【精品课程】《有机化学》有机化学教案----优秀教案.doc

第一章 绪 论教学基本要求：要求学生了解有机化学的研究对象及有机化学的产生与发展历史，认识有机化学与生产和生活的密切关系。同时，通过对共价键理论及其本质的学习，达到掌握有机化合物分子结构基本理论的目的。掌握碳原子正四面体概念，掌握共价键属性，了解有机化合物的分类和研究有机化合物的步骤。 教学重点和难点：本章的重点是掌握有机化合物的结构、组成和性质的特点。难点是利用价键理论、分子轨道理论对共价键的理论解释。第一节 有机化学的研究对象一、 有机化合物和有机化学1、有机化合物是指碳氢化合物以及从碳氢化合物衍生而得的化合物。2、有机化学是研究有机合物及其衍生物的结构特征.合成方法和理化性质等的化学。一、 有机化合物的特点 1、分子组成复杂组成元素不多，但数目庞大，结构相当复杂。2、同分异构现象例如：乙醇和甲醚分子式为：C2H6O 但化学结构不同。 乙醇 CH3CH2OH 甲醚 CH3OCH33、容易燃烧绝大多数有机物都是可燃的。燃烧后生成二氧化碳和水。4、难溶于水（特殊例外）很多有机物难溶于水而易溶于有机溶剂，原理依据,相似相溶原理,与水形成氢键的能力差。5、熔、沸点低许多有机物在室温时呈气态和液态，常温下呈固态的有机物其熔点一般也很低。例如：尿素 132.7°C 葡萄糖 146°C。6、反应速率较慢 经常需要几小时、几天才能完成，为了加速反应，往往需加热、光照或使用催化剂等。 37、反应复杂，副反应多往往同一反应物在同一条件下会得到许多不同的产物。所以就降低了主要产物产率。特殊例外： 乙醇易溶于水、四氯化碳可灭火等。 三、有机化学的重要性有机化学是有机化学工业的理论基础；研究天然有机化合物、发展染料、合成药物、香料、生产乙炔、石油化工产品的开发利用；生物学、医学等等都需要有坚实的有机化学知识。第二节 共价键的一些基本概念 一、共价键理论 1、价键理论 （1）原子轨道重叠或电子配对 基本理论在无机化学中已经介绍了， 由一对电子形成的共价键叫做单键，用一条短直线表示，如果俩个原子各有二个或三个未成键的电子，构成的共价键则为双键或叁键。例如： 4 （2）共价键的饱和性 当原子的未成键的一个电子与某原子的一个电子配对以后，就不能再与第三个电子配对了，这就是共价键的饱和性。 （3）共价键的方向性 遵守最大重叠原理，分子的能量最低，形成最稳定的分子。 2、分子轨道理论 它是从分子的整体出发去研究分子中每一个电子的运动状态，认为形成化学键的电子是在整个分子中运动的。 分子轨道理论认为化学键是原子轨道重叠产生的，原子轨道重叠时就可以形成同样数目的分子轨道。原子轨道组成分子轨道时，必须符合三个条件： （1）对称匹配原则（2）原子轨道重叠最大原则（3）能量相近原则分子轨道的对称性不同可将其分为轨道和轨道。二、共价键的键参数 1、 键长：形成共价键的两个原子核间距离。键长的单位为。 例： 0.1530 0.1510 0.1456同一类型的共价键的键长在不同的化合物中可能稍有区别。2、 键角：两个共价键之间的夹角。 例： 109º 28' 3、键能： 当A和B两个原子（气态）结合生成AB分子（气态）时所放出的能量称为键能。用H表示。 A（气）+B（气）AB（气） 离解能：要使1molAB双原子分子（气态）共价键解离为原子（气态）时所需要的能量也就是键能，或叫键的离解能。用D表示。 共价键断裂时，必须吸热，H为正值；形成共价键时放热，H为负值。注意：双原子分子，键能和离解能数值相等； 多原子分子，键能为离解能的平均值。键能越大，键越牢固。 5 4、键矩：正、负电荷中心的电荷（e）与正负电荷中心之间的距离（d）的乘积称为键矩。 = e d 键矩是用来衡量键极性的物理量，为一矢量，有方向性的，通常规定其方向由正到负，用箭头表示。例如： 两个相同的原子组成的键键矩为零；两个不相同的原子组成的键均有键矩。 5、偶极矩：多原子分子各键的键矩向量和就是该分子的偶极矩。例如： 甲烷和四氯化碳是对称分子，各键矩向量和为零，故为非极性分子。氯甲烷分子中CCl键矩未被抵消，=1.94D，为极性分子。 