大学有机化学课件

邓健制作吕以仙审校1第一章绪论1.有机化合物和有机化学2.共价键3.分子的极性和分子间的作用力4.有机化合物的功能基和反应类型5.有机酸碱概念6.确定有机化合物结构的步骤与方法7.分子轨道和共振人民卫生电子音像出版社2第一节有机化合物和有机化学第一章绪论第一节有机化合物和有机化学17世纪中期,把从自然界中取得的各种物质,按照来源分为:动物物质植物物质矿物物质随后又将矿物物质称为无机物,而将动物物质和植物物质称为有机物。无机物(inorganic)无机物(inorganic)有机物(organic)有机物(organic)在化学发展史的长河中曾经有过一段时期,有机化合物被认为只能来源于有生命的机体,不可能由无机物合成。上页下页首页邓健制作吕以仙审校31828年德国年轻化学家F.Wöhler在实验过程中发现典型的无机化合物—氰酸铵能转化成有机化合物—尿素（从哺乳动物尿中分离出来的化合物）。此后人们又陆续合成了许多有机化合物。科学实验的事实打破了只能从有生命的机体得到有机化合物的错误理念。许多生命物质如蛋白质、核酸等如今也都成功地合成了。由于历史的沿用，现在人们仍然使用“有机”两个字描述有机物和有机化学,不过它的含义与早期“有机”的含义已完全不同。第一章绪论第一节有机化合物和有机化学上页下页首页NH4加热OCH2NNH2NCO氰酸铵尿素NH4加热OCH2NNH2NCO氰酸铵尿素人民卫生电子音像出版社4有机化合物和有机化学的现代定义：有机化合物(organiccompounds)—含碳的化合物有机化学(organicchemistry)是研究有机化合物的结构、性能和合成方法的一门科学。CO32-、CO2、CO、CN-、OCN-、SCN-等由于其性质与无机物相似，习惯上仍列为无机物BHHNNOFSClBrCCPPISiSi有机化合物中常见的元素有机化合物中常见的元素BHHNNOFSClBrCCPPISiSi有机化合物中常见的元素有机化合物中常见的元素第一章绪论第一节有机化合物和有机化学上页下页首页邓健制作吕以仙审校5有机化学是医学课程中的一门重要基础课，也是生命科学不可缺少的化学基础。第一章绪论第一节有机化合物和有机化学上页下页首页人民卫生电子音像出版社6第二节共价键第一章绪论第二节共价键（一、路易斯共价键理论)一、路易斯共价键理论1916年Lewis提出了经典共价键理论：当两个或两个以上相同的原子或电负性相近的原子相互结合成分子，分子中原子间可以通过共享一对或几对电子达到稳定的稀有气体的电子构型，形成化学键。这种由共享电子对形成的化学键称为共价键（covalentbonds）。稀有气体除氦仅有两个价电子外，其他的价电子层中均为八个电子，路易斯共价键理论又称为八隅律（octetrule）。上页下页首页邓健制作吕以仙审校7第一章绪论第二节共价键（一、路易斯共价键理论)碳原子既不容易得到电子,也不容易失去电子。因此,有机化合物分子中的原子间主要以共价键相结合,以满足八隅律。CCCCCHHHHHHHHHH这种用电子对表示共价键结构的化学式称为Lewis结构式。它主要用于说明有机反应机制中电子的转移。简化的Lewis结构式:.C.OHHH或.CH3OHHHONOO.或HONO2上页下页首页人民卫生电子音像出版社8二、现代共价键理论基本要点第一章绪论第二节共价键（二、现代共价键理论)当两个原子互相接近到一定距离时,自旋方向相反的单电子相互配对,使电子云密集于两核之间,降低了两核间正电荷的排斥力,增加了两核对电子云密集区域的吸引力，因此,使体系能量降低,形成稳定的共价键。每个原子所形成共价键的数目取决于该原子中的单电子数目,即一个原子含有几个单电子,就能与几个自旋方向相反的单电子形成共价键,这就是共价键的饱和性。当形成共价键时,原子轨道重叠程度越大,核间电子云越密集,形成的共价键就越稳定。因此,共价键总是尽可能地沿着原子轨道最大重叠方向形成,这就是共价键的方向性。