第一章绪论课件整理.ppt

1、王向东王向东 教科书：教科书：有机化学有机化学（第二版）（第二版）徐寿昌主编徐寿昌主编 高教出版社高教出版社 1993 主要参考书：主要参考书：有机化学有机化学（第四版）高鸿宾主编（第四版）高鸿宾主编 高教出版社高教出版社 2005有机化学学习要求有机化学学习要求1、课前预习，每节课前抽出一定时间（、课前预习，每节课前抽出一定时间（20min）进行预习，）进行预习，了解本次课堂的主要内容，并勾出重点和难点。了解本次课堂的主要内容，并勾出重点和难点。2、认真听课，以课堂所授内容为主线，着重加强课后的温、认真听课，以课堂所授内容为主线，着重加强课后的温习。习。3、由于目前难有完全合适的教材，课堂内

2、容可能超出所用、由于目前难有完全合适的教材，课堂内容可能超出所用教材，课后学习要注意参考书等相关书籍内容的学习。教材，课后学习要注意参考书等相关书籍内容的学习。4、所布置作业需认真完成，同时结合所学内容，适当多做、所布置作业需认真完成，同时结合所学内容，适当多做习题以巩固所学知识。习题以巩固所学知识。5、由于、由于课时所限，课堂所授内容是按有机化学教学大纲精课时所限，课堂所授内容是按有机化学教学大纲精选的内容，对一般同学，原则上不要再扩大课后学习范围，选的内容，对一般同学，原则上不要再扩大课后学习范围，以免增加学习负担。以免增加学习负担。课堂纪律：课堂纪律：按时上课，无故不得缺课，进行不定期点

3、名抽查。按时上课，无故不得缺课，进行不定期点名抽查。有事有病要及时请假。上课时欢迎提问题，但要有事有病要及时请假。上课时欢迎提问题，但要举手，一般不可随意发言或讲话。举手，一般不可随意发言或讲话。辅导答疑：辅导答疑：每周答疑每周答疑1次，希望有问题的同学积极答疑。次，希望有问题的同学积极答疑。时间：周下午时间：周下午78节，节，地点：中地点：中-1-4130联系方式：联系方式：Tel：13891972816，82331308 Email：成绩评定：成绩评定：总成绩总成绩=平时成绩平时成绩(20%)+期末考试成绩期末考试成绩(80%)平时成绩主要是平时作业成绩，适当结合平时学平时成绩主要是平时作

4、业成绩，适当结合平时学习态度、课堂纪律等。习态度、课堂纪律等。第一章第一章 有机化合物的结构和性质有机化合物的结构和性质 1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学1.2 有机化合物的结构有机化合物的结构1.3 原子轨道和分子轨道原子轨道和分子轨道1.4 有机反应中的酸碱概念有机反应中的酸碱概念1.5 有机反应中的热力学和动力学有机反应中的热力学和动力学1.6 有机化合物的分类有机化合物的分类1.7 有机反应的类型有机反应的类型1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学一一 有机化合物有机化合物二二 有机化学有机化学三三 有机化学的发展及其研究热点有机化学的发展及其研究热点 一、一

5、、有机化合物有机化合物 1、有机化合物的定义和组成、有机化合物的定义和组成 都含有都含有碳碳元素，主要由元素，主要由C、H、O、S、N、P等元素等元素组成。如酒精、醋酸、油脂、糖等。组成。如酒精、醋酸、油脂、糖等。定义为：定义为：含含碳碳的化合物（除的化合物（除CO、CO2、CaC2、CO32-、CS2、MCN等化合物）。等化合物）。或碳氢化合物及其衍生物（如或碳氢化合物及其衍生物（如CaC2O4）。）。2、有机化合物的特点、有机化合物的特点 结构上的特点 碳碳共价键，同分异构现象。1950年 1985年 1990年 2000年 200万种 600万种 1000万种 2000万种性质上的特点

6、能燃烧、易挥发、低熔沸点、不（难）溶于水、反应慢、产物复杂。注：无机与有机并没有真正的界限。如元素有机化合物（C2H5Li、RMgX）。无机物 几十万种、有机物上千万种1、有机化学定义有机化学定义 研究碳化合物的化学，是研究有机化合物的组成、结构、性质及其变化规律的科学。2、有机化学研究的内容、有机化学研究的内容1）天然产物的研究 天然产物的分离、提纯 如：维生素、激素（褪黑激素）、植物生长剂、生物碱等。2）有机化合物结构的测定、研究结构与性质的关系二、二、有机化学有机化学3）有机合成 合成天然产物 实验 合成新化合物 计算机设计4）反应机理的研究 生命奥秘的揭示 药物、疾病的作用机理 锁钥合

