理学第一讲第一章绪论.pptx

《理学第一讲第一章绪论.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《理学第一讲第一章绪论.pptx（36页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第一章第一章绪绪 论论（Introduction）第第一一讲讲（3）第1页/共36页1.1 有机化合物和有机化学1.2 有机化合物的特性1.3 分子结构和结构式1.4 共价键（碳碳单键、双键和三键）共价键的形成 共价键的属性 共价键的断裂和有机反应的类型1.5 分子间相互作用力1.6 酸碱理论1.7 有机化合物的分类 按碳架分类 按官能团分类1.8 有机化合物的研究程序本 章 提 纲第第一一讲讲（4）第2页/共36页 1874年，肖莱马对有机化学的定义：研究烃及其衍生物的化学。1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学的定义有机化合物有机化合物碳化合物的化学碳化合物的化学碳化合物碳化合物

2、有机化学有机化学 有机化合物也称碳和氢为主要元素的化合物，或称碳氢化合物及其衍生物。其它常见元素：O、N、P、S、X；有机化合物数目庞大，种类繁多。简单的含碳化合物不属于有机化合物，例如CO、CO2、碳酸盐、金属氰化物等具有典型的无机化合物的性质。定义：有机化合物是指碳氢化合物及其衍生物；有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学，是研究有机化合物的来源、组成、制备、结构、性质、应用及其变化规律的科学。第第一一讲讲 18061806年，瑞典化学家柏则里(J.Berzelius)首次提出“有机化学”这一名称；18481848年，葛梅林（L.Gmelin对有机化学的定义：是研究碳的化学；（5）第3页

3、/共36页有机化学的产生和发展（1）从有机体内提取有机物(1769 1805)第第一一讲讲（6）（2）由提取进入到提取合成并举的时代(1806 1828 1848)Friedrich Wohler(1800-1882)Germany 尿素的人工合成，给人们提供了一个从无机物制备有机物的例证，动摇了“生命力”学说的基础。直到1845年，柯尔伯(H.Kolbe)首次合成了醋酸；1854年，法国化学家柏赛罗(M.Berthelot)合成了油脂等有机物，生命力学说才彻底被否定。从此有机化学进入了提取合成并举时代。维生素B12、富勒烯C60、C70、牛胰岛素的合成。石头变棉花石灰石生石灰电石,碳化钙乙炔

4、醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯 聚乙烯醇第4页/共36页第第一一讲讲（8）1861年，布特列洛夫提出了化学结构的概念；1857年，凯库勒提出了有机物分子中碳原子是四价的，而且互相结合成碳链；（3）逐步建立与完善了有机化学的理论 1865年，凯库勒提出了苯的构造式；1861年约翰约瑟夫洛希米特（Johann Jasef Loschmidt 182l1895），第一个发表了苯的正确结构，这要比凯库勒早四年！1885年，拜耳提出了环的张力学说；1874年，肖莱马把有机化学定义为：烃及其衍生物的化学；1916年，路易斯提出了共价键的概念；20世纪60年代，发现了分子轨道对称守恒原理。20世纪30年代，建立了量

5、子化学及分子轨道理论；据中国化学会2002年报道：“截止1999年12月31日，人类已知的化合物数量已达2340 余万种。”其中绝大多数是有机化合物。1901-2002，92届诺贝尔化学奖，70届与有机化学有关。世界化学工业中70%以上为有机化工。第5页/共36页有机化学给我们带来光明 当你注视这个页面的时候，你的眼睛正使用一种有机化合物来将光转变成神经刺激，让你知道见到什么。CisTransRhodopsinMetarhodopsin h有机化学使世界色彩斑斓红橙黄绿蓝紫神经刺激视觉第第一一讲讲（1）有机化学在现代人类社会中，起着非常重要的作用。有机化学的重要性（10）第6页/共36页学名：

6、2-(4-异丁基苯基)丙酸止痛药：芬必得，布洛芬 立即止痛到体内后转变成左式，止痛有机化学保护我们的健康 弗莱明因发现青霉素而获得19451945年诺贝尔奖，青霉素的发现开辟了一条新的治病途径，拯救了成千上万条命。青霉素第第一一讲讲（11）第7页/共36页有机化合物为生命提供能源碳水化合物（糖）葡萄糖直链淀粉的结构有机化合物作为生命遗传物质DNADNA（传宗接代)美国人沃森&英国人克里克提出DNA双螺旋结构 第第一一讲讲（12）第8页/共36页现代文明的基础纸，由有机化合物纤维素制得。纤维素结构什么是有机化学？为什么要学习有机化学？第第一一讲讲（13）有机化学是研究与生命活动和提高我们的生活质

