有机化学课件徐寿昌全.ppt

有有 机机 化化 学学Organic Chemistry授课教师：授课教师：周周 密密教材教材:徐寿昌主编（第二版）徐寿昌主编（第二版）高等教育出版社高等教育出版社学习、研究有机化学的方法学习、研究有机化学的方法理解理解 记忆记忆 实践实践 规律规律预习；预习；认真听课（补充内容的笔记）；认真听课（补充内容的笔记）；再独立完成作业（勤翻书本）再独立完成作业（勤翻书本）；做完作业后的单元（总结）复习；做完作业后的单元（总结）复习；适当做些课外参考书上的习题。适当做些课外参考书上的习题。测验题题型测验题题型命名、鉴别、排列顺序、完成反应、命名、鉴别、排列顺序、完成反应、反应机理、合成、推测结构反应机理、合成、推测结构 教学目的与要求教学目的与要求1掌握重要的典型有机化合物的命名方法、结构、性掌握重要的典型有机化合物的命名方法、结构、性 质，了解它们的应用；质，了解它们的应用；2理解用化学键理论和电子效应、空间效应解释一些简理解用化学键理论和电子效应、空间效应解释一些简 单有机物结构与性能的关系；单有机物结构与性能的关系；3掌握简单有机物的典型反应和重要的合成方法，掌握掌握简单有机物的典型反应和重要的合成方法，掌握 各类化合物相互转变的基本规律；各类化合物相互转变的基本规律；4了解典型的、简单的反应历程、过渡态理论和活性中了解典型的、简单的反应历程、过渡态理论和活性中 间体；间体；5了解立体化学的基本知识和基本概念。了解立体化学的基本知识和基本概念。本课程总学时为本课程总学时为81学时学时参考书参考书:(1)(1)袁履冰主编袁履冰主编有机化学有机化学，高等教育出版社，高等教育出版社(2)2)胡宏纹主编胡宏纹主编有机化学有机化学，高等教育出版社，高等教育出版社(3)3)邢邢其其毅毅,徐徐瑞瑞秋秋,周周政政基基础础有有机机化化学学(上上、下下),),高高等等教育出教育出 版社版社(4)(4)邢邢其其毅毅等等编编著著基基础础有有机机化化学学习习题题解解答答与与解解题题示示例例，北京北京 大学出版社；大学出版社；(5)5)龚跃法等有机化学习题详解龚跃法等有机化学习题详解,华中科技大学出版社华中科技大学出版社Chapter 1 有有 机机 化化 合合 物物 的的 结结 构构 和和 性性 质质1-11-1有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学1806年柏则里斯（年柏则里斯（Berzelius）首先提出）首先提出(有机化学有机化学)名词，名词，以区别于其它矿物质的化学以区别于其它矿物质的化学 无机化学无机化学1828年年，魏魏勒勒（F.Whler）在在实实验验室室由由氰氰酸酸铵铵(NH4OCN)合成尿素合成尿素(NH2CONH2),促进了有机化合物的人工合成促进了有机化合物的人工合成:1845年年Kolbe合成了醋酸；合成了醋酸；1854年，柏赛罗年，柏赛罗(M.berthelot)合成油脂类化合物等。合成油脂类化合物等。1848年葛梅林（年葛梅林（L.Gmelin)提出，提出，有机化合物有机化合物 就是含碳化合物，就是含碳化合物，有机化学有机化学 是研究含碳化合物是研究含碳化合物的化学。的化学。事实上有机化合物除了含有碳元素外，还含事实上有机化合物除了含有碳元素外，还含有有H、O、N、S、X等元素，其中尤以等元素，其中尤以C、H元元素为主。素为主。从结构上看从结构上看,所有的有机化合物都可以看作碳氢化合物以及所有的有机化合物都可以看作碳氢化合物以及从碳氢化合物衍生而得的化合物。从碳氢化合物衍生而得的化合物。