天津大学有机化学第一节讲课课件

有机化学OrganicChemistry一门博大精深，处于核心和主导地位的科学第一章绪论1.1有机化合物和有机化学1.2分子结构和结构式1.3共价键1.3.1共价键的形成1.3.2共价键的属性1.3.3共价键的断裂和有机反应的类型1.4分子间相互作用力1.4.1偶极-偶极相互作用1.4.2vanderWaals力1.4.3氢键1.5酸碱的概念1.5.1Brønsted酸碱理论1.5.2Lewis酸碱理论1.5.3硬软酸碱原理1.6有机化合物的分类1.6.1按碳架分类1.6.2按官能团分类1.1有机化合物及有机化学HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRfDbSgBhHsMtUunUuuUubUuqCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr绝大多数有机化合物含有碳氢两种基本元素有机化合物：碳氢化合物及其衍生物有机物和无机物的区別有机化合物无机化合物数量超过8000万种不足40万种构成元素C、H、O、N、P、S、X约100种全部元素化学键共价键为主离子键为主熔点一般较低一般较高溶解性一般溶于有机溶剂一般溶于水可燃性多数易燃烧不燃的较多反应特点反应复杂，副产物多，速率较慢，常需催化剂副反应少，速率快结构特性复杂，常有异构現象较简单，较少异构有机物和无机物的区別CCl4CO2NH4HCO3H2NCONH2NaHCO3CHCl3CH4有机物无机物有机化学及研究内容有机化学：是研究有机化合物结构、性质、相互转化与应用的一门科学有机化合物结构组成性质有机化学的重要性衣：棉花、化纤、染料食：脂肪、碳水化合物、蛋白质、维生素、药物住：建材、油漆、涂料、清洁剂行：化妆品、汽油、纸、墨、网络、电脑、手机等如何学好有机化学？1、培养兴趣：生动性、趣味性、丰富性、实用性2、别掉队:neverletyourselfgetbehind！环环相扣3、把握知识点：把知识点“网络化”4、及时独立作业：看懂≠真懂5、记录所学、所想：写机理、做合成1.2分子结构与结构式分子(molecules):由原子按一定排列顺序，相互键合相互影响结合而成的整体。这种排列顺序和相互作用关系称为分子结构(molecularstructures)。分子性质不仅取决于组成分子的原子种类和数目（分子式），更重要取决于分子结构。HCHHCHHHC2H6分子的异构现象HCHHCOHHHHCHHOCHHH分子式同为C2H6O两个化合物乙醇甲醚分子式相同，结构不同的现象叫做同分异构。由原子之间键合次序不同而产生的异构现象叫构造异构，这在有机化学里非常普遍。随着组成分子的原子数目增加，构造异构体数目激增。例如：C4H10O就包含7种异构体。分子结构的表示方式HCHHCHHCHHCHHHCH3CH2CH2CH3HCHHCOCHHHCH3COCH3O短线式(dashformulas)缩简式(condensedformulas)键线式(bond-lineformulas)缩简式正规、键线式便捷1.3共价键共价键是有机化合物中典型的化学键。1.3.1共价键的形成离子键(ionicbonds)：成键电子完全归属于电负性大的原子。共价键(covalentbonds)：由两个原子间共用一对或几对电子产生的化学键(1)价键理论(valencebondtheory)共价键的形成：是成键原子的原子轨道(电子云)相互交盖的结果交盖区域内的共用电子增加了其对成键原子核吸引，降低了体系能量。成键电子定域在两个原子核之间。HH+HH=氢原子氢原子的s轨道交盖形成氢分子H2轨道交盖氢原子氢分子(2)轨道杂化C:2s22px12py12pz0碳原子在基态时的价电子构型：(2)轨道杂化C:2s22px12py12pz0碳原子在基态时的价电子构型：碳原子的基态电子构型只能形成两个共价键，与实际上碳是四价的特征不符。