上页下页首页邓健制作吕以仙审校9第一章绪论第二节共价键（三、碳的杂化轨道)三、碳的杂化轨道价键理论揭示了共价键的本质，但它无法解释甲烷分子(CH4)中4个碳氢键的键角相同，均为109°28´的事实。1931年鲍林在价键理论的基础上，提出了杂化轨道理论(orbitalhybridizationtheory)：原子在形成分子时，由于原子间的相互影响，同一个原子内的不同类型、能量相近的原子轨道可以重新组合成能量、形状和空间方向与原来轨道完全不同的新的原子轨道。这种重新组合过程称为杂化，所形成的新的原子轨道称为杂化轨道（hybridizationorbitals）。上页下页首页人民卫生电子音像出版社101s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pzxyzxyz碳原子的6个核外电子运动于各自的原子轨道中：第一章绪论第二节共价键（三、碳的杂化轨道)C：1s22s22p22s2+2px+2py+2pz1102s2+2px+2py+2pz110价电子层：上页下页首页邓健制作吕以仙审校11在有机化合物中,碳并不直接以原子轨道参与形成共价键,而是先杂化,后成键。碳原子有3种杂化形式—sp3、sp2和sp杂化。第一章绪论第二节共价键（三、碳的杂化轨道)1s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz1s2s2px2py2pz2s2+2px+2py+2pz1102s2+2px+2py+2pz110基态：激激发发杂化杂化杂化杂化炔烃炔烃spsp杂化杂化炔烃炔烃spsp杂化杂化spsp杂化杂化spsp33杂化杂化烷烃烷烃spsp33杂化杂化spsp33杂化杂化烷烃烷烃烯烃烯烃spsp22杂化杂化烯烃烯烃spsp22杂化杂化spsp22杂化杂化上页下页首页2s+2px+2py+2pz1111激发态激发态::2s+2px+2py+2pz11112s+2px+2py+2pz1111激发态激发态::人民卫生电子音像出版社12第一章绪论第二节共价键（四、共价键的属性)四、共价键的属性键长：成键原子的核间距离键角：两共价键之间的夹角键能：离解能或平均离解能决定分子空间构型→化学键强度键的极性:成键原子间的电荷分布→影响理化性质上页下页首页C—HC—CC=CC≡C键长/nm0.1090.1540.1340.120键角/°109.5120180键能/kJ·mol-1415.3345.6610835几种共价键的键长、键角、键能C—HC—CC=CC≡C键长/nm0.1090.1540.1340.120键角/°109.5120180键能/kJ·mol-1415.3345.6610835几种共价键的键长、键角、键能键长/pm109154134120邓健制作吕以仙审校13对于同种原子形成的共价键，公用电子由两个原子核均等“享用”：两个成键原子既不带正电荷,也不带负电荷，这种键没有极性，叫非极性共价键。H3C———CH3H3C———CH3第一章绪论第二节共价键（四、共价键的属性)CHHHCHHHCHHHCHHH上页下页首页人民卫生电子音像出版社14当两个不同原子成键时，由于两个键合原子拉电子能力不同，即电负性不同，使共用电子对发生偏移，一方原子带部分负电荷(δ-)，另一方带部分正电荷(δ+)：这种成键电子云不是平均分配在两个成键原子核之间的共价键称为极性(共价)键(polarcovalentbonds)。d+d-H3C———ClH3C———Cl键的极性大小取决于成键原子的电负性差,电负性差越大键的极性越大。一般,两个元素的电负性差值≥1.7为离子键；＜1.7为共价键，其中电负性差值在0.7～1.6为极性共价键。