1874年肖莱马（年肖莱马（K.Schorlemmer）又将）又将有机化学有机化学 定义为研定义为研究碳氢化合物及其衍生物的化学。究碳氢化合物及其衍生物的化学。当当然然,对对CO、CO2、CO32-等等简简单单化化合合物物习习惯惯上上还还是是称称作作无机化合物无机化合物.1901-2008年诺贝尔化学奖，年诺贝尔化学奖，73届届 与有机化学有关；与有机化学有关；二十世纪二十世纪47项重大发明，项重大发明，8项项 与有机化学有关。与有机化学有关。自自然然界界中中碳碳的的循循环环 1-2 1-2 有机化合物的特点有机化合物的特点l绝大多数有机物只是由碳，氢，氧，卤素，硫绝大多数有机物只是由碳，氢，氧，卤素，硫和磷等少数元素组成和磷等少数元素组成,但种类繁多。但种类繁多。l碳元素碳元素:核外电子排布核外电子排布 1s22s22p2 l碳原子相互结合能力很强（碳链和碳环）碳原子相互结合能力很强（碳链和碳环）1.2.1 1.2.1 结构上存在同分异构现象结构上存在同分异构现象 分子式相同而结构相异因而其性质也各异的不同化合物分子式相同而结构相异因而其性质也各异的不同化合物,称为同分异构体称为同分异构体,这种现象叫这种现象叫同分异构现象同分异构现象。a a、碳、碳-碳能形成长链、环碳能形成长链、环 b b、碳原子有强成键能力、碳原子有强成键能力leg1:乙醇乙醇和二甲醚和二甲醚 CH3CH2-OH,CH3-O-CH3leg2:丁丁烷烷和和异丁烷异丁烷 CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3 CH3 丁烷和异丁烷的异构丁烷和异丁烷的异构,只是分子中各原子间相互结合的顺序不同而只是分子中各原子间相互结合的顺序不同而引起的引起的,只是只是构造构造不同而导致的异构现象不同而导致的异构现象,又叫做构造异构现象又叫做构造异构现象.此外此外,有机化合物还可由于有机化合物还可由于构型（顺、反；构型（顺、反；Z Z、E E；R R、S S）和和构象构象不不同而造成异构现象同而造成异构现象.l碳碳化化合合物物含含有有的的碳碳原原子子数数和和原原子子种种类类越越多多,它它的的同同分分异构体也越多。如异构体也越多。如:C7H16的的同分异构体数同分异构体数 9 个个;C8H18的的同分异构体数可达同分异构体数可达18个个;C10H22的的同分异构体数可达同分异构体数可达75个。个。（产生同分异构现象的本质是在分子中原子成键的顺序产生同分异构现象的本质是在分子中原子成键的顺序和空间排列方式不同和空间排列方式不同.）2、大多不溶于水：、大多不溶于水：也有的有机物可以溶于水，甚至与水混溶也有的有机物可以溶于水，甚至与水混溶 EtOH。1、大多易燃烧：、大多易燃烧：也有例外，如也有例外，如CCl4，不但不燃且可用于灭火。不但不燃且可用于灭火。1.2.2 性质上的特点：性质上的特点：3、熔点较低：、熔点较低：超过超过3000C以上很少。以上很少。4、分解温度比较低：、分解温度比较低：超过超过4000C的很少，但碳纤维的很少，但碳纤维30000C还稳定。还稳定。5 5、反应速度比较慢、反应速度比较慢：不像无机反应可以瞬间完成；也有反应速度很快的，比如炸不像无机反应可以瞬间完成；也有反应速度很快的，比如炸药的爆炸，反应速度很快。药的爆炸，反应速度很快。6、大多数有副反应：、大多数有副反应：反应不是定量进行的，所以一般情况下有机化学反应反应不是定量进行的，所以一般情况下有机化学反应式不用配平，只要写出主要产物就可以。式不用配平，只要写出主要产物就可以。n共价键：两原子各提供一个电子形成把两个原子共价键：两原子各提供一个电子形成把两个原子 结合在一起的化学键。