有机化学电子教案

有机化学电子教案（2007版）胡春第一章绪论有机化学作为一门学科诞生于19世纪初。当时化学的研究对象主要是矿物，所以人们将动物或植物中分离得到一些纯的化合物称为有机化合物，简称为有机物，其含义是“有生机之物”。当时人们认为，在实验室无法合成有机化合物。————“生命力学说”1806年瑞典化学家Berzelius(1779-1848)首次使用“有机化学”这个名称。19世纪中期人们合成了一些有机化合物，彻底动摇了“生命力学说”。§1-1有机化学和有机化合物一、有机化合物与有机化学第一章绪论自从法国化学家Lavoisier(1743-1794)和德国化学家Liebig(1803-1873)创立和发展了元素分析方法之后，人们发现有机化合物都含有碳元素，绝大多数的有机化合物还还有氢元素，有的还含有氮、氧、硫和卤素等元素，因此德国化学家Gmelin(1788-1853)和Kekule(1829-1896)等认为是有机化合物的基本元素，把碳化合物称为有机化合物，研究碳化合物的化学称为有机化学。后来，德国化学家Schorlemmer(1834-1892)在化学结构学说的基础上提出：有机化合物是碳氢化合物及其衍生物，相应地有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学。现在一般沿用Gmelin和Kekule的定义，不过有机化合物已经不是原来的含义，与无机化学相比，仅仅是分工不同和研究侧重点不同而已。§1-1有机化学和有机化合物一、有机化合物与有机化学（续）第一章绪论有机化学作为一门学科在19世纪中叶形成的。最初是从植物中提炼染料、药物和香料的技术中逐渐发展起来的。18世纪，人们从动物或植物中分离得到一些纯的化合物，如草酸，酒石酸，柠檬酸等，其性质明显不同于从来源于矿物的化合物，根据其来源称之为“有机化合物”，当时人们认为，在实验室无法合成有机化合物。1806年Berzelius(1779-1848)首次使用“有机化学”这个名称。1828年德国化学家Wohler(1800-1882)加热无机化合物氰酸铵溶液得到有机化合物尿素。§1-1有机化学和有机化合物二、有机化学的产生与发展OH2N-C-NH2△NH4OCN第一章绪论1840年德国化学家Kolbe(1818-1884)合成了醋酸。1850年法国化学家Berthelot(1827-1907)合成了油脂类物质。1865年，德国化学家Kekule(1829-1896)指出：在绝大多数有机化合物中碳为四价。在此基础上发展了有机化合物结构学说，结构学说对有机化学的发展起了很大的推动作用。1874年荷兰化学家van’tHoff(1852-1911)和法国化学家LeBel(1847-1930)分别提出：饱和碳原子的四个价指向以碳为中心的四面体的四个顶点，建立了分子的立体概念，说明了旋光异构现象，开创了从立体观点来研究有机化合物的立体化学。1885年Baeyer(1835-1917)提出张力学说。————经典结构理论§1-1有机化学和有机化合物二、有机化学的产生与发展(续)第一章绪论1900年Grignard发现Grignard试剂。1917年美国化学家Lewis(1875-1946)用电子对来说明化学键的生成。20世纪三十年代诱导效应理论，共扼效应理论，共振论的创立。1931年Huckel用量子化学的方法来解决不饱和化合物和芳烃的结构问题。1933年英国化学家Ingold等用化学动力学的方法研究饱和碳原子上亲核取代反应的机理。1951年二茂铁的合成及其结构的确证。——金属有机化学1965年中国人工合成牛胰岛素（蛋白质）。1981年中国人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸（76个核糖核苷）。§1-1有机化学和有机化合物二、有机化学的产生与发展(续)第一章绪论有机化学正在成为是一门迅速发展的学科，其分支学科有：天然有机化学，有机合成化学，生物有机化学，金属有机化学（元素有机化学），物理有机化学（理论有机化学），有机分析化学，有机立体化学等。有机化学自始至终与无机化学没有存在一条鸿沟，而且正在融合。因此在一些大学设置为：普通化学，合成化学，理论化学，金属化学等。