所以，键的极性和分子的极性是不相同的。三、共价键的断裂1、均裂： 成键的一对电子平均分给两个原子或原子团。 A:BA·+B· A· 称为自由基，或称为游离基。例如： 分别叫甲基自由基和乙基自由基，通用R·表示。经过均裂生成自由基的反应称为自由基反应；一般在光、热作用下进行。 2、异裂： 异裂生成正离子和负离子，有两种异裂： 碳正离子 碳负离子 例如： 等；用通式：表示。 经过异裂生成离子的反应称为离子型反应；一般在酸、碱作用下进行。了解： 亲电反应 亲电试剂 亲电体 例如：金属离子、氢质子等。 亲核反应 亲核试剂 亲核体 例如：氢氧根负离子等。 第三节 诱导效应 1、定义： 在有机化合物中，由于电负性不同的取代基团的影响，使整个分子中成键电子云按取代基团的电负性所决定的方向而偏移的效应称为诱导效应。 2、特征： 诱导效应的特征是沿着碳链传递，并随碳链的增长迅速减弱或消失。 通过静电诱导而影响到分子的其他部分，没有外界电场的影响也存在。3、表示形式： 一般用I来表示诱导效应。I相当于吸电子效应，+I相当于供电子效应，饱和的CH键的诱导效应规定为零。 6 +I I=0 -I 4、具有-I效应原子和原子团的相对强度： 同族元素： FClBrI 从上到下依次减小 同周期元素： FORNHR 从左到右依次增强 不同杂化态： 5、具有+I效应的原子团主要是烷基，相对强度是： 第三节 研究有机化合物的一般步骤 1、分离提纯 重结晶法、升华法、蒸馏法、色层分析法以及离子交换法等。 2、纯度的检定 测定有机化合物的物理常数就可以检定其纯度。如熔点、沸点、相对密度和折射率等。 3、元素分析、实验式和分子式的确定 元素定性分析、元素定量分析、求各元素的质量比、计算实验式；测定相对分子质量，确定分子式。 例如: 3.26g样品燃烧后,得到4.74gCO2和1.92gH2O,实验测得其相对分子量为60。 样品 CO2 H2O 3.26g 4.74g 1.92g C相对原子质量 12 碳质量=CO2质量×=4.74×=1.29g CO2相对分子质量 44 碳质量 1.29 ×100=×100=39.6(C)样品质量 3.26 H相对原子质量×2 2氢质量=H2O 质量×=1.92×=0.213g H2O相对分子质量 18 氢质量 0.213×100=×100=6.53(H)样品质量 3.26(O)=100-(39.6+6.53)=53.87计算原子数目比: 39.6 C：=3.30 3.30/3.30=1 12 7 6.53 H：=6.53 6.53/3.30=1.98 1 53.87 O：=3.37 3.37/3.30=1.02 16 11.981.02121样品的实验式为CH2O。测其分子量为60，故分子式为C2H4O2。 4、结构式的确定应用现代物理方法如X衍射、红外光谱法、核磁共振谱和质谱等能快速、准确地得到分子的结构式。分子的结构包括分子的构造、构型和构象。5、构造式的写法 也可以用简略式书写： 第五节 有机化合物的分类和官能团一、按碳架分类1、开链化合物 分子中碳原子相互结合成碳链 的化合物 2、碳环化合物 分子中碳原子相互结合成 碳环的化合物 （1）脂环化合物 分子中碳原子相互结合成碳环 （2）芳香族化合物 分子中碳原子连接成特殊的芳香环 3、杂环化合物 这类化合物具有环状结构,但是组成环的原子除碳外,还有氧.硫.氮等其他元素的原子 二、按官能团分类 8 双键 烯烃 二烯烃 羰基 醛和酮 叁键 炔烃 羧基 羧酸 脂环 脂环烃 酰基 羧酸衍生物 苯环 芳香烃 硝基 硝基化合物 卤素 卤代烃 氨基 胺 羟基 醇和酚 杂原子 杂环 醚键 醚 糖类 、甾类、高分子化合物表15 重要官能团的名称和式子 化合物类别 官能团 官能团名称 实例 烯 烃 C=C 双 键 CH2=CH2 炔 烃 CC 三 键 CHCH 卤 代 烃 X 卤 素 C6H5Cl 醇 和 酚 OH 羟 基 CH3CH2OH C6H5OH 醚 C-O-C 醚 键 C2H5OC2H5 醛 和 酮 C=O 羰 基 CH3CHO CH3COCH3 羧 酸 COOH 羧 基 CH3COOH 硝基化合物 NO2 硝 基 C6H5NO2 胺 NH2 氨 基 C6H5NH2 偶氮化合物 N=N 偶氮基 C6H5N=NC6H5 重氮化合物 N=N 重氮基 C6H5N=NCl 硫醇和硫酚 SH 巯 基 C2H5SH C6H5SH 磺 酸 SO3H 磺酸基 C6H5SO3H 官能团（functional groups）是决定某类化合物的主要性质的原子,原子团或特殊结构.