结合在一起的化学键。碳元素碳元素:核外电子排布核外电子排布 1 1S S2 22S2S2 22P2P2 2,不易获得或失去价电子不易获得或失去价电子,易形成共价键易形成共价键.1-31-3 有机化合物中的共价键有机化合物中的共价键(1)路路 易易 斯斯 结结 构构 式式:用用 共共 用用 电电 子子 的的 点点 来来 表表 示示 共共 价价 键键 的的 结构式结构式.(2)凯库勒结构式凯库勒结构式:用一根短线代表一个共价键用一根短线代表一个共价键.路易斯结构式路易斯结构式凯库勒结构式凯库勒结构式 C +4H C HHH HCHHHH如两个原子各有一个未成对电子并且自旋方向相反，就如两个原子各有一个未成对电子并且自旋方向相反，就可偶合配对，形成一个共价键；可偶合配对，形成一个共价键；量子化学的价键理论量子化学的价键理论:共价键具有饱和性；共价键具有饱和性；共价键具有方向性共价键具有方向性(最大重叠原理最大重叠原理):):两个电子的原子轨道两个电子的原子轨道的重叠部分越大的重叠部分越大,形成的共价键就越牢固形成的共价键就越牢固.方向性方向性决定分子空间构型，因而影响分子性质决定分子空间构型，因而影响分子性质.共价键具有方向性共价键具有方向性(最大重叠原理最大重叠原理):2p1syx1s2pyx（a）x轴方向结合成键轴方向结合成键（b）非非x轴方向重叠较小不轴方向重叠较小不能形成键能形成键 分子轨道理论分子轨道理论着眼在整个分子中电子的排布规律，认为电子可在分子着眼在整个分子中电子的排布规律，认为电子可在分子范围内分布，是一种范围内分布，是一种离域离域的观点，而分子轨道则由有一定条的观点，而分子轨道则由有一定条件的组成分子的原子轨道线性组合得到。（条件是能量相近、件的组成分子的原子轨道线性组合得到。（条件是能量相近、轨道对称性匹配、能最大重叠）。轨道对称性匹配、能最大重叠）。原子轨道原子轨道原子中每个电子的运动状态都可以用一个单电子的原子中每个电子的运动状态都可以用一个单电子的 波函数波函数（x x，y y，z z）来描述来描述.称为原子轨道称为原子轨道,因此因此 电子云的形状也可以表达为轨道的形状电子云的形状也可以表达为轨道的形状.分子轨道理论内容：分子轨道理论内容：(2)(2)分子中价电子的运动状态分子中价电子的运动状态,即分子轨道即分子轨道,用波函数用波函数 (psai)(psai)来描来描述述;(;(薛定谔方程的解薛定谔方程的解)(3)(3)分子轨道由分子轨道由原子轨道线性组合原子轨道线性组合Linear Combination of Atomic Orbitals形成形成(LCAOLCAO),),形成的轨道数与参与成键的原子轨道数相等形成的轨道数与参与成键的原子轨道数相等.1=1=1 1+2 (2 (符号相同符号相同,即即:波相相同波相相同.成键轨道成键轨道)2=2=1 1-2 (2 (符号不同符号不同,即即:波相相反波相相反.反键轨道反键轨道)l 每个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子每个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子.l 电子总是首先进入能量低的分子轨道电子总是首先进入能量低的分子轨道.2个氢原子轨道组成个氢原子轨道组成2个氢分子轨道个氢分子轨道成键轨道成键轨道 1=1+2 反键轨道反键轨道 2=1-2 能量相近的原子轨道可进行杂化，组成能量相等的杂化轨能量相近的原子轨道可进行杂化，组成能量相等的杂化轨道，使成键能力更强，成键后可达到最稳定的分子状态。