有机化学的应用，产生一些学科：石油化学，药物化学，农药化学，材料化学，军事化学等。§1-1有机化学和有机化合物二、有机化学的产生与发展(续)第一章绪论1.有机化合物数量庞大。已知的化合物有2000万种，其中有机化合物占绝大多数，而且每年还要几十万种的速度在增长。而其余九十几种元素组成的典型无机化合物不过几十万种。为什么有机化合物数量如此之多呢？有两个原因，一是组成有机化合物的碳原子相互结合能力强，连接方式多样；其二，有机化合物普遍存在同分异构现象。截止到3月6日07:30:28，美国《化学文摘》社已经登录的化合物的数量为30,926,776种，最新化合物登记号码为924728-01-8。§1-1有机化学和有机化合物三、典型有机化合物的特点第一章绪论截止到3月6日07:30:28，美国《化学文摘》社已经登录的化合物的数量为30,926,776种，最新化合物登记号码为924728-01-8。截止到3月7日07:30:28，美国《化学文摘》社已经登录的化合物的数量为30,950,196种，最新化合物登记号码为924962-30-1。§1-1有机化学和有机化合物三、典型有机化合物的特点第一章绪论2.大多数有机化合物易燃烧，最后生成二氧化碳和水（常以此区分典型有机化合物和典型无机化合物）。例外，比如四氯化碳，不但不燃，而且可以灭火。3.有机化合物大多数难溶于水而易溶于有机溶剂（相似相溶原理）。能够与水互溶仅仅有极少数有机化合物。4.大多数有机化合物熔点较低，超过300℃以上很少（原因：分子晶体）。大多数有机化合物对热不稳定，受热容易分解，其分解温度比较低，超过400℃的很少。§1-1有机化学和有机化合物三、典型有机化合物的特点（续）第一章绪论5.大多数有机化合物发生化学反应的速度比较慢（原因：分子反应）。6.大多数有机化学反应反应复杂，副反应多。一般把一个化合物主要进行的反应称为主反应，其他反应称为副反应。由于有机化学反应复杂，因此在一般情况下书写有机化学反应式时采用箭头，反应方程式不用配平，一般只写出主要反应和产物。§1-1有机化学和有机化合物三、典型有机化合物的特点（续）CH4+O2CO2+H2O第一章绪论•有机化合物的结构决定其性质，从性质可以推知其结构。因此有机化合物的结构是有机化学的主要内容之一。•有机化合物的结构是指分子的组成，分子中原子的连接次序和方式，分子的三维排列方式，分子中原子的相互关系，分子中电子云的分布等。•有机结构理论的发展受其他学科的发展的影响。因此对待有机结构理论应该持发展的观点。§1-2有机化学结构理论第一章绪论1.有机化合物中碳原子总是+4价的。2.碳原子可以自相结合成键。§1-2有机化学结构理论一、经典结构理论第一章绪论3.表示分子中原子的种类、数目和彼此结合的次序和方式的化学式称为Kekule结构式（这些结构式现在改称为构造式）。§1-2有机化学结构理论一、经典结构理论CHHHHCCHHHHCCCHHHHHH甲烷乙烯环丙烷第一章绪论3.Kekule结构式还解决了一些同分异构问题，例如乙醇与甲醚。§1-2有机化学结构理论一、经典结构理论CHCHHOHHHCHOHHCHHHC2H6O乙醇甲醚第一章绪论4.饱和碳原子具有四面体结构。（这解决了旋光异构问题）§1-2有机化学结构理论一、经典结构理论（续）COOHCH3OHHCOOHCH3OHHCCCOOHCOOHCH3H3CHOOHHH--第一章绪论1.Kossel-Lewis化学键理论•八隅体(Octet)概念：原子的外层电子填满时（第二层为8个电子）最稳定，失去或获得电子成离子——离子键；与其它原子共享电子——共价键。2.有机分子的化学键——共价键•碳原子的成键特点：中等电负性，最外层有4个电子，可与其它原子共享电子以满足八隅体（成共价键）。共享一对电子——单键共享两对电子——双键共享三对电子——叁键§1-2有机化学结构理论二、Kossel-Lewis化学键理论第一章绪论3.有机分子结构的表示方法§1-2有机化学结构理论二、Kossel-Lewis化学键理论（续）+C+++HHHHHCHHH单键+C+HHHHC++HCHCHHCH4H2CCH2双键C+HHC+CHCHHCCHLewis电子式价键式缩写式甲烷乙烯乙炔叁键第一章绪论§1-2有机化学结构理论二、Kossel-Lewis化学键理论（续）4.