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第1章绪论（Introduction）授课教师：罗一鸣内容提要:一、有机化学的研究对象三、有机化合物的特性四、有机化合物结构特征—共价键五、共价键的断裂与反应类型七、课程的特点和学习方法建议二、有机化学与生命科学的关系第1章绪论六、有机化合物的分类（自学）一、有机化学的研究对象有机化合物(organiccompounds)：含碳的化合物或碳氢化合物及其衍生物。有机化学(organicchemistry)：研究有机化合物的组成、结构、性质、制备、应用和变化规律的一门科学。有机化学的产生和发展：“生命力说”的破灭。1806年，伯齐利乌斯（Berzilius）提出“有机化学”这一名词和“生命力”学说。“……有机物是生命过程的产物，所以有机物只能在细胞中受一种奇妙的‘生命力’的作用才能产生。生命力是活细胞所固有的，人工无法创造生命力，也就无法用化学的方法制造有机物。生命力是什麽呢？神秘，不可捉摸。”－伯齐利乌斯（Berzilius）一、有机化学的研究对象“我应当告诉您，我制出了尿素，而且不求助于肾或动物—无论人或犬。”1828年,F.Wohler由氰酸铵NH4OCN合成尿素—NH2CONH2，他怀着兴奋的心情将这件事告诉了他老师—生命力论的代表人物Berzilius：在一连串铁的事实面前，“生命力”论就象一艘触礁的破船，被淹没在有机合成的浪滔之中。开辟了有机合成的新纪元。1845年Kolbe合成醋酸;1854年，柏赛罗合成油脂；1850－1900年，合成有机化学时代，煤焦油化学时代；1900－1940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，三大合成材料（橡胶、塑料、纤维）；一、有机化学的研究对象二、有机化学与生命科学的关系医学的研究对象是人体，而组成人体的物质除水和一些无机盐以外，绝大部分是有机化合物。如：蛋白质，酶、维生素和激素，糖原和脂肪等。有机分子是生命体化学大厦的砌块。人体进行的新陈代谢包含者许多有机化合物的分解和合成过程；药物大多为有机化合物。生命现象的物质基础和有机分子的生物功能是生命科学研究的永恒主题。有机化学与生物化学相结合，从分子水平来研究生物学问题，是有机化学的前沿阵地之一。2001年以来的诺贝尔化学奖年度成果主题2009Studiesonstructureandfunctionofribosome对核糖体结构和功能的研究2008Discoveryanddevelopmentofthegreenfluorescentprotein发现绿色荧光蛋白2006Studiesofthemolecularbasisofeukaryotictranscription真核转录的结构生物学2004Discoveryofubiquitin-mediatedproteindegradation泛素调节的蛋白质降解2003Discoveriesconcerningchannelsincellmembranes细胞膜通道揭秘2002Identificationandstructureanalysesofbiologicalmacromolecules生物大分子的识别2001Workonchirallycatalysedreactions手性催化研究组成除C、H以外，只含有O、N、S、P、X等少数元素。有机物数目繁多。结构原子间通常以共价键的方式结合；分子组成复杂，同分异构现象普遍。性质易燃、易爆；热稳定性差；熔、沸点低；难溶于水；反应速度慢。例：HOAc:m.p16.1℃b.p118℃;NaCl:m.p800℃b.p1440℃三、有机化合物的特性四、有机化合物的结构特点—共价键碳元素处于第Ⅱ周期ⅣA族，既难得电子，也难失电子，一般以共价键与其他原子结合。描述共价键的理论：价键理论和分子轨道理论价键理论认为：共价键（covalentbond）是原子间通过共用电子对相互结合而形成的。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。（一）共价键的类型1、分类：按共用电子对的数目为按轨道的重叠方式分单键双键叁键σ键π键σ键：两个成键原子轨道沿着两个原子核间的连线（键轴）发生“头碰头”的重叠。（一）共价键的类型π键：由两个原子的p轨道“肩并肩”地重叠。（一）共价键的类型2、σ键和π键的特点σ键π键存在可单独存在只能与σ键共存键的形成成键轨道“头碰头”重叠，键较稳定成键轨道“肩并肩”重叠，键较不稳定。键的性质电子云呈柱状，不易极化；成键两原子可沿键轴“自由”旋转。电子云呈块状，易被极化；成键原子不能沿键轴“自由”旋转（一）共价键的类型3、杂化轨道(HyprizedObitals)杂化轨道：在共价键形成过程中，由于原子间的相互影响，同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道重新组合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的，成键能力更强的新的原子轨道。（一）共价键的类型碳原子最外层轨道：2S,2PX2PY2PZ（一）共价键的类型碳的三种杂化状态：（杂化态）SP2Pz2Py（杂化态）2PzSP2（基态）2S2Py2Pz2Px激发（激发态）2Px2Py2Pz2S杂化（杂化态）SP3（一）共价键的类型sp杂化碳sp3杂化碳sp2杂化碳碳的三种杂化轨道的构型（一）共价键的类型杂化轨道小结：类型S成分形状构型键角sp31/4葫芦正四面体109.5°sp21/3稍胖葫芦平面三角120°sp1/2胖葫芦直线180°杂化轨道和杂化轨道重叠形成σ键。杂化轨道与s或p轨道重叠也形成σ键。哪种杂化碳原子的电负性最大？（一）共价键的类型讨论：1、杂化轨道可形成σ键，如C-H、C-C、C-X、C-O、C-N等。σ键是有机分子构成碳链或碳环的基础。2、未参与杂化的p轨道可形成π键，如C=C、C=O、C≡C、C≡N等。（一）共价键的类型3、不同杂化态碳原子的电负性不同，导致其与氢子或其他原子形成的σ键的性质不同。