杂化轨道理论(hybridorbitaltheory)杂化：混合后再重新分配原始的原子轨道(基态)激发态sp3杂化轨道(a)sp3杂化杂化轨道的形状原始的原子轨道(基态)激发态sp3杂化轨道杂化轨道4个sp3杂化轨道指向四面体的顶点，夹角109.5o(b)碳原子的sp2杂化(b)碳原子的sp2杂化120120府视图(c)碳原子的sp杂化(b)碳原子的sp杂化(3)分子轨道理论(molecularorbitaltheory)分子轨道(MO)：由原子轨道线性组合而成。氢分子轨道形成示意图成键电子在整个分子轨道中运动。节面++-ψ*+++++φ1φ2ψφ1φ2反键轨道成键轨道氢原子形成氢分子的轨道能级图分子轨道原子轨道原子轨道原子轨道组成分子轨道的条件能级相近交盖程度越大，形成的键越稳定对称性(位相)相同原子轨道的交盖与对称性++-xyxy+-+1.3.2共价键的属性(1)键长(bondlengths)：成键原子的原子核间的平均距离。同种共价键因受其它键的影响不同，长度并不一致。(2)键能(bondenergy):形成共价键时体系释放的能量,或断裂共价键时体系吸收的能量。键能反映了共价键的强度，键能越大，则键越牢固。BondLengthsandEnergies((kJ/mol)ofCommonlyChemicalBondsBondLengthsandEnergies((kJ/mol)ofCommonlyChemicalBonds(3)键角(Bondangles)键角：两价以上的原子在与其它原子成键时，键与键之间的夹角。CCHH121o118oHH键角反映了分子的空间结构(4)键的极性和诱导效应共价键的类型：两个相同的原子成键,电子云对称分布在两个原子之间，所形成的键叫做非极性共价键。非极性共价键(nonpolarcovalentbonds)：极性共价键(polarcovalentbonds):电负性不同的原子成键时，电子云偏向电负性较大原子一侧。共价键的极性大小是用偶极矩(μ)来度量的。μ=q.dq:电荷电量d:正负电荷之间的距离μ:单位为C·m(库[仑]·米)μ=3.57×10-30C·m元素电负性(Electronegativity)H2.1HeLi1.0Be1.5B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0NeNa0.9Mg1.2Al1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0ArK0.8Ca1.0ScTiVCrMnFe1.8Co1.9Ni1.9Cu1.9Zn1.6GaGeAsSeBr2.8KrRbSrYZrNbMoTcRu2.2Rh2.3Pd2.2Ag1.9Cd1.9InSnSbTeI2.5XeCsBaLaHfTaWReOs2.2Ir2.2Pt2.3Au2.5Hg2.0TlPbBiPoAtRnFrRaAcRfDbSgBhHsMtUunUuuUubUuqCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr分子偶极矩双原子分子偶极矩＝共价键的偶极矩多原子分子偶极矩＝各个共价键偶极矩矢量和μ＝0ClCClClClClCClClClClCClClClClCClClClClCClClCl每个C－Cl键的偶极矩分子偶极矩单个共价键的偶极矩μ＝6.47x10-30C.mμ＝3.28x10-30C.mClCClHHClCHHHClCHHHClCClHHClCClHHClCClHHClCHHHClCHHHClCHHHClCHHH分子偶极矩诱导效应(Inductiveeffect)由于分子内成键原子的电负性不同，而引起分子内电子云密度分布不均匀。这种影响沿分子链静电诱导地传递下去，这种分子内原子相互影响的电子效应——诱导效应(I)诱导效应特点：•沿饱和键链依次传递，沿不饱和键链交替传递•诱导效应：随距离增加迅速衰减，超过4个化学键就可以忽略。