配位键•特殊的共价键；•形成共价键的一对电子由一个原子提供。NHHHH+N:HHH+H+N+HHHH或第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论1.原子轨道和电子云•共价键由成键电子所在原子轨道重叠形成。•原子轨道（φ）：电子在原子核外空间运动状态函数。•电子云（φ2）：电子在核外空间运动出现的几率密度。第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论1.原子轨道和电子云（续）•s轨道围绕原子核呈球形对称，p轨道呈哑铃形。•原子轨道图中“+”、“-”表示波函数位相，并不代表电荷。•原子轨道中电子排布遵守Pauli不相容原理，能量最低原理，Hund规则。第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）2.价键法（VB法）•1927年Heiter和London提出处理化学键的量子力学方法，后来经过Pauling等进一步完善。•价键法（VB法），又称为电子配对法。第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）2.价键法（VB法）•基本要点：(1)形成共价键的两个原子均具有未成对电子，并且自旋方向相反；每一对电子形成一个共价键。(2)原子价数：原子的未成对电子数。(3)共价键具有饱和性。(4)共价键具有方向性。第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）2.价键法（VB法）++1s1s分子轨道氢分子2p1s+2p1s+1s2p第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）3.杂化轨道理论•Pauling于20世纪30年代提出杂化轨道理论。•基本要点：(1)原子在成键时，可以变成激发态；而且能量相近的原子轨道可以重新组合形成新的原子轨道，既杂化轨道。(2)杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目。(3)杂化轨道的方向性更强，成键能力更大。第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）4.分子轨道理论•分子轨道理论：是以“形成共价键的电子是分布在整个分子之中”的离域观点为出发点的。价键理论：是以“形成共价键的电子只处于形成共价键两原子之间”的定域观点为出发点的。•分子轨道即分子中价电子的运动状态，可用波函数ψ来描述。第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）4.分子轨道理论（续）•分子轨道理论的基本要点：（1）分子轨道是由原子轨道通过线性组合而成；（2）组合前后的轨道数守恒：即有几个原子轨道就可以组合成几个分子轨道。（3）原子轨道组合成分子轨道遵守最大重叠原则，能量近似原则，对称性匹配原则。（4）电子在分子轨道中的排布与原子中电子在核外排布类似。第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）4.分子轨道理论（续）ψψ1ψ2==φφ12+φφ121=φφ12+ψ2=φφ12ψφ1φ2能量成键轨道反键轨道“+”与“”表示波的位相第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）4.分子轨道理论（续）节面第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）4.分子轨道理论（续）2pZ,A2pZ,A2pZ,B2pZ,B原子轨道分子轨道zp2反键zp2成键第一章绪论§1-2有机化学结构理论三、现代共价键理论（续）4.分子轨道理论（续）2pZ,A2pZ,B原子轨道分子轨道xp2反键xp2成键第一章绪论§1-2有机化学结构理论四、共价键的属性1.键长：分子中两个成键原子核之间的距离。2.键角：在多原子分子中，两个或者两个以上的原子与其他原子在成键以后，键与键之间的夹角。CHHHH1