显然,含有相同官能团的有机化合物具有相似的化学性质。 作 业： P13-14 1、2、3、4 9 第 二 章 烷 烃教学基本要求： 要求学生掌握烷烃的命名法、同系列和同分异构现象，碳原子的正四面体概念，氧化、裂解和卤代的化学性质以及自由基链的反应机理；了解烷烃分子结构与物理性质的关系；了解烷烃在自然界的存在及主要用途。 教学重点难点： 重点是烷烃的系统命名法，构型，构象的表示方法，自由基反应历程。 难点是自由基反应历程。 教学时数： 4课时第一节 烷烃的同系列和同分异构现象 一、烷烃的同系列 表2-1 一些烷烃的名称和分子式 烷 烃 分子式 英文名 烷 烃 分子式 英 甲烷 CH4 methane 十一烷 C11H24 undecane 乙烷 C2H6 ethane 十二烷 C12H26 dodecane 丙烷 C3H8 propane 十三烷 C13H28 tridecane 丁烷 C4H10 butane 十四烷 C14H30 tetradecane 戊烷 C5H12 pentane 十五烷 C15H32 pentadecane 己烷 C6H14 hexane 二十烷 C20H42 icosane 庚烷 C7H16 heptane 三十烷 C30H62 triacontane 辛烷 C8H18 octane 一百烷 C100H202 hectane壬烷 C9H20 nonane 葵烷 C10H22 decane 烷烃通式 CnH2n+2 从表21可知，符合一个通式，结构相似、化学性质也相似，物理性质有规律变化的一系列化合物称为同系列。符合烷烃通式的一系列化合物称为烷烃的同系列。 二、烷烃的同分异构现象 分子式相同，而构造式不同的异构体称为同分异构体，又称构造异构体。 对于低级烷烃的同分异构体的数目和构造式，可利用碳干的不同推导出来。 例：写出庚烷的同分异构体的构造式（仅写碳干，省略氢原子）。 1、写出庚烷的最长（7个碳）直链式。 2、写出少一个碳原子的直链式作为主链，把一个碳作支链（甲基），依次连在主链碳上，得二个异构体。 3、写出少二个碳原子的直链式作为主链，把二个碳当作二个支链或当作一个支链（乙基），依次连在主链碳上，得五个异构体。4、写出少三个碳原子的直链式作为主链，把三个碳当作三个取代基，得一个异构体。其它的都是重复的，不算数。 这样，庚烷的同分异构体有9个。用碳干式表示。 为了方便和清楚，可以用构造式或简式表示。 或锯架式表示。 三、伯、仲、叔和季碳原子与伯、仲、叔氢 与一个碳原子相连的称为伯碳原子或一级（primary）碳原子。 1°与二个碳原子相连的称为仲碳原子或二级（secondary）碳原子。 2° 与三个碳原子相连的称为叔碳原子或三级（tertiary）碳原子。 3° 与四个碳原子相连的称为季碳原子或四级（quaternary）碳原子。 4° 伯碳上的氢为伯氢；仲碳上的氢为仲氢；叔碳上的氢为叔氢。 第二节 烷烃的命名一、普通命名法 由一到十个碳原子的烷烃分别用甲、乙、丙、丁葵烷表示。十一起用汉文数字表示。烷烃的英文名词尾用-ane。 为了区别异构体，分别用正（normal）、异（iso）、新（neo）某烷表示。例： 正己烷（n-hexane） 异己烷（i-hexane） 新己烷（neohexane） 为了学习系统命名法，先了解烷基的名称。 二、烷基1、 小分子烷烃去掉一个氢原子剩下的原子团称为烷基；相应的英文只需将词尾“ane”改为“yl”。 表2-3 一价烷基的名称 烷 基 中文名 英文名不 通用符号 2、去掉两个氢原子的称为亚基。 亚甲基 1，2亚乙基 亚乙基 1，3亚基 3、去掉三个氢原子的称为次基。 