7、成 自然界生物、植物的反应模拟 生物合成3、有机化学的分支、有机化学的分支 医药、农药、染料、香料、材料、生物、植物、高分子、日用化工等许多精细化工。三三 、有机化学的发展及其研究热点、有机化学的发展及其研究热点“有机有机”(Organic)“有机体有机体”(Organism)的来源的来源 1828年，德国化学家魏勒年，德国化学家魏勒(Whler,F.)制尿素：制尿素：NH4OCNH2NCNH2O1845年，柯尔伯年，柯尔伯(H.kolber)制得醋酸；制得醋酸；1854年，柏赛罗年，柏赛罗(M.berthelot)合成油脂类化合物；合成油脂类化合物；尔后，布特列洛夫合成了糖类化合物；尔后，布

8、特列洛夫合成了糖类化合物；.有机物可来源于生物体也可由无机物转化而来。有机物可来源于生物体也可由无机物转化而来。迄今已知的化合物超过迄今已知的化合物超过2000万万(主要通过人工合成主要通过人工合成)，其中绝，其中绝 大多数是有机化合物。大多数是有机化合物。有机化学是一门迅速发展的学科有机化学是一门迅速发展的学科 有机合成化学天然有机化学生物有机化学金属与元素有机化学物理有机化学有机分析化学药物化学香料化学农药化学有机新材料化学 等学科生命科学材料科学环境科学化学生物学能源、工业、农业 等方面.19011998年，诺贝尔化学奖共年，诺贝尔化学奖共90项，其中有机化学方面的项，其中有机化学方面的

9、 化学奖化学奖55项，占化学奖项，占化学奖61%当代有机化学发展的一个重要趋势：当代有机化学发展的一个重要趋势：与生命科学的结合。与生命科学的结合。1980年年 1997年与生命科学有关的化学诺贝尔奖八项。年与生命科学有关的化学诺贝尔奖八项。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；为现代生物化学和化学生物学的理论基础；在蛋白质、核酸的组成和结构研究、顺序测定方法的建立、在蛋白质、核酸的组成和结构研究、顺序测定方法的建立、合成方法的创建等方面，有机化学为分子生物学的建立和发展合成方法的创建

10、等方面，有机化学为分子生物学的建立和发展 开辟了道路；开辟了道路；确定确定DNA为生物体遗传为生物体遗传物质物质,是由生物学家和化学家共同完成是由生物学家和化学家共同完成；人类基因组人类基因组“工作框架图工作框架图”组装组装后基因组计划后基因组计划序列基因序列基因 (Sequence Genomics)结构基因结构基因(Structural Genomics)功能基因功能基因(Functional Genomics)。有机化学特别是生物有机化学参与研究项目：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研究信息分子和受体识别的机制;发现自然界中分子进化和生物合成的基本规律

11、发现自然界中分子进化和生物合成的基本规律;作用于新的生物靶点的新一代治疗药物的前期基础研究作用于新的生物靶点的新一代治疗药物的前期基础研究;发展提供结构多样性分子的组合化学发展提供结构多样性分子的组合化学;对于复杂生物体系进行静态和动态分析的新技术，等等。对于复杂生物体系进行静态和动态分析的新技术，等等。有机化学中，有机化学中，有机合成有机合成占有独特的核心地位。占有独特的核心地位。1989年美国年美国Harvard大学大学kishi教授等完成海葵毒素教授等完成海葵毒素(palytoxin)的全合成。的全合成。Woodward等完成等完成VB12全合成全合成树脂糖苷树脂糖苷(Tricolori

12、n)及高抗癌活性的甾体皂甙及高抗癌活性的甾体皂甙(OSW-1)：从从20世纪下半叶起，化学的主要任务不再是发现新元世纪下半叶起，化学的主要任务不再是发现新元 素，而是合成新分子，特别是人们感兴趣的明星分子。素，而是合成新分子，特别是人们感兴趣的明星分子。一徐光宪一一徐光宪一 21世纪，要实现世纪，要实现“理想的理想的”合成法。强调实用、环境友好、合成法。强调实用、环境友好、资源可持续利用。资源可持续利用。简单原料、温和条件，经过简单步骤，快速、高选择性、高效简单原料、温和条件，经过简单步骤，快速、高选择性、高效地转化为目标分子。地转化为目标分子。绿色合成绿色合成 2001年诺贝尔化学奖年诺贝尔