电负性：sp杂化碳sp2杂化碳sp3杂化碳!实例：甲烷和乙烯的结构分别以哪种类型的键结合？（一）共价键的类型思考题1-1对于乙腈分子：CH3—C≡N两个碳原子各处于什么杂化状态？N原子上的未成键电子对处于什么轨道？（一）共价键的类型（二）共价键的参数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；例如：C—C0.154nmC—H0.109nmC=C0.133nmC—O0.143nm相同的共价键，处于不同的化学环境时，键长也稍有差异。一般地：键长越短，化学键越牢固，越不容易断开。1.键长（bondlength）2.键能（bondenergy）多原子分子:键能即键的平均解离能。例如：.CH3CH4+HCH3...CH2+HCH2..CH...H+...CH...C.+HH=423KJ/molHH=439KJ/mol=347KJ/molH=448KJ/mol平均值：(423+439+448+347)÷4=414KJ/mol∴C—H的键能为414KJ/mol。化学键的键能越大，键越牢固。（二）共价键的参数3.键角（bondangle）：键与键之间的夹角。键角主要与中心原子的杂化态有关，也受分子中其他原子的影响。（二）共价键的参数4.键的极性和极化键的极性是由于成键原子的电负性不同而引起的。如：HClCH3ClCH3OH，，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0.5～1.6，形成极性共价键。成键原子的电负性差越大，键的极性越强。（1）键的极性（polarityofbond）（二）共价键的参数键的极性用偶极矩(键矩)来度量：μ＝q×d[μ的单位：C·m(库仑·米)]q—正、负电中心的电荷d—电荷中心之间的距离例：H—ClCH3—Cl（二）共价键的参数（2）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。有极性有极性CHHHH无极性HOHOCO无极性ClCHHH（二）共价键的参数（3）键的极化（polarization）在外界电场作用下，共价键的极性发生改变的现象。极化度：键被极化的难易程度；主要决定于成键电子云的流动性大小。如：C—X键的极化度大小：C—I＞C—Br＞C—Cl＞C—Fπ键＞σ键（二）共价键的参数小结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；键的极性反映分子物理性质；键的极化性反映分子的化学反应活性；键的极性是固有的,键的极化是暂时的。（二）共价键的参数下列各化合物哪些有极性？并指出其偶极矩方向。（1）CO2（2）HBr（3）CH3Cl（4）CH3OCH3思考题1-2（二）共价键的参数取代反应加成反应消除反应重排反应聚合反应按产物和反应物关系按共价键的断裂方式自由基反应离子型反应五、共价键的断裂与反应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（freeradical）。有自由基参与的反应叫做自由基反应。ABA+BCH3+HClHCH3+Cl（一）共价键的均裂（二）共价键的异裂ABA++B-(CH3)3CCl(CH3)3C++Cl-•发生共价键异裂的反应，叫做离子型反应。反应条件通常有催化剂、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。碳正离子（carbonium）;碳负离子（carbanion）（三）有机酸碱概念HCl+H2OCl+H3O+酸碱共轭碱共轭酸1、勃朗斯德（Brφnsted）酸碱理论（质子理论）酸：给出质子的物质；碱：接受质子的物质。酸碱反应：质子的传递H2SO4+CH3OHHSO4-+CH3OH2+酸碱共轭碱共轭酸⑴共轭碱和共轭酸：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。⑵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。⑶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。关于质子酸碱理论的讨论（三）有机酸碱概念2、路易斯（Lewis）酸碱理论（电子对理论）Lewis酸：电子对的接受体；Lewis碱：电子对的给予体。酸碱反应：实际上是形成配位键的过程。H++HClCl-H++OH2H3O+BF3BF3-NH3+NH3AlCl3+Cl-AlCl4-lweis酸lweis碱BFFF（三）有机酸碱概念⑴lewis碱就是Brφnsted碱。如：:NH3—Brφnsted碱，lewis碱。⑵lewis酸则与Brφnsted酸略有不同。如：H+—lewis酸，非Brφnsted酸；HCl—Brφnsted酸，非lewis酸；BF3和AlCl3—lewis酸，非Brφnsted酸。Brφnsted酸碱理论用在酸碱度强弱的描述中；lewis酸碱理论主要用在反应机理研究中。有机酸碱讨论Lewis酸：是缺少电子不满足八隅体（氢是二隅体）的电子构型的正离子，或者含具有空轨道可接受电子对的原子，如：H+、R+、Cl+、Br+、BF3、AlCl3等，在反应中总是进攻电子云密度较大的部位，所以是一种亲电试剂。碳正离子属于Lewis酸，也是亲电试剂。（三）有机酸碱概念Lewis碱：负离子，或者是具有未共用电子对的原子，或者是富电子的π键，如:I－、OH－、CN－、R－、H2O、NH3、ROH烯烃和芳烃等，在反应中往往寻求质子或进攻一个正电中心，是亲核试剂。碳负离子属于Lewis碱，也是亲核试剂。（三）有机酸碱概念由亲电试剂进攻而发生的反应叫亲电反应；由亲核试剂进攻而发生的反应叫亲核反应。根据反应物和产物之间的关系，又可分为亲电取代和亲电加成；亲核取代和亲核加成。离子型反应亲电反应（加成、取代）亲核反应（加成、取代）（三）有机酸碱概念指出下列化合物中，哪些是Lewis酸，哪些是Lewis碱？并扼要说明理由。（1）CH3NH2（2）CH3OH（