有機化學課件緒論PPT課件

1、1第一節(jié) 有機化合物和有機化學1.1.有機化合物：碳化合物、碳氫化合物及其衍生物。 C C、H H（O O、N N、X X、P P、S S）2. 2. 有機化學：研究有機化合物來源、制備、結(jié)構(gòu)、性能、應用以及有關(guān)理論、變化規(guī)律和方法學科學。 三項內(nèi)容：分離、結(jié)構(gòu)、反應和合成 分離 從自然界或反應產(chǎn)物通過蒸餾、結(jié)晶、吸附、萃取、升華等操作孤立出單一純凈的有機物。 結(jié)構(gòu) 對分離出的有機物進行化學和物理行為的了解，闡明其結(jié)構(gòu)和特性。 反應和合成 從某一有機化合物( (原料) )經(jīng)過一系列反應轉(zhuǎn)化成一已知的或新的有機化合物( (產(chǎn)物) )。第1頁/共51頁23. 有機化學的發(fā)展及其研究熱點。1806年

2、，柏則里烏斯提出“有機化學”這一名詞和“生命力”學說“成為有機”(Organic) “有機體” (Organism) 的來源1828年，德國化學家魏勒(Whler,F.)制尿素：1845年，柯爾伯(H.kolber) 制得醋酸；1854年，柏賽羅(M.berthelot)合成油脂類化合物；爾后，布特列洛夫合成了糖類化合物；.有機物可來源于生物體也可由無機物轉(zhuǎn)化而來。迄今已知的化合物超過2000萬(主要通過人工合成)，其中絕大多數(shù)是有機化合物。第2頁/共51頁3三. 有機化學的發(fā)展及其研究熱點。1、 從有機體內(nèi)提取有機物 （ 1773 1805） 酒石酸、尿酸、乳酸等 “生命力”學說 2、 由提

3、取進入到提取合成并舉的時代 （ 1806 1828 1854）1828年， F.Wohler：合成尿素 從無機物合成得到有機物 1845年，柯爾伯(H.kolber) 制得醋酸；1854年，柏賽羅(M.berthelot)合成油脂類化合物；爾后，布特列洛夫合成了糖類化合物；. 第3頁/共51頁43、進入合成時代 （1849 1900 ）標志性成果維生素B12 牛胰島素 紫杉醇4、1990年，有機化學與生命科學、環(huán)境科學、材料科學、能源工業(yè)、國防工業(yè)、電子工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、無機非金屬材料、各種輕工行業(yè)緊密聯(lián)系，相互促進。有機物可來源于生物體也可由無機物轉(zhuǎn)化而來。迄今已知的化合物超過20002000

4、萬( (主要通過人工合成) )，其中絕大多數(shù)是有機化合物。 第4頁/共51頁5第5頁/共51頁6 當代有機化學發(fā)展的一個重要趨勢：與生命科學的結(jié)合。19801980年(DNA)1997年(ATP)與生命科學有關(guān)的化學諾貝爾獎八項； 有機化學以其價鍵理論、構(gòu)象理論、各種反應及其反應機理成為現(xiàn)代生物化學和化學生物學的理論基礎(chǔ)；在蛋白質(zhì)、核酸的組成和結(jié)構(gòu)研究、順序測定方法的建立、合成方法的創(chuàng)建等方面，有機化學為分子生物學的建立和發(fā)展開辟了道路； 確定DNADNA為生物體遺傳物質(zhì), , 是由生物學家和化學家共同完成； 人類基因組“工作框架圖”組裝后基因組計劃序列基因(Sequence Genomics

5、)結(jié)構(gòu)基因(StructuralGenomics)功能基因(Functional Genomics)。第6頁/共51頁7有機化學特別是生物有機化學參與研究項目：l 研究信息分子和受體識別的機制; ;l 發(fā)現(xiàn)自然界中分子進化和生物合成的基本規(guī)律; ;l 作用于新生物靶點的新一代治療藥物的前期基礎(chǔ)研究; ;l 發(fā)展提供結(jié)構(gòu)多樣性分子的組合化學; ;l 對于復雜生物體系進行靜態(tài)和動態(tài)分析新技術(shù)，等等。第7頁/共51頁8有機新材料( (分子材料) )化學1. 1. 化學結(jié)構(gòu)種類多； 2. 2. 能夠有目的地改變功能分子的結(jié)構(gòu)，進行功能組合和集成；3. 3. 能夠在分子層次上組裝功能分子，調(diào)控材料的性能