第一章绪论第二节共价键（四、共价键的属性)CNOFClBrISP2.553.043.443.982.192.583.162.96电负性增强电负性减弱H2.20上页下页首页邓健制作吕以仙审校15第三节分子的极性和分子间的作用力第一章绪论第三节分子的极性和分子间作用力（一、分子的极性)一、分子的极性任何分子都是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的。因此，分子的极性取决于整个分子的正、负电荷中心是否重合，若两者重合，就是非极性分子，两者不能重合为极性分子。分子的极性大小通常用分子的电偶极矩μ表示。μ=q×dq为极性分子中正电荷或负电荷中心上的电荷值，d为正负电荷中心之间的距离。μ的单位：C•m(库仑•米)或“德拜”(debye,D)。1D=3.336×10-30C•m。上页下页首页人民卫生电子音像出版社16第一章绪论第三节分子的极性和分子间作用力（一、分子的极性)μ越大，分子的极性越大，反之，极性越小。μ=0的分子为非极性分子。极性分子的μ一般在1～3D范围内。上页下页首页邓健制作吕以仙审校17分子的极性是分子中所有化学键极性的向量和。对于双原子分子，键的极性就是分子的极性。多原子分子的极性不仅取决于各个键的极性，也取决于分子的形状。HHHHHHμ=0(非极性分子)μ=1.87(极性分子)第一章绪论第三节分子的极性和分子间作用力（一、分子的极性)分子的极性越大，分子间相互作用力就越大，因此，化合物分子的极性大小直接影响其沸点、熔点、溶解度等物理性质和化学性质。上页下页首页人民卫生电子音像出版社18二、分子间的作用力第一章绪论第三节分子的极性和分子间作用力（二、分子间作用力)有机化合物分子间的作用力主要是偶极-偶极作用力(dipole-dipoleinteractions)。一个分子的偶极正端与另一分子的偶极负端之间的吸引力,称为偶极-偶极作用力。偶极-偶极作用力偶极-偶极作用力上页下页首页ICHHHδ-ICHHHICHHHδδ+-δδ-δ++邓健制作吕以仙审校19当一种化合物分子中包含H—O、H—N或H—F等结构时,分子间往往具有很强的吸引力,一个分子中带部分正电荷的氢原子吸引另一个分子中电负性很强，并带有孤对电子的原子(O、N或F)。这种吸引力称为氢键(约21kJ.mol-1)。氢键是一种特别强的偶极一偶极作用力。第一章绪论第三节分子的极性和分子间作用力（二、分子间作用力)OHHOHHOCH3HOHCH3dddd++--氢键氢键不仅影响化合物的物理性质和化学性质，而且对保持大分子（如蛋白质和核酸等）的几何形状起着重要作用。上页下页首页人民卫生电子音像出版社20第一章绪论第三节分子的极性和分子间作用力（二、分子间作用力)非极性分子虽然偶极距为零，但分子在运动过程中能产生瞬时偶极。非极性分子瞬时偶极之间的作用力又称为范德华力（VanderWaalsforces）。这种作用力虽然很弱，但在活细胞膜的磷脂非极性链之间起着极其重要的作用。细胞膜的流体镶嵌模型上页下页首页邓健制作吕以仙审校21第四节有机化合物的功能基和反应类型第一章绪论第四节有机物的功能基和反应类型（一、功能基)一、功能基有机化合物分子中能体现一类化合物性质的原子或基团，通常称为功能基(functionalgroups)或官能团。例如CH3OH、C2H5OH、CH3CH2CH2OH等醇类化合物中都含有羟基（-OH），羟基就是醇类化合物的功能基。由于它们含有相同的功能基,因此醇类化合物有类同的理化性质。上页下页首页人民卫生电子音像出版社22二、有机物的分类(一)按碳骨架分类链状化合物(开链化合物、脂肪族化合物)CH3CH2COOH碳环化合物：脂环化合物、芳香化合物杂环化合物第一章绪论第四节有机物的功能基和反应类型（二、有机物的分类)NSHNNNNNHN上页下页首页邓健制作吕以仙审校23(二)按官能团分类第一章绪论第四节有机物的功能基和反应类型（二、有机物的分类)上页下页首页人民卫生电子音像出版社24三、有机化合物的反应类型第一章绪论第四节有机物的功能基和反应类型（三、有机反应类型)有机反应涉及旧键的断裂和新键的形成。键的断裂有均裂和异裂两种方式：(一)均裂H3