道，使成键能力更强，成键后可达到最稳定的分子状态。碳原子有两个未成对的外层电子，为什么碳原子有两个未成对的外层电子，为什么不与不与2个结合为个结合为CH2，而是与，而是与4个生成个生成CH4？有机物的碳原子结构主要有三种杂化状态，即有机物的碳原子结构主要有三种杂化状态，即SPSP3 3、SPSP2 2、SPSP杂化，一般状态下它们分别具有四面体、平面三角、直杂化，一般状态下它们分别具有四面体、平面三角、直线型的空间形态。线型的空间形态。1.3.3 杂化轨道理论杂化轨道理论2p 2s 1s 能能 量量碳原子基态的电子构型碳原子基态的电子构型2p 2s 1s 一一个个2s电电子子激激发发至至能能量量较较高高的的2pz空空轨轨道道只只需需要要402 kJ/mol能能 量量2p 2s 1s 基态基态激发态激发态spsp3 3杂化态杂化态碳原子碳原子2 2s s电子的激发和电子的激发和spsp3 3杂化杂化C采采取取sp3杂杂化化轨轨道道与与4个个H原原子子的的s原原子子轨轨道道形形成成4个个 sp3-s型型的的C-H键键(CH4)比比形形成成CH2要要稳稳定定的的多多.(4144-402)kJ/mol。形形成成CH4 时时仍仍有有约约1255 kJ/mol能能量量释释放放出出。所所以以这这个个体体系系比比形成两个共价键的形成两个共价键的CH2稳定稳定的多。的多。这四个这四个s sp p3 3杂化轨道的能量是相等的杂化轨道的能量是相等的,每一轨道相等于每一轨道相等于1/4 1/4 s s成分成分,3/4,3/4 p p成分成分.sp3杂化轨道的图形杂化轨道的图形一、键长一、键长形成共价键的两个原子的原子核之间的距离形成共价键的两个原子的原子核之间的距离.(不同化合物中同一类型的共价键也可能稍有不同不同化合物中同一类型的共价键也可能稍有不同)二二、键键角角(方方向向性性)任任何何一一个个两两价价以以上上的的原原子子,与与其其它它原原子子所所形形成成的的两两个个共共价价键键之之间间的的夹夹角角.如如CH4，键键角角109.5o三、键能三、键能 气态原子气态原子A和气态原子和气态原子B结合成结合成A-B分子分子(气气态态)所放出的能量所放出的能量,也就是气态分子也就是气态分子A-B离解成离解成A和和B两个两个原子原子(气态气态)时所吸收的能量时所吸收的能量.1-4 1-4 有机化合物中共价键的性质有机化合物中共价键的性质 n键能键能泛指多原子分子中几个同类型键的离解能的平均值泛指多原子分子中几个同类型键的离解能的平均值.n离离解解能能:一一个个共共价价键键离离解解所所需需的的能能量量.指指离离解解特特定定共共价价键键的的键键能能.（在多原子分子中，即使相同的键其解离能也不相同）（在多原子分子中，即使相同的键其解离能也不相同）D(CH3-H)=435.1kJ.mol-1D(CH2-H)=443.5kJ.mol-1D(CH-H)=443.5kJ.mol-1 D(C-H)=338.9kJ.mol-1甲烷甲烷C-H键键能取其平均值为键键能取其平均值为-1四、键的极性和元素的电负性四、键的极性和元素的电负性分子的偶极矩分子的偶极矩HHHH，ClClClCl，成键电子云对称分布于两个原子之间，这成键电子云对称分布于两个原子之间，这样的共价键没有极性。样的共价键没有极性。1、键的极性：、键的极性：两个不同原子组成共价键时，由于两原子两个不同原子组成共价键时，由于两原子吸引电子的能力不同，成键电子云非对称地分布在两核周吸引电子的能力不同，成键电子云非对称地分布在两核周围，使分子的一端带电荷多些，而另一端带电荷少些，这围，使分子的一端带电荷多些，而另一端带电荷少些，这种键具有极性。