6、。當前研究的熱點領(lǐng)域：1. 1. 具有潛在光、電、磁等功能的有機分子的合成和組裝2. 2. 分子材料中的電子、能量轉(zhuǎn)移和快速反應過程的研究；3. 3. 研究分子結(jié)構(gòu)、排列方式與材料性能的關(guān)系，發(fā)展新的分子組裝的方法，探討產(chǎn)生特殊光電磁現(xiàn)象的機制；4. 4. 探索新型分子材料在光電子學和微電子學中的應用等第8頁/共51頁9有機化合物的特點：1. 有機物中原子間通常以共價鍵方式相互結(jié)合；2.2.結(jié)構(gòu)復雜； 3.3.熔點、沸點較低；一般m.p 300；例：HOAc(M=60)：m.p 16.6，b.p 118（弱的分子間引力） NaCl(M=58.5)：m.p 800，b.p 1440（強的離子間靜

7、電引力） 4.4.容易燃燒； (1)(1)易燃、易爆( (如汽油、酒精等) )； (2) (2) 熱穩(wěn)定性差，受熱(200(200300)300)易分解；第9頁/共51頁10 5.5.難溶于水，易溶于有機溶劑； 原因：“相似相溶”( (水是極性溶劑，弱極性或非極性有機物難溶于水，但極性較強的有機物也可溶于水) )。 6.反應速度慢,反應復雜，副產(chǎn)物多。 有機反應產(chǎn)率達80%80%相當可觀，有40%40%的產(chǎn)率就有合成價值。 第10頁/共51頁11(三) 有機化合物的分子結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)式 結(jié)構(gòu)(structure) 分子中原子間的排列次序，原子相互間的立體位置、化學鍵的結(jié)合狀態(tài)以及分子中電子的分布狀

8、況等各項內(nèi)容的總和。 分子的性質(zhì)不僅取決于其元素組成，更取決于分子的結(jié)構(gòu)?！敖Y(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”，這是有機化學教與學的主線。 構(gòu)造分子中原子間相互連接的順序叫做分子的構(gòu)造。 第11頁/共51頁12例1：2-甲基丙醇的表示方法： H C C C O HH H HHH C HHHH-C-C-C-O-HHH HHHH-C-HHCH3CHCH2OHCH3(CH3)2CHCH2OH或OH路易斯式書寫麻煩短線式較麻煩 縮簡式較為常用鍵線式較為常用第12頁/共51頁13例2：苯的構(gòu)造式 CCCCCCHHHHHHCCCCCCHHHHHHCHCHCHCHCHCH或路易斯式短線式鍵線式縮簡式第13頁/共5

9、1頁14(四) 共價鍵 (1) 共價鍵的形成 (甲) 價鍵法 (乙) 分子軌道法 (2) 共價鍵的基本屬性(甲) 鍵長 (乙) 鍵能 (丙) 鍵角 (丁) 鍵的極性 (3) 共價鍵的斷裂方式與有機反應的類型(甲) 斷鍵方式與反應類型均裂 自由基反應異裂 離子型反應周環(huán)反應(乙) 有機反應試劑的分類自由基試劑 親電試劑 親核試劑 試劑與酸堿 第14頁/共51頁15 共價鍵最基本特點: 具有飽和性飽和性和方向性方向性。 在有機化合物中，所有的碳必須是4價！ 成鍵原子間必須沿著電子云密度最大的方向重疊成鍵。 第15頁/共51頁16(1) 共價鍵的形成 描述共價鍵的兩種理論：l 價鍵理論：形象直觀，定

10、域的觀點，常用于描述非共軛體系；l 分子軌道理論：離域的觀點，常用于描述共軛體系。l 將價鍵理論和分子軌道理論結(jié)合起來，可以較好地說明有機分子的結(jié)構(gòu)。 第16頁/共51頁17(甲) 價鍵法 激發(fā)雜化(線性組合)4個sp 雜化軌道33個sp2p軌道2個spp軌道(sp 雜化)3(sp 雜化)(sp雜化)2C:2s 2p22s軌道p軌道 H2的形成成鍵電子處于成鍵原子之間。(略) CH4、C2H4、C2H2的形成雜化軌道的概念：第17頁/共51頁18(i) sp3雜化 甲烷分子中的碳原子采取sp3雜化。雜化的結(jié)果：sp31. sp3軌道具有更強成鍵能力和更大的方向性。 2. 四個sp3雜化軌道完全