13、化学奖 “手性催化氢化反应手性催化氢化反应”、“手性催化氧化反应手性催化氧化反应”独特功能分子（各种功能材料、生理活性分子、天然产物）独特功能分子（各种功能材料、生理活性分子、天然产物）的全合成。的全合成。计算机技术引入，结构测定、分子设计和合成设计。计算机技术引入，结构测定、分子设计和合成设计。有机新材料有机新材料(分子材料分子材料)化学化学 1.化学结构种类多；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；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。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

14、点领域：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；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；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；组装的方法，探讨产生特殊光电磁现象的机制；4.探索新型分子材料在光电子学和微电子学中的应用等。探索新型分子材料在光电子学和微电子学中的应用等。1.2 有机化合物的结构有机化合物的结构一、一、lewislewis电

15、子结构式电子结构式 原子以电子配对成键，形成稳定的电子构型。原子以电子配对成键，形成稳定的电子构型。4 H+CH C HHHHCHHH 共价结合的价电子表示的电子结构式为共价结合的价电子表示的电子结构式为lewis结构式。结构式。H CHHHCHCHCHHH CHCCCHH 表示出未共用价电子的结构式的表示出未共用价电子的结构式的 lewis电子结构式电子结构式HHH C C C H HHOHCHHCOCHHHH N HHNHHHKekule结构式二、凯库勒凯库勒(Kekule)结构式结构式 十九世纪后期人们已经知道C为四价，它们相互可以键接成C链或C环；也可与其它原子连结成杂环；C原子可以单

16、键、双键、三键相互连接或与其它原子链接，常用下列结构式表示：这种化学式称为Kekule结构式，只表示原子的连接次序，不表示空间排列方式。H-C-HHHHHHHH-C-C-HHHH-C=C-HH-C C-HHHH-C-O-H Kekule结构式简式：对于环状化合物和长链化合物，甚至将C、H都略去，三、有机化合物中的化学键三、有机化合物中的化学键 与无机化合物相同，有机化合物中的原子之间也是通过化学键连接在一起，也有离子键、共价键、配价键等三种类型。HC CH CH4、CH3-CH3、CH2=CH2、CH3-OH1.3 原子轨道和分子轨道原子轨道和分子轨道一、原子轨道一、原子轨道二、化学键的形成二

17、、化学键的形成三、共价键的性质三、共价键的性质四、分子间作用力四、分子间作用力一、原子轨道一、原子轨道 原子轨道由原子核外电子数确定，通过量子化学计算出核外的原子轨道的数目与形状，也叫电子云-电子在核外出现的区域，如下图：电子在原子轨道上排列符合三条原则：能量最低原则 鲍理不相容原则 洪特规则 这里的轨道已没有真正的轨道含义，根据海森堡测不准原理，电子的运动轨迹是没法准确描述的，我们只能描述电子出现的区域。二、化学键的形成二、化学键的形成 由于原子组成分子时，核外的环境发生了变化，原子轨道已不存在，应该用新的分子轨道描述电子，但这样计算非常困难，通常作简化处理。1、价键理论、价键理论 2、分子

18、轨道理论、分子轨道理论 1、价键法（1）原子轨道直接重叠法（2）杂化轨道法（1 1）原子轨道直接重叠法）原子轨道直接重叠法 这是量子化学中处理化学键的一种近似方法，认为：充满电子的原子轨道对形成分子轨道无贡献，未充满电子的原子轨道以最大程度重叠形成键。如：这种以头碰头的方式重叠叫 键，可沿键轴任意旋转。这种以肩并肩的方式重叠叫键，不能沿键轴旋转。键不能单独存在,通常是在键的基础上形成。说明：直接价键法确定了分子中共价键的饱和性和方向性。但有许多现象无法解释，如：C应是二价，H2O分子的两个O-H键的夹角应是900，以及多原子分子的空间结构等现象无法解释。（2）杂化轨道法）杂化轨道法 认为 全充

