线表示。重键：共用两对或两对以上电子，用二条或三条半短线表示。单键 双键 三键,按成键原子轨道重叠方向不同，共价键又可分为键和键,键 两个成键原子轨道沿对称轴方向相互重叠（头碰头”方式重叠）而形成的键叫键。,键的特点 形成键的原子轨道是沿着对称轴的方向相互重叠的，所以键的电子云分布近似圆柱形。因此，以键连接的原子或基团可以绕键轴自由旋转，键不致发生断裂。,

9、因重叠程度最大，故键比较牢固，在化学反应中比较稳定，不易发生断裂。键存在于一切共价键之中。,键 两个成键原子轨道以对称轴相平行互相重叠（两个p轨道从侧面“肩并肩”地重叠）而形成的键叫键。,键的特点 键不能单独存在，必须与键共存。p轨道从侧面重叠，在键形成以后，就限制了键的自由旋转。而且电子云重叠程度较小，键能较小，发生化学反应时，键易断裂。键的电子云分散暴露在两核连线的上下两方呈平面对称，键的电子云离原子核较远，受核的约束较小。因此，键的电子云具有较大的流动性，易受外界的影响而发生极化，具有较强的化学活性。,二、共价键的属性,1.键长,形成共价键的两个原子核之间的平均距离称为键长。键长的单位为

10、nm（10-9m）。,一般说来，共价键越短，表示键越强，越牢固。,2.键角,两价以上的原子与其它原子成键时，两个共价键之间的夹角称为键角。,例如，甲烷分子中HCH为10928。而在其它烷烃分子中，由于碳原子连接的情况不尽相同，相互影响的结果，其键角也稍有差异。丙烷分子中的C-CH2-C就不是10928，而是112。,3.键能,键能表示共价键的牢固程度。当A和B两个原子（气态）结合生成A-B分子（气态）时，放出的能量称为键能。A-B双原子分子（气态）离解为原子（气态）时，所需要的能量叫做A-B键的离解能，以符号D（A-B）表示。对于双原子分子，A-B键的离解能就是它的键能。键的离解能和键能单位通

11、常用kJmol-1表示。,A（气态）+B（气态）A-B（气态）,键能越大，说明两个原子结合得越牢固。,4.键的极性、分子的极性和分子间力,（1）键的极性 键的极性是由于成键的两个原子之间的电负性差异而引起的。CH3+Cl-,共价键的极性大小可用偶极矩（键矩）来表示。=qR 式中，q=正、负电荷中心所带的电荷值（库仑C）R=正、负电荷间的距离（m）,（2）分子的极性,在双原子分子中，共价键的极性就是分子的极性。但对多原子的分子来说，分子的极性取决于分子的组成和结构。多原子分子的偶极矩是各键的偶极矩的向量和。,=0=0=3.6310-30Cm 甲烷 四氯化碳 三氯甲烷 键的极性和分子的极性对物质的

12、熔点、沸点和溶解度都有很大的影响，键的极性也能决定发生在这个键上的反应类型，甚至还能影响到附近键的反应活性。,（3）分子间力,偶极偶极作用力 这种作用力产生在极性分子之间。使分子定向排列。这种分子间力也称为定向力。+-+-+-CH3ClCH3ClCH3Cl,范德华力 非极性分子在运动中可以产生瞬间偶极。这种瞬间偶极所产生的相互作用力称为范德华力（也称色散力）。范德华力不仅存在于非极性分子中，也可存在于极性分子中。范德华力比共价键作用力弱得多。,氢键,当氢原子与电负性很大、原子半径很小的氟、氧、氮原子相连时，由于这些原子吸电子能力很强，使氢原子带部分正电荷，因而氢原子可以与另一分子的氟、氧、氮原

