1第一章有机化合物的结构和性质.ppt

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1、第一章 有机化合物的结构和性质,教材:徐寿昌 主编 高等教育出版社,有机化学 Organic Chemistry,教师：邢楠楠,1806年柏则里（Berzelius）首先提出(有机化学)名词有机化学奠基于18世纪中叶生命力学说1828年F.Whler在实验室由氰酸铵(NH4OCN)合成尿素(NH2CONH2),促进了有机化合物的人工合成:,第一章 有机化合物的结构和性质,1.1 有机化合物和有机化学,一.有机化学的发展,1845年Kolbe合成了醋酸；1854年，柏赛罗(M.berthelot)合成油脂类化合物等。,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（P121

2、）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.有机化合物的主要特征:都含有碳原子,即都是含碳化合物.,二.有机化学的定义,有机化学就是研究含碳化合物的化学.,Organic Chemistry is the Chemistry of Carbon Compounds,绝大多数有机化合物也都含有氢,从结构上看,所有的有机化合物都可以看作碳氢化合物以及从碳氢化合物衍生而得的化合物（封面CH）。当然,对CO、CO2、CO32-等简单化合物习惯上还是称作无机化合物.,有机化学

3、 就是研究碳氢化合物及其衍生物的化学.,自然界中碳的循环,绝大多数有机物只是由碳，氢，氧，卤素，硫和 磷等少数元素组成,但种类繁多。碳元素:核外电子排布 1s22s22p2 碳原子相互结合能力很强（碳链和碳环）碳的同素异形体:(1)石墨(2)金刚石(3)足球烯（富勒烯）（C60/C70）,1.2 有机化合物的特点,石墨的晶体结构(SP2),金刚石的晶体结构(SP3),含碳化合物的转化 CH4 CH3Cl.CCl4 C金刚石 不同化合物之间的转化（官能团）、碳链的增加和 减少,分子式相同而结构相异因而其性质也各异的不同化合物,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 CH3CH

4、2-OH,CH3-O-CH3例2:丁烷和异丁烷 CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3 CH3,1.2.1 有机化合物结构上的主要特点:同分异构现象,一.同分异构现象,碳化合物含有的碳原子数和原子种类越多,它的同分异构体也越多.如:C7H16的同分异构体数 9 个.C8H18的同分异构体数可达18个.C10H22的同分异构体数可达75个.,象丁烷和异丁烷异构,只是分子中各原子间相互结合的顺序不同而引起的,只是构造不同而导致的异构现象,又叫做构造异构现象.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.是指:分子中原子间的排列次序,原子相互间的立体位置,化学键

5、的结合状态以及分子中电子的分布状态等各项内容在内的总称.,二.构造异构现象,三.化合物的结构,与无机物,无机盐相比,有机化合物一般有以下特点:(1)大多数有机化合物可以燃烧(如汽油).(2)一般有机化合物热稳定性较差,易受热分解.许多有机化合物在200300时就逐渐分解.(3)许多有机化合物在常温下为气体、液体.常温下为固体的有机化合物,其熔点一般也很低,一 般很少超过300,因为有机化合物晶体一般是由较 弱的分子间力维持所致.,1.2.2 有机化合物性质上的特点,(4)一般有机化合物的极性较弱或没有极性.水是极性强,介电常数很大的液体,一般有机物难溶于水或不溶于水.而易溶于某些有机溶剂(苯、

6、乙醚、丙酮、石油醚).但一些极性强的有机物,如低级醇、羧酸、磺酸等也溶于水.(5)有机物的反应多数不是离子反应,而是分子间的反应.除自由基型反应外,大多数反应需要一定的时间.为加速反应,往往需要加热、加催化剂或光照等手段来增加分子动能、降低活化能或改变反应历程来缩短反应时间.(6)有机反应往往不是单一反应.(主反应和副反应).,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,1.3 有机化合物中的共价键,C+4H C H,H,H,H,

7、C,H,H,H,H,原子轨道原子中每个电子的运动状态都可以用一个单电子的波函数（x，y，z）来描述.称为原子轨道,因此电子云的形状也可以表达为轨道的形状.（1）价键的形成可看作是原子轨道的重叠(交盖)或电子(自旋相反)配对的结果。（2）共价键具有饱和性一个未成对的电子既经配对成键,就不能与其它未成对电子偶合.（3）共价键具有方向性(最大重叠原理):两个电子的原子轨道的重叠部分越大,形成的共价键就越牢固.,一、量子化学的价键理论:,方向性决定分子空间构型，因而影响分子性质.,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

8、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),二、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,成键轨道1=1+2,反键轨道2=1-2,共价键具有方向性(最大重叠原理):,2p,1s,y,x,1s,2p,y,x,（a）x轴方向结合成键,（b）非x轴方向重叠较小不能形成键,三、杂化轨道理论,碳原子基态的电子构型,2p 2s 1s,一个2s电子激发至能量

9、较高的2pz空轨道只需要402 kJ/mol,能 量,2p 2s 1s,基态,激发态,sp3杂化态,碳原子2s电子的激发和sp3杂化,C采取sp3杂化轨道与4个H原子的s原子轨道形成4个 sp3-s型的C-H键(CH4)比形成CH2要稳定的多.(4144-402)kJ/mol。形成CH4 时仍有约1255 kJ/mol能量释放出。所以这个体系比形成两个共价键的CH2稳定的多。,这四个sp3杂化轨道的能量是相等的,每一轨道相等于 1/4 s成分,3/4 p成分.,sp3杂化轨道的图形,(1)键长形成共价键的两个原子的原子核之间的距离.(不同化合物中同一类型的共价键也可能稍有不同,平均键长)(2)