19、满的内层轨道对形成分子没有贡献，价层（外层）轨道（充满或未充满）重新组合成轨道再按直接重叠法以最大程度重叠而成键。杂化轨道认为，轨道在杂化前、后轨道的总数目不变、能级总和不变，而且杂化轨道的能级是完全等同的（简并轨道），以最大距离分布在原子核周围。如C原子的杂化形式有：1）SP3杂化 2）SP2杂化 3）SP杂化1）SP3杂化 杂化前 杂化后1S 1S SP3杂化轨道2Px 2Py 2Pz2S激发杂化激发态基态2）SP2杂化杂化前 杂化后SP2杂化轨道2Pz2Px 2Py 2Pz 2S 激发杂化基态激发态3)SP 杂化杂化前 杂化后2Px 2Py 2Pz 2S 激发2Py 2PzSP杂化轨道杂

20、化基态激发态说明：1、直接重叠成键法只能解释少数几个简单分子 而杂化轨道法能很好的解释大多数分子。2、杂化轨道理论能很好地解释多原子分子的空间结构。但杂化轨道也有一定的局限性，如不能解释O2的顺磁性，N2的稳定性等。2、分子轨道理论、分子轨道理论 认为成键不是轨道的重叠,原子轨道不再存在,而是通过线性组合形成分子轨道。同样认为:形成分子轨道的数目等于原子轨道的数目。分子轨道的能级之和等于原子轨道的能级和。进行线性组合的原子轨道必须能级相近。12原子轨道 成键分子轨道反键分子轨道 2 121 1+2E=+E=-E=原子轨道 轨道的形状如下图：两个原子轨道线性组合成分子轨道时，形成以能量升高的反键

21、轨道*或（能级为E=-）和能级降低的成键轨道或（能级为E=）。其中是原子轨道的能级，所以形成分子轨道后总的能级之和没有变。由于电子仍然按照三条规则排列在成键轨道上使体系能量降低，这就是化学键的键能，对于全充满的原子轨道组合成分子轨道时，排在成键轨道和反键轨道的电子数目相同，键能为0，对形成分子无贡献。如内层电子、惰性元素。键能2()22 （为负值）说明：1、分子轨道理论从整体上考虑了组成分子的各原子，更为合理。给出了键能的明确意义，并可通过理论计算得出键能，与实验测得比较吻合。2、分子轨道理论很好地解释了O2的顺磁性和N2的稳定性。但分子轨道理论仍有很大的局限性，只能用于简单的双原子分子，不能

22、给出多原子分子的空间结构。在有机化学中我们将价键理论和分子轨道理论并举共用,相互补充。三三 共价键的性质共价键的性质1)键长键长 成键原子核之间的平均距离成键原子核之间的平均距离(nm)。CC CC CC CH nm 0.154 0.134 0.120 0.109 2)键角键角两个共价键之间的夹角。两个共价键之间的夹角。CHHHH109.5oCCH3CH3HH112o106oOH3CCH3111o3)键能键能 形成共价键过程中体系释放的能量或共价键断裂形成共价键过程中体系释放的能量或共价键断裂过程中体系吸收的能量。过程中体系吸收的能量。CH4CH3+H 435CH3CH2+H 443CH2CH

23、+H 443CHC+H 339Ed/kJ mol-1 C-H键键能键键能=415kJ/mol 键能反映共价键的强度，键能愈大则键愈稳定。键能反映共价键的强度，键能愈大则键愈稳定。CC C H CN CO CF 347 415 305 360 485 kJ/mol-1CCl CBr CI CC CC 339 285 218 611 837 4)键的极性键的极性非极性共价键非极性共价键 极性共价键极性共价键 H-H Cl-Cl H-ClHCl+-+部分正电荷部分正电荷 -部分负电荷部分负电荷偶极矩偶极矩()有方向性有方向性箭头由正端指向负端、指向箭头由正端指向负端、指向电负性更大的原子。电负性更大

24、的原子。HClCCH3CCH3BrBrOCH3CH2CH2CH3净偶极矩指向净偶极矩指向多原子分子的偶极矩，是各键的偶极矩向量和。多原子分子的偶极矩，是各键的偶极矩向量和。四四 分子间作用力分子间作用力 (1)偶极偶极-偶极作用力偶极作用力 极性分子间的相互作用力。极性分子间的相互作用力。ClCH2CH2ClClCH2CH2ClClCH2CH2Cl-+-+-+-一分子偶极正端对另一分子偶极负端的相互吸引作用。一分子偶极正端对另一分子偶极负端的相互吸引作用。(2)色散力色散力瞬时偶极瞬时偶极.大小与分子的极化率、分子的接触面积有关。大小与分子的极化率、分子的接触面积有关。例：卤代烷的极化率例：卤