7、量相关的化学，有机化学是研究含碳化合物的科学。人类从生老病死到衣食住行都离不开有机化学。环境的污染，说明对化学知之甚少，与自然和谐相处，必须学好有机化学 尽管人类运用自己的聪明才智可以合成各种各样的有机化合物，但所用的最基本、最原始的原料主要来自石油和煤最初还是属于生命体的东西；最经济、最温和、效率最高的有机反应还是生命体内的有机反应。第9页/共36页 有机化合物中所包含的主要元素如下图所示：碳在周期表中的位置以及有机物中常见的其它元素第第一一讲讲（14）在重视生命科学的今天，也是有机化学大放光芒的时代。因为分子生物学中的分子就是有机分子，生物化学就是要研究有机化学反应在生命体内如何进行。当今

8、生命科学的重大问题如生命的起源，重大疾病如癌症、艾滋病的治疗、都离不开对有机化合物的研究。第10页/共36页金属有机化学金属有机化学生物有机化学生物有机化学美国科技情报研究所（ISI）统计 当今化学领域的2个热点Over 95%of all known chemical compounds are compounds of carbon.Over one half of present day chemists classify themselves as organic chemists.Introduction to Organic Chemistry有机化学在化学学科中处于前沿地位。有机

9、化学，1994,4,445 1994,4,445（2）有机化学是许多应用学科的基础第第一一讲讲（15）第11页/共36页1.2 有机化合物的特性（1）数目庞大，分子组成复杂。维生素B12的组成：C63H90N14O14PCo,有183个原子。“同分异构”现象的存在。例如：分子式为C2H6O的化合物有2个：乙醇：CH3CH2OH，b.p.78.5C甲醚：CH3OCH3，b.p.23.6C例如：分子式为C9H10的烷烃，有35个异构体。以氯化物为例：无机氯化物：氯化钠NaCl,m.p.801C 有机氯化物：氯乙烷CH3CH2Cl，m.p.136.4C,b.p.12.2C（2）多数容易燃烧，热的稳定

10、性较差。（3）熔点和沸点较低，熔点一般低于400C。（4）难溶于水，较易溶于非极性或极性小的有机溶剂。（5）反应速率较慢，通常需要加热、催化剂或光照下反应才能进行。（6）反应复杂、副反应较多，产物通常是混合物。例外：CCl4不但不然且可用作灭火剂，酒精、醋酸可与水互溶，在光照下甲烷氯代反应、三硝基甲苯(TNT)的分解可在瞬间进行等。第第一一讲讲（17）第12页/共36页短线（蛛网）式（Kekule式）1.3 分子结构和结构式 分子结构是指分子中原子的排列顺序和相互关系（方式）。分子结构通常用结构式表示，这种表示有机化合物分子结构的化 学式一般使用有下列三种形式：第第一一讲讲（18）结构简式（浓

11、缩式）键线式第13页/共36页1.4 共 价 键共价键的形成第第一一讲讲（19）共价键的概念是Lewis G N于1916年提出的。共价即电子对共用（或称电子配对）。例如氢分子的形成：Lewis电子结构式短线式或价键式对于碳原子：甲烷分子 甲烷分子中的碳原子具有稳定八电子构型（通称八隅体，八隅规则）。这种共用一对电子形成的键称为单键；共用两对或三对电子则分别构成的双键或三键。例如乙烯和乙炔最稳定的Lewis结构：乙烯乙炔第14页/共36页 共价键具有方向性和饱和性。方向性和饱和性决定了分子的组成及形状。鲍林价键理论的观点是成键电子处于成键原子之间，是定域的。（1）价键理论（VB法）共价键的形成

12、可看作是成键原子的原子轨道（或称电子云）相互交盖或电子配对的结果。1s 1s 氢原子 轨道交盖 氢分子图11 氢原子的 s 轨道交盖形成氢分子第第一一讲讲（20）（2）轨道杂化碳原子的电子构型：1s22s22px12py12pz0为什么在有机化合物中碳原子不是两价而是四价？1931年Pauling L 和 Slater J C 提出了轨道杂化，对此作出了合理的解释，同时还解释了有机化合物和无机化合物的许多问题。第15页/共36页 轨道杂化理论认为，碳原子生成键形成分子时，首先吸收能量：基 态激发态1s22s12px12py12pz1电子构型 2s轨道上的一个电子跃迁到2p轨道上，然后外层能量相

