兰州大学化学化工学院有机化学课件-第1章-绪论

有机化学电子教案兰州大学化学化工学院第1章绪论第一节有机化学和有机化合物第二节有机化合物的特点及结构表示第三节官能团和有机化合物的分类第四节有机化合物的结构测定第五节有机化学的研究内容与研究方向第六节学习有机化学的意义第七节学习有机化学的方法有机化学是碳化合物的化学。含碳的化合物是有机化合物。•有机化合物与人类的日常生活密切相关。•与生命相关的物质:脂肪,糖,蛋白质,核酸.•衣服等纺织品:棉花,丝绸,聚酯纤维......•日用品:牙膏,肥皂,香水,香波......•其它生活用品:药品,杀虫剂,汽油......第一节有机化学和有机化合物19世纪以前，人们把自然界的物质分为动物、植物和矿物三大类；19世纪初期：把来源于动物、植物的物质称作有机物(OrganicCompounds)——有生机的物质；把来源于矿物的物质称作无机物(InorganicCompounds)——无生机的物质。(有机化合物和无机化合物的本质区别）有机化学的产生和发展•蔗糖甘蔗•尿素尿液•酒石酸葡萄•柠檬酸柠檬•乳酸酸牛奶•吗啡鸦片瑞典化学家柏则里(J.Berzelius)，为区别于无机物及无机化学,第一个提出了有机化学的概念：研究有机物的化学为有机化学，并提出了第一个说明有机物产生的学说—生命力论(活力论)，认为:一切有机物只有在生命力存在下才能形成，从无机物不能合成有机物（生命力学说，1806年）。1828年：德国化学家维勒FriedrichWöhler在合成异氰酸胺时意外地合成了尿素，标志着“生命力学说”的打破。InorganicCompoundsInorganicCompoundOrganicCompound说明有机化合物可以在实验室里由无机化合物合成。虽然生命力不是区分有机物和无机物的原因，但由于有机化合物同当时知道的无机化合物在性质和研究方法上都有所不同，因此、有机化学这个名称仍然保留下来。有机化学是碳化合物的化学，含碳的化合物是有机化合物。NH4OH+Pb(OCN)2NH4OCNNH2CONH2虽然尿素的合成被当时的权威化学家认为是一个重要的成就，但生命力学说并没有很快消失，直到……1845年科尔伯（H.Kolber）从无机物合成出了醋酸；1854年伯塞洛特（M.Berthelot）合成了油脂类化合物，证明了一些比较复杂的天然有机化合物是完全可以由简单的无机化合物通过人工方法合成，于是生命力学说才彻底破灭，从此开创了有机合成的新时代，化学家们不断合成出新的有机化合物。1848年，葛美林(GmelinL.)提出新有机化学概念：有机化学是研究碳化合物的化学；1874年，肖莱马(SchorlemmerC.)完善了有机化学概念：有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学，有机化合物—碳氢化合物及其衍生物。然而，有机化学发展成为一门独立的、系统的科学则是在有机化学结构理论建立以后才完成的。随着有机元素分析技术日益成熟，发现在有机物中只含为数有限的几种元素，所有的有机化合物都含有碳，多数含有氢，其次为含有O、N、X、P等，碳是最基本的元素。1858年，凯库勒(F.A.Kekulé)和库柏(A.S.Couper)分别独立地提出了一个简单但非常重要的概念：碳原子是四价的，并能相互连结，这为有机化学结构理论的建立奠定了基础；1874年，范特霍夫(van’tHoff)和勒贝尔(LeBel)同时分别提出了组成有机化合物分子的碳原子为四面体构型学说，建立了有机立体化学的基础，并阐明了旋光异构现象；1885年，拜尔(vonBaeyer)提出了环状化合物的张力学说，至此有机化学建立了经典结构理论。进入20世纪20年代以来，随着量子力学的引入，近代分析方法和实验技术的不断发展及电子计算机的广泛应用，有机化学结构理论在经典结构理论的基础上不断发展，相继提出了价键理论、分子轨道理论和分子轨道对称性守恒原理，揭示了化学键的微观本质，建立了现代结构理论的基础。