11、相同，取最大的空間距離為正四面體構(gòu)型，軌道夾角為109.5。 構(gòu)型原子在空間的排列方式。 3. 四個H原子只能從四面體的四個頂點進行重疊(因頂點方向電子云密度最大),形成4個CH鍵。 第18頁/共51頁19(ii) sp2雜化 乙烯分子中的碳原子采取sp2雜化。 雜化的結(jié)果： 120。C3個sp 雜化軌道2取最大鍵角為120 。未參加雜化的p軌道與3個sp 雜化軌道2垂直sp3sp2sp2軌道的s成份更大些 HHHHCCHHHHCC未參與雜化的p軌道間肩并肩重疊形成鍵3個sp2雜化軌道取最大鍵角120 未參加雜化p軌道與三個sp2雜化軌道垂直第19頁/共51頁20(iii) sp雜化 乙炔分子

12、中的碳原子采取sp雜化。sp雜化的結(jié)果： sp雜化碳為直線構(gòu)型 乙炔分子的骨架 2個相互的鍵 C CC CC CH HH HHHCC1. sp雜化軌道的s成分更大，電子云離核更近!2.兩個sp雜化軌道取最大鍵角180。所以：乙炔分子中電子云的形狀為對稱于C-CC-C鍵的圓筒形。 第20頁/共51頁21討論： 不同雜化態(tài)碳原子的電負性不同，導致其與氫原子或其他原子形成的鍵的性質(zhì)不同。電負性：sp雜化碳 sp2雜化碳 sp3雜化碳 ! 雜化軌道可形成鍵，如C- -H、C- -C、C- -X、C- -O、C- -N等。鍵是有機分子構(gòu)成碳鏈或碳環(huán)的基礎(chǔ)。未參與雜化的p軌道可形成鍵，如C=C、C=O、C

13、C、CN等。 第21頁/共51頁22(乙) 分子軌道法 分子軌道理論主要用來處理p p電子或電子 。 乙烯分子中有兩個未參加雜化的p p軌道，這兩個p p軌道可通過線性組合（加加減減）而形成兩個分子軌道(軌道) )： 第22頁/共51頁23p(p(能量* +-節(jié)面+-有一個節(jié)面+-無節(jié)面+-( )(* )第23頁/共51頁24(2) 共價鍵的基本屬性 (一) 鍵長 成鍵原子的平衡核間距。以nm(10-9m)表示。 不同的共價鍵有不同的鍵長； 例：CC CC 鍵長0.154nm CH 0.154nm CH 鍵長0.109nm0.109nm C=C C=C 鍵長0.133nm CO 0.133nm

14、 CO 鍵長0.143nm0.143nm 相同的共價鍵，處于不同的化學環(huán)境時，鍵長也稍有差異。 一般：鍵長越短，化學鍵越牢固，越不容易斷開。 第24頁/共51頁25第25頁/共51頁26第26頁/共51頁27(二) 鍵能： 鍵的平均解離能。 例如：.CH3CH4+ HCH3.CH2+HCH2.CH.H+.CH.C.+HH=423KJ/molHH=439KJ/mol=347KJ/molH=448KJ/mol 平均值：(423+439+448+347)4=414KJ/mol CH的鍵能為414KJ/mol。化學鍵的鍵能越大，鍵越牢固。第27頁/共51頁28第28頁/共51頁29(三) 鍵角 鍵與鍵

15、之間的夾角。 鍵角與成鍵中心原子的雜化態(tài)有關(guān)，也受分子中其他原子的影響。 CHHHH在紙面前方在紙面后方在紙面上立體透視式的寫法第29頁/共51頁30 (四) 鍵的極性和極化性 a. 鍵的極性 鍵的極性是由于成鍵原子的電負性不同而引起的，例如： H Cl CH3 Cl CH3 OH， 通常： 成鍵原子電負性差大于1.7，形成離子鍵； 成鍵原子電負性差為0.51.6，形成極性共價鍵。第30頁/共51頁31 鍵的極性用偶極矩(鍵矩)來度量： qd 的單位：Cm(庫侖米) q正、負電中心的電荷， d 電荷中心之間的距離 例：HCl CH3Cl 第31頁/共51頁32b. 分子的極性 鍵的極性可引起分

16、子的極性，分子的偶極矩等于鍵的偶極矩的矢量和。例如： 分子的極性影響化合物的沸點、熔點和溶解度等。 有極性有極性CHHHH無極性H HO OH HO OC CO O無極性ClCHHH第32頁/共51頁33c. 鍵的極化度 外電場作用下，共價鍵極性發(fā)生變化稱做鍵的極化性。 鍵的極化性用極化來度量，它表示成鍵電子被成鍵原子核電荷約束的相對程度。極化度與成鍵原子的體積、電負性、鍵的種類以及外電場的強度有關(guān)。例： CO CO；II BrBr ClCl；極化度： CI CBr CCl CF；第33頁/共51頁34小結(jié)： 絕大多數(shù)有機物分子中都存在共價鍵。 共價鍵的鍵能和鍵長反映了鍵的強度，即分子的熱穩(wěn)定