13、近的2s轨道和2p轨道进行杂化，组成能量相等的几个轨道，称为杂化轨道。碳原子的轨道杂化一般有三种可能的类型：2s轨道和全部三个轨道2p进行杂化，称为sp3杂化；2s轨道和两个轨道2p进行杂化，称为sp2杂化；2s轨道和一个轨道2p进行杂化，称为sp杂化。第第一一讲讲（21）（a）碳原子轨道的sp3杂化sp3杂化轨道基 态激发态图1-2 碳原子的sp3杂化第16页/共36页图1-3 碳原子的sp3杂化轨道第第一一讲讲（22）将进行了sp3轨道杂化的碳原子称为sp3杂化碳原子。烷烃分子中的碳原子均为sp3杂化碳原子。（b）碳原子轨道的sp2杂化2pysp2杂化轨道图1-4 碳原子的sp2杂化 三个

14、sp2杂化轨道和未参与杂化的一个2p轨道中各有一个未成对电子，因此碳原子仍表现为4价。图1-5 碳原子的sp2杂化轨道 将进行了sp2轨道杂化的碳原子称为sp2杂化碳原子，与双键相连的碳原子一般是sp2杂化碳原子。第17页/共36页（c）碳原子轨道的sp杂化 两个sp杂化轨道和两个未参与杂化的一个2p轨道中各有一个未成对电子，因此碳原子也表现为4价。图1-7 碳原子的sp杂化轨道2py 2pzsp杂化轨道图1-6 碳原子的sp杂化 将进行了sp 轨道杂化的碳原子称为sp 杂化碳原子，与三键相连的碳原子一般是sp杂化碳原子。第第一一讲讲（24）第18页/共36页第第一一讲讲（25）由上述讨论的碳

15、原子的轨道杂化可以看出：杂化是单一原子的轨道进行混合再均分的过程；参加杂化的原子轨道数目与形成的轨道数目相等；多数杂化轨道的形状相似，但不完全相同；只有能量相近的轨道进行杂化，才能形成有效的杂化轨道；如碳原子的2s轨道和2p轨道能量很相近，可以进行杂化；在空间具有确定方向的轨道（如px、pz等轨道）决定杂化轨 道的方向性；而无方向性的s轨道，只使杂化轨道更加“丰 满”，而对杂化轨道的方向无影响；不同的杂化轨道在空间的取向不同，其在空间的取向决定与 参与杂化的轨道数目，即形成的杂化轨道数目。例如sp3杂 化形成四面体构型（键角109.5o），sp2杂化形成平面三角形 构型（键角120o），sp杂

16、化形成直线形构型（键角180o）。第19页/共36页课间休息第第一一讲讲（16）第20页/共36页第第一一讲讲（3）分子轨道理论 分子轨道是电子在整个分子运动中的状态函数，常用 表示。分子轨道理论认为，成键电子不再定域于两个成键原子之间，而是在整个分子内运动，是离域的。（26）原子中电子的运动状态叫做原子轨道，用波函数 来表示。两原子轨道相互交盖，形成分子轨道。组成分子轨道的原子轨道必须满足：能级应大致相近，并能最 大限度地相互交盖，对称性匹配（即位相相同），这样组成的 分子轨道能量最低。原子轨道的重叠，形成键和键。电子从原子轨道进入分子的成键轨道，形成化学键，使体系的能量降低，形成稳定分子。

17、第21页/共36页第第一一讲讲共价键的属性（27）（1）键长 指成键原子的原子核之间的平均距离。共价键共价键键长键长/nm键能键能kJ/mol共价键共价键键长键长/nm键能键能kJ/mol CC CH CN CO CF0.1540.1090.1470.1430.141347414305360485 CCl CBrCI C=C C C0.1770.1910.2120.1340.120339285218611837 由于受其它键的相互影响，因此相同的共价键的键长在不同的化合物分子中也略有差别。如表1-2,3所示。（2）键能 指形成共价键的过程中体系释放的能量，或共价键断裂的过程中体系所吸收的能量。

18、表1-2,3 一些共价键的键长、键能（3）键角 指两价以上的原子与其它原子成键时，键与键之间的夹角。键角反映了分子的空间结构，其大小与成键的中心原子有关，也随着分子结构的不同而改变。第22页/共36页（4）键的极性和诱导效应（a）键的极性是由成键原子的电负性不同引起的。极性共价键是以偶极矩（）来度量的，偶极矩是电荷与正负电荷中心之间距离的乘积（=qd），单位为Cm（库仑米）。例如 =3.57 1030 Cm 构成共价键的两个不同原子，其电负性差值越大，键的极性越强。在双原子分子中，键的偶极矩即是分子的偶极矩；在多原子分子中，分子的偶极矩是整个分子中各个共价键偶极矩的矢量和。偶极矩为零的分子是非