25、代烷的极化率 RI RBr RCl RF(3)氢键氢键较小原子半径、电负性强、有未共用电子对的原子。较小原子半径、电负性强、有未共用电子对的原子。氢键用虚线表示：氢键用虚线表示：XHY氢键的键能与元素的电负性及原子半径有关。氢键的键能与元素的电负性及原子半径有关。氢键FHFOHONHNNHF键能KJmol 28.0 18.8 5.4 20.9 元素的电负性越大、原子半径越小，形成的氢键越强。元素的电负性越大、原子半径越小，形成的氢键越强。氢键具有方向性、饱和性。氢键具有方向性、饱和性。分子间力的大小顺序：分子间力的大小顺序：氢键氢键 偶极偶极偶极作用力偶极作用力 色散力色散力1.4 有机反应中

26、的酸碱概念有机反应中的酸碱概念一、布伦斯特酸碱（质子酸碱）能给出H+者为酸，能接受H+者为碱。二、路易斯酸碱（广义酸碱）能给出电子对的是碱，如：OH、NH3 等 在有机化学中叫亲核试剂（富电子试剂）能接受外来电子对的是酸，如：H+、Fe3+、Zn2+、BF3、AlCl3等 在有机化学中叫亲电试剂（缺电子试剂）1.5 有机反应中的热力学和动力学有机反应中的热力学和动力学一、有机反应中的热力学 研究化学反应中平衡问题，即起点和终点，或反应的程度。符合热力学的一般规律。G=H TS=RTlnK二、有机反应中的动力学 研究反应经历的具体过程、反应机理、反应速度等。1、碰撞理论 认为反应是通过分子碰撞而

27、发生的，数学模型是阿伦尼乌斯(Arrhenius)速率公式 P：为碰撞取向几率，与碰撞的位置有关 Z：为碰撞频率，与浓度有关 e-Ea/RT：为能量几率，与温度有关，一般每升高10速率提高24倍。碰撞理论有许多不足之处：P的确定很困难 Ea的意义不明确速率P Z e-Ea/RT 2、过渡态理论 认为反应是旧键的破坏，新建的形成。在此过程中有一个旧键未完全断裂、新键未完全形成的状态，叫过渡态。在此状态下能量最高。Ea是过渡态的能量与反应物的能量 之差，叫活化能。升高温度，反应 物的平均 动能升高，活化能降低，反应速率升高。A+B-C A B C A-B+C反应物 过渡态 生成物生成物反应物 Ea

28、过渡态反应进程能量 过渡态理论很好的解释了活化能的意义，说明了温度升高反应速度加大的现象。但过渡态理论的缺点是非常重要的过渡态的结构无法确定（太短暂），活化能也就无法计算。3、哈蒙特（Hammond.G.S)假说 认为：在基元反应中，过渡态的结构与能量更接近那一端类似。即放热反应类似于反应物，吸热反应类似于生成物。1.6 有机化合物的分类有机化合物的分类一、按碳链结合的方式分类 开链化合物（无环化合物、脂肪族化合物）碳环化合物 脂环化合物 芳环化合物 杂环化合物 二、按官能团分类 官能团：决定某类化合物典型性质的原子或基团；它是同类化合物具有共同性质的内在原因。O烷烃没有官能团；烯烃的官能团为

29、碳碳双键；炔烃的官能团为碳碳叁键；芳烃的官能团为芳环；卤代烃的官能团为卤素（F、Cl、Br、I）；醇、醛、酮、酸、胺等均有相应的官能团，这是多数课本的主要分类方法。1.7 有机反应的类型有机反应的类型 有机反应按键断裂的方式分为：1、均裂反应 共价键电子对均匀断裂，形成自由基（游离基）自由基的活性很高可引发一系列反应如：自由基取代反应、自由基加成反应、自由基聚合反应。A-B A +B光或高温 2、异裂反应 共价键断裂时，电子对转移到一个原子上，形成带正（负）电荷的离子，常有正负离子中间体形成。如：带电荷的离子活性也较高，由它参与的反应叫离子型反应，可分为：1）亲电反应 带正电荷的离子亲电试剂 亲电取代反应 亲电加成反应 阳离子聚合反应A-B A+B-催化剂极性溶剂2）亲核反应 带负电荷的离子亲核试剂 亲核取代反应 亲核加成反应 阴离子聚合反应3、协同反应（周环反应）在光或热的作用下，键的形成与破坏一步完成，没有活性中间体形成。如：光或热