CH3CH2CH2CH2ClCH3CH2CH2CH2ClCH2CHCH2FCH2CHCH2F诱导效应(Inductiveeffect)诱导效应特点：•沿饱和键链依次传递，沿不饱和键链交替传递•诱导效应：随距离增加迅速衰减，超过4个化学键就可以忽略。2.854.054.594.81CH3CH2CHCOOHClCH3CHCH2COOHClCH2CH2CH2COOHClCH3CH2CH2COOHpKa:1.3.3共价键的断裂和有机反应的类型共价键断裂的方式：有机反应的本质：旧键的断裂和新键的生成均裂(homolyticbondcleavage)异裂(heterolyticbondcleavage)均裂(homolyticbondcleavage)自由基(radicals)自由基是有机反应活性中间体。经过自由基进行的反应叫做自由基反应。RLRLR+L异裂(heterolyticbondcleavage)碳正离子(carbocation)碳负离子(carbanion)碳正离子、碳负离子是有机反应活性中间体。；经过碳正离子、碳负离子进行的反应叫做离子型反应。CLCLCLCL+CLCL+1.4分子间相互作用力1.4.1偶极–偶极相互作用极性分子带部分正电荷的一端与另一个分子带部分负电荷的一端的静电吸引作用。极性分子之间强的偶极作用导致其沸点较相近分子量的非极性分子高。例如：丙酮沸点58oC；丁烷：-0.5oCHClHClHClHCl1.4.2vanderWaals力非极性分子之间存在的吸引力vanderWaals(范德华)力：瞬间偶极和诱导偶极之间相反电荷的区域彼此吸引-＋＋＋＋---＋＋＋＋----1.4.3氢键(hydrogenbonds)Y:电负性很强，原子半径较小两个甲醇分子之间形成的氢键：分子间作用力大小顺序为：氢键偶极-偶极吸引力vanderWaals力(Y:N,O,F等原子)HYH3COHO1.5酸碱的概念1.5.1Brønsted酸碱理论Brønsted定义：酸：给出质子的分子或离子碱：接受质子的分子或离子共轭碱共轭酸(currency=proton)+NH3OH+HHOHNH3酸碱酸碱共轭酸与共轭碱弱酸的共轭碱是强碱：强酸的共轭碱是弱碱：弱碱强酸弱酸强碱+H2SO4HSO4HCH3OHCH3O+H化合物名称酸的分子式pKa共轭碱的分子式乙烷CH3CH351CH3CH2-甲烷CH448CH3-乙烯CH2＝CH244CH2＝CH-氨NH338-NH2氢气H235H-乙炔CH≡CH25CH≡C-丙酮CH3COCH319.2CH3COCH2-叔丁醇(CH3)3COH18(CH3)3CO-乙醇CH3CH2OH15.9CH3CH2O-水H2O15.7HO-甲铵离子CH3NH3+10.64CH3NH2碳酸氢根离子HCO3-10.33CO32-苯酚C6H5OH9.95C6H5O-铵离子NH4+9.24NH3乙酰丙酮CH3COCH2COCH39.0(CH3COCHCOCH3)-硫化氢H2S7.04HS-一些常见化合物的pKa值碳酸H2CO36.36HCO3-乙酸CH3COOH4.76CH3COO-苯铵离子C6H5NH3+4.63C6H5NH2苯甲酸C6H5COOH4.19C6H5COO-甲酸HCOOH3.75HCOO-氢氟酸HF3.2F-三氟乙酸CF3COOH0.18CF3COO-磷酸H3PO42.1H2PO4-硝酸HNO3-1.4NO3-水合氢离子H3O+-1.74H2O甲醇合氢离子CH3O+H2-2.5CH3OH丙酮合氢离子(CH3)2C＝O+H-3.8(CH3)2C＝O苯磺酸C6H5SO3H-6.5C6H5SO3-盐酸HCl-7Cl-氢溴酸HBr-8Br-硫酸H2SO4-9HSO4-氢碘酸HI-9I-六氟锑酸HSbF6-12SbF6-一些常见化合物的pKa值͡续上表1.5.