次甲基 次乙基 三、系统命名法 中国化学会根据IUPAC命名法和结合汉字特点制定的原则。1、 选取主链选最长碳链，且含取代基最多。2、 编号从靠近取代基最近的一端开始编号，用1、2、3、等表示。3、 写出取代基位次和名称 小的在前，大的在后；如有几个相同的取代基合并一处。4、 支链上有小取代基时应和名称一起放在括号内。5、 如有几个不同的取代基时，按次序规则较优的基团写在后面，简单基团写在前面。常见烷基的排列顺序：甲基<乙基<丙基<丁基<戊基<己基<异戊基<异丁基<异丙基6、英文名称中的一、二、三、四等数字用相应的词头“mono”、“di”、“tri”、“tetra”等表示。例1： 2甲基4,5二乙基庚烷 4，5-diethyl-2-methylheptane 例2： 3-甲基-4-乙基-5-丙基壬烷 4-ethyl-3-methyl-5-propylnonane例3： 2，3，9三甲基4丙基8异丙基5-（1，1二甲基丁基）十一烷 注:国外一些书上取代基的书写次序与我国不同,他们是根据英文字母顺序而排列。 第三节 烷烃的构型一、碳原子的四面体概念范特霍夫和勒贝尔同时提出碳正四面体的概念。碳位于中心，四个原子或原子团在四面体的顶点上。 例如：甲烷分子的构型是正四面体。四个碳氢键的键长都是0.109nm，键角为109°28。 常用凯库勒模型和斯陶特模型来表示。二、碳原子的 SP³杂化 原子轨道杂化理论设想是: 基态 激发态 杂化轨道 每一个SP³ 杂化轨道占1/4S成分和3/4P成分，对称轴之间互成109°28。三、杂化轨道特点： 1、更强的方向性； 2、四个杂化轨道完全相等； 3、四个键之间尽可能远离。四、烷烃分子的形成 见书2426面；了解清楚。五、键的特点：电子云沿键轴近似于圆柱形对称分布，成键的两个原子可以围绕着键轴自由旋转。 六、分子立体结构的表示方法 1、 契形透视式 2、锯架透视式 3、纽曼（Newman M S）投影式 表示前面的碳原子及其键； 表示后面的碳原子及其键。 还有一种表示方法为费歇尔投影式，详见第六章。 第四节 烷烃的构象 一、乙烷的构象构象：所谓构象（conformation）是指在有一定构造的分子通过单键的旋转，形成各原子或原子团的空间排列。乙烷的许多构象中，交叉式或叫反叠式构象（antiperiplanar，简写为ap）、重叠式或叫顺叠式构象（synperiplanar，简写为sp）是两种极限的构象。 交叉式（反叠式） 重叠式（顺叠式） 透视式 Newman式 交叉式构象中三对氢原子距离最远，能量最低，最稳定；重叠式构象中三对氢原子的距离最近，能量最高，最不稳定。由交叉式转变为重叠式时吸收12.5kJ/mol的能量；由重叠式转变为交叉式时会放出12.5kJ/mol的能量。 二、正丁烷的构象 对位交叉式 邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式 反叠式 顺错式 反错式 顺叠式同乙烷一样,正丁烷以C2C3单键旋转时也有许多不同的构象式,但是以上四种是主要构象。全重叠式能量最高，对位交叉式能量最低。 第五节 烷烃的物理性质有机化合物的物理性质一般包括状态、相对密度、沸点、熔点、溶解度和折光率等。 1、物质的状态 C14个碳的烷烃常态下是气体；C516个碳的烷烃是液体；C17个碳以上的烷烃是固体。 2、沸点液体的沸点高低取决于分子间引力的大小；分子间的引力称为范德华引力（静电引力、诱导力、色散力）。正烷烃是非极性分子，引力是由色散力所产生的。正烷烃的沸点随碳原子数目增加而升高。正烷烃的沸点大于同数碳原子支链烷烃，支链越多，沸点越低。 例：沸点： 36.1 27.9 9.5 3、熔点 熔点的高低取决于分子排列紧密程度，排列越紧密，色散力越大，熔点越高。 正烷烃的熔点也是随碳原子个数增加而升高。 偶数碳原子烷烃熔点大于邻位奇数烷烃。 直链烷烃的熔点大于支链烷烃。高度对称的烷烃熔点在同数碳原子烷烃中最高。例： 熔点： -129.7 -159.9 -16.6 4、相对密度 随碳原子数目的增加逐渐增大。 分子间引力增大，分子间的距离相应减小，相对密度就增大。 