种键具有极性。如：如：H(+)Cl(-)，H3C(+)Cl(-)键的极性大小主要取决于成键两原子的电负性值之差，键的极性大小主要取决于成键两原子的电负性值之差，与外界条件无关，是永久的性质。与外界条件无关，是永久的性质。3、偶极矩：、偶极矩：正电中心或负电中心的电荷与两个电荷中心正电中心或负电中心的电荷与两个电荷中心之间的距离之间的距离d的乘积的乘积.(方向性方向性:正到负正到负,一般用符号一般用符号表示。表示。q d (D,德拜德拜)4、分子偶极距的判断、分子偶极距的判断 双原子分子：键的极性就是分子的极性，键的偶极矩双原子分子：键的极性就是分子的极性，键的偶极矩 就是分子的偶极矩。就是分子的偶极矩。多原子分子：分子的偶极矩是分子中各个键的偶极矩的多原子分子：分子的偶极矩是分子中各个键的偶极矩的 向量和。向量和。HCl CH3Cl HC CH=1.03D=1.87D=02、电负性、电负性：一个元素吸引电子的能力。：一个元素吸引电子的能力。一、共价键的断裂方式一、共价键的断裂方式均裂均裂:两个原子之间的共用电子对均匀分裂两个原子之间的共用电子对均匀分裂,两个原子各两个原子各保留一个电子的断裂方式。产生活泼的保留一个电子的断裂方式。产生活泼的自由基自由基(游离基游离基).自由基：具有不成对电子的原子或集团。自由基：具有不成对电子的原子或集团。A:B A+B Cl:Cl (光照光照)Cl+Cl CH4+Cl CH3 +H:Cl 1-5 1-5 共价键的断裂与反应类型共价键的断裂与反应类型发生键均裂的反应称为发生键均裂的反应称为均裂反应（自由基型反应）均裂反应（自由基型反应）异异裂裂:共共价价键键断断裂裂时时,两两原原子子间间的的共共用用电电子子对对完完全全转转移移到到其其中中的的一一个个原原子子上上的的断断裂裂方方式式。结结果果产产生生正正 、负离子负离子.A:B A+B-(CH3)3C:Cl (CH3)3C+Cl-二、反应类型二、反应类型1.自由基反应：有自由基参与的反应。自由基反应：有自由基参与的反应。2.离子型反应：由共价键异裂产生离子的反应离子型反应：由共价键异裂产生离子的反应。发生键异裂的反应称为发生键异裂的反应称为异裂反应（离子型反应）异裂反应（离子型反应）。3.协同反应：有机反应过程没有明显分步的共价键均裂或协同反应：有机反应过程没有明显分步的共价键均裂或 异裂异裂,只是通过一个环状的过渡态只是通过一个环状的过渡态,化学键的化学键的 断裂和新化学键的生成同时完成而得到产物断裂和新化学键的生成同时完成而得到产物.n离子型反应及自由基型反应又可分为离子型反应及自由基型反应又可分为取代取代反应和反应和加成加成反反应等等；应等等；n因此离子型反应中有因此离子型反应中有亲核取代反应、亲电取代反应、亲亲核取代反应、亲电取代反应、亲核加成反应核加成反应 和和亲电加成反应亲电加成反应等等等等n离子型反应中根据反应试剂的类型又可分为离子型反应中根据反应试剂的类型又可分为亲电亲电反应和反应和亲核亲核反应。反应。凡是能给出凡是能给出质子质子 的叫的叫酸酸。如：如：HCl、H3O+凡是能与凡是能与质子质子 结合的叫结合的叫碱碱。如：如：Cl-、H2O1-6 1-6 有机化学中的酸碱概念有机化学中的酸碱概念1.布伦斯特和路易斯酸碱定义布伦斯特和路易斯酸碱定义(1)布伦斯特布伦斯特(B)酸碱（泛称的酸碱概念）酸碱（泛称的酸碱概念）强酸的共轭碱必是弱碱（如：强酸的共轭碱必是弱碱（如：HCl和和Cl-）弱酸（弱酸（CH3COOH）的共轭碱是强碱（的共轭碱是强碱（CH3COO-）酸碱的概念是相对的：如酸碱的概念是相对的：如HSO4-路易斯路易斯(L)酸酸：能接受外来能接受外来电子对电子对,具有亲电性具有亲电性.