19、极性分子；反之，偶极矩不等于零的分子是极性分子。偶极矩越大，分子的极性越强。（b）在极性分子中，由于电负性较大的原子吸引电子的结果，从而引起分子中电子云密度分布不均，把这种分子内原子间相互影响的电子效应称为诱导效应，常用 I 表示，但这种影响随着分子链的增长而迅速减弱（在中要进一步学习）。例如1-氯丁烷：第第一一讲讲（28）第23页/共36页第第一一讲讲共价键的断裂和有机反应的类型 （1）均裂，产生自由基（或游离基），由此种活性中间体所引起的有机反应称为自由基型反应。均裂一般在光或热的作用下发生，故自由基反应的条件一般是光照或高温。（2）异裂，形成正、负离子，当两成键原子之一是碳原子时既可形成

20、碳正离子、也可生成碳负离子：自由基、碳正离子和碳负离子是最常见的三种活性中间体。（29）由此种活性中间体引发的有机化学反应称为离子型反应。酸、碱或极性溶剂有利于共价键的异裂。据反应试剂分为亲电和亲核反应。碳正离子碳负离子 另外根据反应物和产物的结构关系又可分为取代、加成、消除、氧化和还原、重排、聚合、缩合等反应。另一类反应在反应过程中旧键的断裂和新键的生成同时进行，无活性中间体生成，这类反应称为周环反应。第24页/共36页1.5 分子间相互作用力偶极偶极相互作用 偶极偶极相互作用是极性分子之间的一种相互作用。例如氯化氢分子：例如羰基化合物醛和酮。丙酮和丁烷，相对分子质量相近，但沸点却相差较远，

21、前者56oC，后者只有0.5oC。力 在非极性分子中，在瞬间由于电子的运动，分子的一部分有稍微过量的电子，而另一部分稍微缺乏电子，从而在分子的局部产生了偶极（瞬间偶极），进而将影响邻近另一分子的电荷分布，即能诱导邻近分子产生偶极（诱导偶极）。瞬间偶极和诱导偶极之间相反电荷的区域彼此吸引，使两分子之间产生吸引作用，这种非极性分子之间存在着的吸引力称为van der Waals 力，它是一种很弱的分子间力。例如脂肪烃类化合物不溶于水，而溶于非极性的溶剂。第第一一讲讲（30）第25页/共36页氢键 氢键也是通过分子之间偶极偶极相互吸引作用生成的。能生成氢键的分子在结构上常具有一定特点：首先与氢相连的

22、原子的电负性要远大于氢，其次原子半径较小(如N,O,F等原子)。氢键具有饱和性。氢原子（如OH中的氢原子等）只能和一个电负性较大的原子形成氢键。氢键具有方向性。即氢键的生成只有当氢与两个电负性较大的原子（如OHO）在同一直线上最强，在可能的范围内，氢键的方向和未共用电子对的对称轴一致。氢键存在于气体、液体、晶体和溶液等各种状态中，许多化合物的物理和化学性质以及一些化合物（如蛋白质和核酸等）的立体结构均与氢键有关。如醇的沸点高于相对分子质量相近的烃类等，且低相对分子质量的甲醇、乙醇等因能与水形成氢键而溶于水。综上所述，偶极偶极相互作用、van der Waals 力和氢键都属于分子间力，但作用的

23、强弱是不同的，其吸引力的大小顺序为：氢键偶极偶极吸引力 van der Waals 力第第一一讲讲（31）第26页/共36页1.6 酸碱的概念 nsted 酸碱理论 根据Br nsted 的定义，能够提供（给出）质子的分子或离子是酸，能够接受质子的分子或离子是碱。例如：酸 碱 碱 酸 在有机化合物中，有些能够给出质子，它们是酸。这些化合物通常含有电负性较大的原子（如O、N等原子）相连的氢原子。例如：乙醇 苯酚 乙酸 乙酰胺 甲胺 有些化合物能够接受质子，它们是碱。这些化合物通常是O、N等原子的分子或含有负电荷的离子。例如：乙醚 乙醇 甲胺 甲氧负离子 苯氧负离子 甲胺负离子 有些化合物既能够给

24、出质子又能够接受质子，它们既是酸又是碱。例如：乙醇 乙胺第第一一讲讲（32）第27页/共36页 酸的强度取决于它给出质子的倾向；碱的强度则取决于它接受质子的倾向。化合物的酸碱强度因介质不同而异，其强度是相对的。其强度通常用Ka 或pKa（pKa=lgKa）表示。Ka值越大或pKa值越小表示酸性越强。碱的强度通常用Kb 或pKb（pKb=lgKb）表示，但任何一对共轭酸碱通用Ka 或pKa表示即可。第第一一讲讲（33）酸碱理论 根据Lewis 的定义，能够接受未共用电子对的分子或离子，称为Lewis 酸；能够给出电子对的分子或离子，称为Lewis 碱。Lewis 酸的结构特征是具有空轨道原子的分