17、性； 鍵角反映了分子的空間形象； 鍵的偶極矩和鍵的極化性反映了分子的化學反應活性和它們的物理性質(zhì)。 第34頁/共51頁35(3) 共價鍵的斷裂方式與有機反應的類型 發(fā)生均裂的反應條件是光照、輻射、加熱或有過光照、輻射、加熱或有過氧化物氧化物存在。 均裂的結(jié)果是產(chǎn)生了具有不成對電子的原子或原子團自由基。 自由基參與的反應叫做自由基反應或均裂反應。 A BA + BCH3 + H ClH CH3 + Cl 均 裂(甲) 斷鍵方式與反應類型第35頁/共51頁36異裂A BA+ + B-(CH3)3C Cl(CH3)3C+ + Cl- 發(fā)生異裂的反應條件是有催化劑、極性試劑、極性溶劑存在。 異裂的結(jié)果

18、產(chǎn)生了帶正電荷或負電荷的離子。 發(fā)生共價鍵異裂的反應，叫做離子型反應或異裂反應。 第36頁/共51頁37周環(huán)反應： 反應經(jīng)環(huán)狀過渡態(tài)，舊鍵的斷裂和新鍵的生成同時進行( (協(xié)同進行) )。+環(huán)己烯CH2CH21,3-丁二烯環(huán)狀過渡態(tài)=例：第37頁/共51頁38有機反應的類型有機反應的類型 烯烴的 鹵代烷烴的鹵代、烯烴的反馬式加成苯環(huán)上的“四化”反應烯烴水合、炔烴加鹵素等鹵代烴的水解、氰解等 醛、酮加HCN、NaHSO3等有機反應類型自由基反應離子型反應自由基加成自由基取代親電反應親核反應親電加成親電取代親核取代親核加成雙烯合成等周環(huán)反應消除反應鹵代烴脫HX、醇脫水等 第38頁/共51頁39(乙)

19、 有機反應試劑的分類 自由基試劑 能產(chǎn)生自由基的試劑是自由基試劑。例如： CH4 + Cl2CH3 Cl+ HClh自由基試劑Cl2(氯自由基)2Cl 光或熱常見的自由基試劑：X2、過氧化物(R-O-O-R)、偶氮化物(R-N=N-R)等。 第39頁/共51頁40 親電試劑 常見的親電試劑： H+、Cl+、Br+、SO3、BF3、AlCl3、+NO2等。 親電試劑特點：有正電荷或空軌道。 親電試劑在進行化學反應時，進攻反應對象的負電中心。 由親電試劑首先進攻的反應稱為親電反應。 對電子有親合力的試劑是親電試劑。例如： RCH2Cl + AlCl3R+CH2AlCl4-親電試劑第40頁/共51頁

20、41 親核試劑 對碳原子核有親合力的試劑是親核試劑。例如： CH3CH2-Br + OH-CH3CH2-OH + Br-親核試劑常見的親核試劑： OH-、NH2-、CN-、H3CO-、H2O、NH3等。親核試劑特點： 1.有負電荷或孤對電子。 2.親核試劑在化學反應時進攻反應對象的正電中心。 由親核試劑首先進攻的反應稱為親核反應。第41頁/共51頁42 試劑與酸堿 布倫斯特(Brnsted)(Brnsted)酸堿 能給出質(zhì)子者為酸( (如HClHCl、CHCH3 3COOH)COOH)； 能與質(zhì)子結(jié)合者為堿( (如OHOH- -、NHNH3 3等) )；路易斯(lewis)(lewis)酸堿

21、能接受外來電子對者為酸( (如H H+ +、FBFB3 3、AlClAlCl3 3等) )； 能給出電子對者為堿( (如ClCl- -、OHOH- -、NHNH3 3、H H2 2O O等) )。所有l(wèi)ewis酸都是親電試劑；所有l(wèi)ewis堿都是親核試劑。第42頁/共51頁43討論：l 堿性指試劑與質(zhì)子結(jié)合的能力，親核性指試劑與碳核結(jié)合的能力；l 試劑的屬性與反應條件或反應物的性質(zhì)有關(guān)。例如： Cl2在高溫或光照下是自由基試劑，在極性介質(zhì)中是親電試劑； HBr在極性介質(zhì)中是親電試劑，在高溫或光照下是自由基試劑。l 親電試劑首先進攻碳原子的反應稱為親電反應。 親核試劑首先進攻碳原子的反應稱為親核反應。 例： CH3CH2O Na + CH3BrCH3CH2OCH3 + NaBr親核取代第43