5、溶解度 烷烃不溶于水，溶于某些非极性有机溶剂。可用“相似相溶”原理解释之。 例：石蜡不溶于水而溶于汽油。 思考题: P43-44 2、4、5、7 作 业: P43-44 1、3、6、8 第六节 烷烃的化学性质 化学性质稳定，与强酸、强碱、氧化剂、还原剂等都不反应。可用作溶剂。但在燃烧、高温和光照时可以发生一些反应。一、氧化反应（oxidation reaction）这就是汽油和柴油作为内燃机燃料的基本变化和根据。如果燃烧不完全，会产生大量CO，也就是煤气中毒的主要原因。高级烷烃在催化剂作用下，可以发生部分氧化，生成高级脂肪酸，以工业化生产。二、热裂反应（pyrolysis reaction） 在高温及无氧的条件下发生键断裂的反应为热裂反应。 其它烷烃在8001100时热裂产物主要是乙烯，其次是丙烯、丁烯、丁二烯等。 另一种是应用催化剂的热裂，称为催化热裂。三、卤代反应（helogenation reaction） 1、卤素反应活性 2、反应条件除氟外，在常温和黑暗中不发生卤代反应，在紫外光漫射或高温下氯和溴易发生反应。3、甲烷的氯代反应 甲烷的氯代往往生成四种产物的混合物，但是控制一定反应条件和原料比，可使其中一种氯代物成为主要产品。400450，甲烷:氯气=10:1 几乎完全是一氯甲烷；400左右，甲烷:氯气体=0.263:1 主要生成四氯化碳。4、其它烷烃的卤代 （1）氯代 43 57在丙烷分子中伯氢有6个，仲氢2个，按理产率应是3:1，这在高温（450）时确实如此，但是在常温下为43:57。通过计算就可以得出不同氢原子的反应活性来。 仲氢 57/2 4 -= - 伯氢 43/6 1即： 仲氢和伯氢的相对活性为4:1同理，利用异丁烷的氯代可算出： 叔氢和伯氢的相对活性为5:1实验结果也表明，叔氢、仲氢、伯氢在常温条件下的相对活性为5:4:1。利用这一关系式可以计算出其他烷烃的氯代产率。 例： 1-氯丁烷 6 1 3-=-×-=-2-氯丁烷 4 4 8 1-氯甲烷=3÷（3+8）=27 2-氯甲烷=8÷（3+8）=72 ( 2 ) 溴代反应 叔氢:仲氢:伯氢=1600:82:1 例： 叔丁烷的溴代反应 >99 痕迹 第七节 烷烃卤代反应历程 一、甲烷的氯代历程链引发(chain initiation)： 由光和热提供能量，氯分子发生均裂，生成氯游离基。 链传递(chain propagation)： 每一步都消耗一个活泼质点，有产生一个新活泼质点。 链终止： 活泼质点被消耗，不再产生了。 二、卤素对甲烷的相对反应活性 以甲烷一卤代为例说明： （见P38页 表26） 因氟代放热太多，反应太剧烈，难以控制；而碘代需要吸热，反应较难进行，故一般讲卤代反应主要是指氯代和溴代。她们的反应活性为： 氟 > 氯 > 溴 > 碘反应热并不能完全反映反应的活性大小,只有反应的活化能才能真正反映反应的活性.以甲烷第二步反应为例: X·+ HCH3HX + ·CH3 卤 素 Cl Br I E活kJ·mol-1 16.7 77.8 136.4 反应所需活化能越小，反应活性越大，故反应活性有： 氯 > 溴 > 碘 三、烷烃对卤代反应的相对活性与烷基自由基的稳定性 1、烷烃的卤代反应相对活性： 叔氢、仲氢、伯氢的活性次序是：3°>2°>1°； 2、各种烷基自由基形成的难易程度： 以甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷形成自由基为例，观察形成的难易程度。 键能越小，自由基越容易生成。 因为3°的键能 < 2°的键能 < 1°的键能 < 甲基自由基的键能，故有下面形成难易次序。 CH3·> 1°> 2°> 3° 3、烷基自由基的稳定性 即三级 > 二级 > 一级 > 甲基自由基 越稳定的自由基越容易生成，这就解释了烷烃分子中不同类形氢的反应活性次序。 第八节 过渡态理论 1、反应进程： 始态（反应物）过渡态终态（产物） 2、反应位能变化： 见书P40页图214：反应物A、BC处于能谷a点，产物AB、C处于能谷c点，过渡态ABC处于能垒b点。 3、反应的活化能： 过渡态（b）和反应物（a）之