25、子和正离子。Lewis 酸包含所有的Br nsted 酸。Lewis 碱的结构特征是具有未共用电子对的分子或负离子。常见的Lewis 酸碱如下所示：Lewis 酸:BF3,AlCl3,FeCl3,SnCl4,ZnCl2,H+,R+,Ag+等。Lewis 碱:H2O,NH3,CH3NH2,CH3OH,CH3OCH3,OH-,R-,X-等。Lewis 碱与Br nsted 碱是一致的，Lewis 酸则比Br nsted 酸范围更广。第28页/共36页软硬酸碱原理 “软”、“硬”是形容酸碱抓电子的松紧程度，抓电子紧的称为“硬”，抓电子松的称为“软”，而抓电子的松紧则反映出酸碱受授电子的难易。由于不同

26、的酸碱其抓电子的松紧程度不同，酸碱有硬度和软度的不同。Pearson把Lewis 酸碱分成硬、软两大类。硬酸:接受体的原子小，带正电荷多，价电子层里没有未共用电子对。其电负性高，可极化性低，即外层电子抓得紧。软酸:接受体的原子大，带正电荷少，价电子层里有未共用电子对（p或d）。其电负性低，可极化性高，即外层电子抓得松。硬碱:给予体的原子电负性高，可极化性低，不易被氧化，即对外层电子抓得紧，不易失去。软碱:给予体的原子电负性低，可极化性高，易被氧化，即对外层电子抓得松，容易失去。抓电子的松紧程度的界线很难划分，即很难划分“硬”、“软”，故又将酸碱分为硬的、软的和交界的三大类。看18页表1-5所示

27、。第第一一讲讲（35）第29页/共36页 根据酸碱的硬度或软度，Pearson提出化学反应的硬软酸碱原理（简写作HSAB原理）。即“硬亲硬，软亲软，软硬交接就不管”。硬软酸碱原理是大量实验的经验规律，它能够解释无机化学、有机化学以及有关学科中广泛的化学现象和问题。例如化合物和络合物的稳定性问题，H2SO4比H2SO3稳定，BF3O(C2H5)2比BF3S(C2H5)2稳定。又如化合物反应活性等问题。将乙烯(C2H4)通入溴中，溴的红色逐渐消失，反应很容易进行。硬软酸碱原理的应用涉及很广，如溶解度规律，有关配位体选择的规律，水溶液中的无机络合物化学，催化剂中毒，有机催化剂的选择，有机亲核-亲电活

28、性等，从而受到广泛的重视。硬软酸碱原理还没有统一的理论是指连贯起来，但已有了热力学和量子力学等多方面的定量化工作。第第一一讲讲（36）第30页/共36页1.7 有机化合物的分类按碳架分类链形化合物开链化合物环形化合物(脂肪族化合物)碳环化合物杂环化合物芳环化合物脂杂环化合物芳杂环化合物脂环化合物丁烷丙烯乙醇 十八酸苯 苯甲酸环戊烷环己烯环氧乙烷第第一一讲讲（37）吡啶六氢吡啶呋喃按碳架分类第31页/共36页表1-5 一些常见的重要官能团按官能团分类 官能团：指能决定化合物特殊性质的原子或基团。相同官能团的化合物具有相类似的性质，将他们归于一类，方便研究和学习。第第一一讲讲（38）第32页/共3

29、6页1.8 有机化合物的研究程序（自学）（1）分离提纯（2）物理常数鉴定（3）元素分析和实验式确定（4）相对分子质量的测定和分子式（5）结构的确定（a）官能团分析（b）化学降解及合成（c）物理方法的应用第第一一讲讲（39）第33页/共36页 本章要求本章要求1 1、了解有机化合物和有机化学的涵义、有机化合物的特点和有机化学的发展史；2 2、掌握分子结构的三种表示方法；3 3、掌握共价键：碳碳单键、双键和三键的结构特点；价键理论、碳原子轨道的杂化、分子轨道理论；4 4、掌握共价键的属性：键长、键能、键角、键的极性、共价键的断裂和有机反应类型。5 5、了解分子间的作用力、酸碱的概念和诱导效应。第第一一讲讲（40）作业：（二）、（三）、（六）、（八）、（九）、（十）、（十二）。第34页/共36页下 课。第第一一讲讲（41）第35页/共36页感谢您的观看！第36页/共36页