10、键角(方向性)任何一个两价以上的原子,与其它原子所形成的两个共价键之间的夹角.(3)键能 气态原子A和气态原子B结合成A-B分子(气态)所放出的能量,也就是气态分子A-B理解成A和B两个原子(气态)时所吸收的能量.泛指多原子分子中几个同类型键的离解能的平均值.离解能一个共价键离解所需的能量.指离解特定共价键的键能.,1.4 有机化合物中共价键的性质,(4)键的极性和元素的电负性分子的偶极矩HH，ClCl，成键电子云对称分布于两个原子之间，这样的共价键没有极性。下列化合物有极性：H(+)Cl(-)，H3C(+)Cl(-),部分负电荷（-）,部分正电荷（+）,诱导效应,电负性一个元素吸引电子的能力

11、。偶极矩正电中心或负电中心的电荷与两个电荷中心之间的距离d的乘积.(方向性:正到负,一般用符号 表示。qd(D,德拜)在两原子组成的分子中，键的极性就是分子的极性，键的偶极矩就是分子的偶极矩。在多原子组成的分子中，分子的偶极矩是分子中各个键的偶极矩的向量和。,HCl CH3Cl HCCH,=1.03D,=1.87D,=0,(1)均裂:A:B A+B Cl:Cl(光照)Cl+Cl CH4+Cl CH3+H:Cl 定义:两个原子之间的共用电子对均匀分裂,两个原子各保留一个电子的断裂方式.产生活泼的自由基(游离基).,1.5 共价键的断裂-均裂与异裂,(2)异裂:A:B A+B-(CH3)3C:Cl

12、(CH3)3C+Cl-定义:共价键断裂时,两原子间的共用电子对完全转移到其中的一个原子上的断裂方式.结果产生正、负离子.(3)协同反应有些有机反应过程没有明显分步的共价键均裂或异裂,只是通过一个环状的过渡态,化学键的断裂和新化学键的生成同时完成而得到产物.,凡是能给出质子的叫酸,凡是能与质子结合的叫碱.在有机化学中的酸碱一般指此类.HCl Cl-(共轭酸碱)HSO4-(既是酸,也是碱),1.6 有机化学中的酸碱概念,1.6.1 布伦斯特和路易斯酸碱定义,(1)布伦斯特(B)酸碱,强酸的共轭碱必是弱碱（如：HCl和Cl-）弱酸（CH3COOH）的共轭碱是强碱（CH3COO-）酸碱的概念是相对的：

13、如HSO4-,凡是能接受外来电子对的都叫做酸,凡是能给予电子对的都叫做碱.,(2)路易斯(L)酸碱,B的核外电子排布:1s22s22p1;Al 的核外电子排布:3s23p1 BF3(酸)+:NH3(碱)F3B-NH3 sp3 AlCl3(酸)+:Cl-(碱)Cl3Al-Cl=AlCl4-,注意缺电子化合物:共价性高,有空轨道.,路易斯(L)酸：能接受外来电子对,具有亲电性.在反应时,有亲近另一分子的负电荷中心的倾向,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,有亲近另一分子的正电荷中心的倾向,又叫亲核试剂(“核”作为正电荷的同义语).如：,(3)亲电性与亲电试剂,HO-+

14、CH3I CH3OH+I-,+,-,(1)酸的强弱 HA+H2O H3O+A-Keq=H3O+A-/HAH2O在稀水溶液中:Ka=KeqH2O=H3O+A-/HA Ka 为酸性常数.一般以 Ka 值的负对数 pKa 来表示酸的强弱.pKa=-lgKapKa值越低酸性越强.,1.6.2 酸碱的强弱和酸碱反应,在有机化学中关于酸碱的强弱一般也是指布伦斯特 定义的酸碱.,(2)碱的强弱同理碱强度以 pKb表示,也常用其共轭酸的 pKa 值来表示.共轭酸强则其共轭碱是个弱碱.,1.6.2 酸碱的强弱和酸碱反应,利用各化合物的pKa值来预测酸碱反应的进行,例:CH3COOH+OH-CH3COO-+H-O

15、H乙酸(pKa=4.72)共轭碱(强)共轭碱(弱)水(pKa=15.74)乙酸的酸性比水强质子的转移总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):正丁烷,异丁烷(2)碳环族化合物 A:脂环族化合物:环戊烷,环己烷 B:芳香族化合物:苯,萘(3)杂环化合物:呋喃,吡啶,1.7 有机化合物的分类,一.按碳链分类,按分子中含有相同的、容易发生某些特征反应的(1)原子(如卤素原子)(2)原子团(如:羟基-OH、羧基-COOH、硝基-NO2，氨基-NH2 等)(3)或某些特征化学键结构(如双键 C=C、叁键-CC-)等分类.,二.按官能团分类,是一门基础化学，专业基础课（6学分、必修课程）是一门重要的考研课程,1.8 有机化学的发展及学习有机化学的重要性,有机化学是一门迅速发展的学科,当代有机化学发展的一个重要趋势：与生命科学的结合。,预习；认真听课（补充内容的笔记）；再独立完成作业（勤翻书本）；做完作业后的单元（总结）复习；适当做些课外参考书上的习题。,1.9 如何学好有机化学,参考书:(1)邢其毅,徐瑞秋,周政基础有机化学(上下),高等教育出版社，配套习题集及答案，40元(2)美R.T.莫里森,R.N.博伊德有机化学(上下),科学出版社(3)杨悟子等有机化学习题-反应纵横,习题和解答,华东理工大学出版社(4)龚跃法等有机化学习题详解,华中科技大学出版社,