这些结构理论推动了有机化学科学的迅速发展。20世纪60年代以后，现代波谱技术发展迅速，大大简化了结构研究工作，并且结构阐明也是从简单到复杂。此外，随着时间的推移，需要解决的问题的难度也逐步提高，这就需要不断发现新方法、新技术和新理论，而所获得的成就反过来丰富了有机化学学科。第一周期HHe第二周期LiBeBCNOFNe第三周期NaMgAlSiPSClArBrI表1-1简化的周期表一、有机物的特点碳原子处于周期表的第二周期第IV族，恰在电负性极强的卤素和电负性极弱的碱金属之间，一般以共价键相结合。第二节有机化合物的特点及结构表示1、分子组成复杂：如VB12C63H88N14O14PCoNNNNH3CCH3H3CCH3CH3CoCNH3CH3CH3CONHOPOH3C-OONNCH3CH3HOOHOCONH2CONH2H2NOCH2NOCH2NOCCONH22、容易燃烧：大多数有机物只含有碳、氢和氧原子，燃烧后的最终产物是CO2和H2O,不遗留残余物。但大多数无机物不易燃，也不能烧尽。3、挥发性大：如低沸点的乙醇、乙醚、丙酮等。4、熔点低：有机分子间的排列，是微弱的静电范德华引力，而无机物晶体是由离子排列而成的，晶格束缚力很强。5、难溶于水：有机物为共价键分子，极性较弱。6、反应速度一般较慢：需加热、加催化剂或用光照等手段以加快反应的进行，因共价键较稳定、反应活性差。7、易发生副反应：当一个有机物和一种试剂反应时，除和分子的某一特定部位发生反应外，分子的其它部分也可能受影响，因此产生一些极难分离的复杂混合物，产率很难达到100%。H原子的s轨道s轨道的重叠轨道1、共价键的形成自旋相反的成单电子相互接近时，核间电子云密度较大，可形成稳定的化学键。键键轴二、共价键、共价键的形成及其表示方法有机化合物中主要的、典型的化学键是共价键。2、共价键的特点(1)、共价键有饱和性：一个原子有几个未成对的电子，便可和几个自旋相反的电子配对成键。(2)、共价键有方向性：共价键尽可能沿着原子轨道最大重叠的方向（轨道的对称轴）形成，叫着最大重叠原理。即重叠越多，电子在两核间出现的机会越大，形成的共价键也就越稳定。xzyxzy3、键与键键：沿着轨道对称轴方向的重叠（头碰头）形成的共价键。键：沿着轨道对称轴平行方向的重叠（肩并肩）形成的共价键xzyxzyNNπzπzπyπyσ2s2pNNNN24、共价键成键类型s-sxxs-pxxpx-pxxzzpz-pzxyypy-pyzz二、共价键及其表示方法有机化合物中主要的、典型的化学键是共价键——一般用电子式(Lewis式)或键线式(Kekulé式)表示。路易斯结构(Lewisstructures)凯库勒结构(KekuléStructures)HHHHHBBHHHHCHHHHNHHHHCCHHCCCNCCHHHHCCHH-CN键线式的一般书写规则省略碳、氢元素符号，只写碳碳键；相邻碳碳键之间的夹角画成120°(注：双键、三键保留下来)。OHOOH许多化合物可以用一个式子表示其结构，如甲烷、乙烯、1,4-戊二烯等。三、共振结构(p.6)HCHHHCCHHHHCCCCHHCHHHHHH而在有些情况下，只用路易斯结构或凯库勒结构不能恰当地描述离子或分子的真实电子结构。如醋酸根离子就是这样一个例子：在醋酸根中，两个C-O键的键长相等，负电荷也不是固定在哪一个特定的氧原子上，用下面的两个式子中的任何一个都不能精确地表示其结构：它的意义是醋酸根是这两个经典结构式的杂化体，而不是两个经典结构式中的任何一个：即醋酸根中的两个C-O键都具有部分双键的性质，每个氧原子都带有部分负电荷。在这种情况下可采用共振式：O-OCH3COO-CH3CO-OCH3COO-CH3COOCH3C硝酰氯,NO2Cl,，OClNOOClNOClNOOClNOOClNOOClNOOClNOO1/21/2OCOOOCOOOCOOHHCOHHHCOHHHCOδδ质子化的甲醛,(H2COH)+碳酸根离子,CO32-甲酸根离子,HCO2-HCOOHCOOHCOO1/21/2HHCOHHHCOHHHCNHHCNHHHH在书写共振结构和估价分子或离子的共振结构的相对重要性时可概括出以下几点经验规则：1、共振结构不包括原子核位置的变化，仅涉及电子排布的变化。