13、子的未共用电子对以静电引力相结合。这种分子间的作用力称为氢键。氢键有方向性和饱和性，其强度介于分子间作用力和共价键之间。,三、共价键的断裂方式和有机反应类型,在化学反应里，同时发生旧键的断裂和新键的生成。共价键有两种断裂方式：均裂和异裂（1）均裂 共价键断裂时，共用电子对平均分配给两个原子，生成自由基:通过自由基进行的反应叫自由基反应。自由基反应一般要在光照条件或高温加热下进行。,（2）异裂 共价键异裂时，成键的一对电子保留在一个原子上。异裂有两种情况：,异裂一般需要酸、碱催化或在极性物质存在下进行。共价键异裂生成离子而引发的反应称为离子型反应。离子型反应又可分为亲电反应和亲核反应。亲电反应又

14、可再分为亲电加成反应和亲电取代反应；亲核反应也可再分为亲核加成反应和亲核取代反应。,第三节 有机化合物的分子结构,有机化合物分子结构式的常见书写方法,价键式 结构简式,有机分子的立体模型,凯库勒模型（球棍模型）斯陶特模型（比例模型）甲烷分子的模型,有机分子的透视式表示方法,第四节 有机化学中的酸碱理论,一、布朗斯特酸碱质子理论,凡是能给出质子的分子或离子都是酸；凡是能与质子结合的分子或离子都是碱。酸失去质子，剩余的基团就是它的共轭碱；碱得到质子生成的物质就是它的共轭酸。,共轭酸碱中，一种酸的酸性愈强，其共轭碱的碱性就愈弱，因此，酸碱的概念是相对的，某一物质在一个反应中是酸，而在另一反应中可以是

15、碱。,在酸碱反应中，总是较强的酸把质子传递给较强的碱。,（较强碱）（较强酸）（较弱酸）（较弱碱）,二、路易斯酸碱电子理论,1923年，路易斯提出酸碱电子理论，酸和碱的反应可用下式表示：A 是路易斯酸，它至少有一个原子具有空轨道，具有接受电子对的能力。因此，酸是能接受外来电子对的电子接受体。如：BF3，AlCl3，SnCl2，ZnCl2，FeCl3；Li+，Ag+，Cu2+；R+，RCO+，Br+，NO2+，H+等都是路易斯酸。,B是路易斯碱，它至少含有一对未共用电子对，具有给予电子对的能力。因此，碱是能给出电子对的电子给予体。如：H2O，NH3，RNH2，ROH，ROR，RSH；X-，OH-，

16、RO-，SH-，R-；烯或芳香化合物等都是路易斯碱。路易斯酸在有机反应中常称为亲电试剂；路易斯碱在有机反应中常称为亲核试剂。酸和碱反应生成的AB叫做酸碱加合物。,AlCl3是路易斯酸，Cl是路易斯碱，而AlCl4 是酸碱加合物。对有机物来说，也可以看成是酸碱加合物。例如，甲烷CH4可以看成酸H+和碱CH3的加合物；乙醇CH3CH2OH可以看成酸H+和碱CH3CH2O的加合物。大部分无机反应和有机反应，都可以设想为一种路易斯酸碱反应。,路易斯碱与布朗斯特碱两者没有多大区别，但路易斯酸要比布朗斯特酸概念广泛得多。,作业：,P283 9 10 11,1.扼要归纳典型的以离子键形成的化合物 与以共价键

17、形成的化合物的物理性质。,练习题：,2.NaCl与KBr各1mol溶于水中所得的溶液与NaBr及KCl各1mol溶于水中所得溶液是否相同？如将CH4 及CCl4各1mol混在一起，与CHCl3及CH3Cl各1mol的混合物是否相同？为什么？,答：NaCl与KBr各1mol与NaBr及KCl各1mol溶于水中所得溶液相同。因为两者溶液中均为Na+,K+,Br,Cl离子各1mol。由于CH4 与CCl4及CHCl3与CH3Cl在水中是以分子状态存在，所以是两组不同的混合物。,3.碳原子核外及氢原子核外各有几个电子？它们是怎样分布的？画出它们的轨道形状。当四个氢原子与一个碳原子结合成甲烷（CH4）时，碳原子核外有几个电子是用来与氢成键的？画出它们的轨道形状及甲烷分子的形状。,4.写出下列化合物的Lewis电子式。a.C2H2 b.CH3Cl c.NH3 d.H2S e.HNO3 f.HCHO g.H3PO4 h.C2H6 i.C2H2 j.H2SO4,再见,