在反在反应时应时,有亲近另一分子的负电荷中心的倾向有亲近另一分子的负电荷中心的倾向,又叫又叫亲电试亲电试剂剂.如如 AlCl3 (2)路易斯路易斯(L)酸碱酸碱路易斯路易斯(L)碱碱：能给予电子对能给予电子对,具有亲核性具有亲核性.在反应时在反应时,有亲近另一分子的正电荷中心的倾向有亲近另一分子的正电荷中心的倾向,又叫又叫亲核试剂亲核试剂(“核核”作为正电荷的同义语作为正电荷的同义语).如如 NH3 有些化合物按布伦斯特定义不是酸，但按路易斯定有些化合物按布伦斯特定义不是酸，但按路易斯定义却是酸。义却是酸。eg：BF3(酸)+:NH3(碱)F3B-NH3 AlCl3(酸)+:Cl-(碱)Cl3Al-Cl=AlCl4-在一般的有机化学资料中，一般泛称的酸碱都是指在一般的有机化学资料中，一般泛称的酸碱都是指按布伦斯特定义的酸碱，当需要涉及路易斯酸碱的按布伦斯特定义的酸碱，当需要涉及路易斯酸碱的概念时，都专门指出它们是路易斯酸碱。概念时，都专门指出它们是路易斯酸碱。(3)酸碱的强弱酸碱的强弱在有机化学中关于酸的强弱，一般是指布伦斯特在有机化学中关于酸的强弱，一般是指布伦斯特定义的酸所给出质子能力的强弱。以酸性常数定义的酸所给出质子能力的强弱。以酸性常数Ka的负指数的负指数pKa表示。表示。pKa值越低酸性越强值越低酸性越强.与与pKa相应的有表示碱强度的相应的有表示碱强度的pKb值，但有机碱值，但有机碱（例如胺类）也常常用它共轭酸的（例如胺类）也常常用它共轭酸的pKa值来表示值来表示碱性的强弱。碱性的强弱。(1)开链族化合物开链族化合物(脂肪族化合物脂肪族化合物):1-7 1-7 有机化合物的分类有机化合物的分类 1.按碳链分类按碳链分类(2)碳环族化合物碳环族化合物 A:脂环族化合物脂环族化合物:B:芳香族化合物芳香族化合物:(3)杂环化合物杂环化合物:按分子中含有相同的、容易发生某些特征反应的按分子中含有相同的、容易发生某些特征反应的(1)原子原子(如卤素原子如卤素原子)(2)原子团原子团(如如:羟基羟基-OH、羧基羧基-COOH、硝基硝基-NO2，氨基氨基-NH2 等等)(3)或某些特征化学键结构或某些特征化学键结构(如双键如双键 C=C、叁键叁键 -C C-)等分类等分类.2.按官能团分类按官能团分类-C=C-碳碳双键；碳碳双键；-CC-碳碳叁键；碳碳叁键；-OH 羟基；羟基；C-O-C 醚键；醚键；X(F,Cl)卤原子；卤原子；C=O 羰基；羰基；-CHO 醛基醛基-COOH 羧基；羧基；-SO3H 磺酸基；磺酸基；-NO2 硝基；硝基；-NO 亚硝基；亚硝基；-NH2 氨基等氨基等 1-8 1-8 有机化学的发展及学习有机化学的重要性有机化学的发展及学习有机化学的重要性 有机化学是一门迅速发展的学科有机化学是一门迅速发展的学科 当代有机化学发展的一个重要趋势：当代有机化学发展的一个重要趋势：与生命科学的结合。与生命科学的结合。有机化学是现代科学技术（如生命科学、医药学、有机化学是现代科学技术（如生命科学、医药学、农业、能源、材料科学、食品、日用化工）的重农业、能源、材料科学、食品、日用化工）的重要基础学科要基础学科生命、医药、材料科学中的化学问题是有机化学生命、医药、材料科学中的化学问题是有机化学发展的重要推动力发展的重要推动力资源和环境问题的解决需要有机化学资源和环境问题的解决需要有机化学是一门基础化学，专业基础课是一门基础化学，专业基础课是一门重要的考研课程是一门重要的考研课程有机化学的重要性有机化学的重要性