2、所有第二周期的原子填满八隅体比未填满八隅体的结构更重要，即使正电荷落在电负性较大的原子上。随着原子间电负性差增加，非八隅体结构的贡献随之增大。3、在诸共振结构中，没有正负电荷分离的结构是更重要的。OHCHOOHCHONHCNHNHCNH在某些情况下，不太重要的电荷分离的结构仍具有一定的贡献，这一点在解释某些化学反应时，将是很有用的。4、有时不可能写出不带电荷分离的、填满八隅体的结构，则在共振结构中，较重要的结构是负电荷由电负性较强的元素承担而正电荷由更电正性的元素承担的结构。CHCNHOHCHCNHOH以上两例均为前者更重要CHNNHCHNNH四、有机分子的三维结构CCHHHHCH4球棍模型骨架模型球球模型(Stuart)一、按碳架分类链形化合物环形化合物脂肪族化合物碳环化合物杂环化合物芳环化合物脂环化合物脂杂环化合物芳杂环化合物第三节官能团和有机化合物的分类二、按官能团分类羧酸(CarboxylicAcids)酯(Esters)酰胺(Amides)胺(Amines)硫醇(Thiols)硫醚(Sulfides)亚砜(Sulfoxides)砜(Sulfones)磺酸(sulfonicacid)烷烃(Alkanes)烯烃(Alkenes)炔烃(Alkynes)芳烃(AromaticHydrocarbons)卤代烃(AlkylHalides)醇(Alcohols)酚(Phenols)醚(Ethers)醛(Aldehydes)酮(Ketones)某些原子或原子团与不同的碳骨架连接时都表现出性质的相对一致性，把这些原子或原子团称为官能团。如羟基-OH是醇的官能团。硝基苯C6H5NO2硝基化合物乙腈CH3CN腈化物乙胺CH3CH2NH2胺含氮有机物氯乙烷CH3CH2Cl卤代物苯芳烃丁二烯CH2=CHCH=CH2二烯乙炔HCCH炔烃乙烯CH2=CH2烯烃乙烷CH3CH3烷烃碳氢化合物名称举例环氧乙烷环氧化合物乙醚CH3CH2OCH2CH3醚苯酚C6H5OH酚N-甲基乙酰胺CH3CONH(CH3)酰胺乙酸乙酯CH3COOCH2CH3酯乙酸酐(CH3CO)2O酸酐乙酰氯CH3COCl酰卤羧酸衍生物乙酸CH3COOH羧酸丙酮CH3COCH3酮乙醛CH3CHO醛乙醇CH3CH2OH醇含氧有机物名称举例O分类（续）一、元素分析及分子式的确定甲烷+O2CO2+H2O试样中H的重量=H2O的重量2.016/18.016试样中C的重量=CO2的重量12.011/44.009样品中的%H=H的重量/样品重量100样品中的%C=C的重量/样品重量100第四节有机化合物的结构测定通过各元素的百分含量，可算出分子中各原子的摩尔数及最小整数比，于是得到该分子的经验式。分子式或与经验式相同，或是它的整数倍。二、结构式的确定2、现代波谱技术的运用——质谱(MS)、红外光谱(IR)、核磁共振(NMR)和紫外光谱(UV)1、化学表征法试样用量大，分析耗时长，有时得到错误结论；手性碳及双键构型确定困难。OHOOHNHCH3吗啡碱1805－1952年一、天然有机：有机化学起源于对天然产物的研究。二、有机分析：结构测定---化学方法与近代物理方法相结合。三、有机合成：利用化学反应由简单的有机化合物制造复杂的有机化合物。通过合成不但可以验证天然产物结构的正确性，还可以得到一系列天然产物类似物及新化合物，从中筛选出性能更好的物质。此外，合成方法学研究也是有机合成的研究内容。四、物理有机：研究反应机理，从而加深对有机反应的理解，并有助于合理地改变实验条件，提高合成效率。五、金属有机：无机化学和有机化学之间的边缘学科。第五节有机化学的研究内容与方向第六节学习有机化学的意义一、职业的需要：学习有机化学首先是出于职业的动机。二