有機(jī)化學(xué)教學(xué)之一：緒論

1、 第一章 緒 論 教學(xué)目的與要求： 1、要求學(xué)生明確有機(jī)化學(xué)的研究對(duì)象、內(nèi)容及意義，了解有機(jī)化合物 的研究方法。2、要求學(xué)生理解化學(xué)鍵理論并了解軌道雜化理論。3、要求學(xué)生了解有機(jī)反應(yīng)的基本類型和有機(jī)化合物的分類方法。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)： 化學(xué)鍵、雜化理論、反應(yīng)基本類型。1.1有機(jī)化合物和有機(jī)化學(xué) 有機(jī)化合物：含碳的化合物。確切的說(shuō)是烴及其衍生物。烴是指僅由碳、氫兩種元素組成的化合物。烴衍生物是指碳?xì)浠衔锷系臍浔黄渌鶊F(tuán)取代了的化合物。有機(jī)化學(xué)：研究含碳化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和合成方法的化學(xué)。有機(jī)化合物的特性： 1、可燃性；2、熔點(diǎn)低；3、難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑；4、反應(yīng)速度慢；5、反應(yīng)產(chǎn)物復(fù)雜，常

2、有副反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)率低；6、異構(gòu)現(xiàn)象普遍存在 分子式相同的不同化合物叫異構(gòu)體，這種現(xiàn)象叫異構(gòu)現(xiàn)象，有機(jī)化合物中普遍存在著多種異構(gòu)現(xiàn)象，如構(gòu)造異構(gòu)、順?lè)串悩?gòu)、對(duì)映異構(gòu)、構(gòu)象異構(gòu)等。1.2有機(jī)化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展 有機(jī)化學(xué)作為一門科學(xué)是在十九世紀(jì)產(chǎn)生的。但是，有機(jī)化合物在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用則由來(lái)已久。據(jù)我國(guó)周禮記載，早在周朝就設(shè)有專官管理染色、釀酒和制醋工作；周王時(shí)代已知用膠；漢朝時(shí)代發(fā)明造紙等等。雖然人類制造和使用有機(jī)物質(zhì)已有很長(zhǎng)的歷史，但是對(duì)純粹有機(jī)物的認(rèn)識(shí)卻是比較近代的事。例如，在17691785年間，人類取得了許多有機(jī)酸，如酒石酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸、沒(méi)食子酸、乳酸、尿酸和草酸等。1773年由尿中離

3、析了尿素，1805年從鴉片中提取了第一個(gè)生物堿嗎啡。早在十九世紀(jì)初，人們?cè)J(rèn)為這些化合物是在生物體內(nèi)生命力的影響下生成的，所以有別于從沒(méi)有生命的礦物中得到的化合物，因此把前者叫做有機(jī)化合物，而后者則稱為無(wú)機(jī)化合物，從此有了有機(jī)化合物和有機(jī)化學(xué)的名稱。 1828年，德國(guó)化學(xué)家韋勒（F.Wohler）在實(shí)驗(yàn)室中將無(wú)機(jī)物（氰酸銨）轉(zhuǎn)變成有機(jī)物（尿素），這說(shuō)明有機(jī)化合物可以在實(shí)驗(yàn)室中由無(wú)機(jī)物合成，從而徹底否定了生命力學(xué)說(shuō)，但是由于有機(jī)化合物同當(dāng)時(shí)知道的無(wú)機(jī)化合物在性質(zhì)和研究方法上都有所不同，因此，有機(jī)化學(xué)這個(gè)名 稱仍然保留下來(lái)。 在十九世紀(jì)初期已經(jīng)發(fā)展了定量測(cè)定有機(jī)化合物組成的方法，并分析了許多有機(jī)化

4、合物，發(fā)現(xiàn)其中都含有碳，大多數(shù)還含有氫。在十九世紀(jì)中期以后，人們開(kāi)始把有機(jī)化合物看作是碳化合物，有機(jī)化學(xué)看作是研究含碳化合物的化學(xué)。 1865年，德國(guó)化學(xué)家凱庫(kù)勒（A.kekule）提出，在有機(jī)化合物中，碳為四價(jià)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)對(duì)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。 1874年，荷蘭化學(xué)家范特霍夫(J.H.vant Hoff)和法國(guó)化學(xué)家勒比爾(J.A.Le Bel)提出飽和碳原子的四個(gè)價(jià)指向以碳為中心的四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)了從立體觀點(diǎn)來(lái)研究有機(jī)化合物的立體化學(xué)(stereochemistry)。 1917年，美國(guó)化學(xué)家路易斯(G.N.Lewis)用電子對(duì)來(lái)說(shuō)明

5、化學(xué)鍵的生成。1931年，休克爾(E.Huckel)用量子化學(xué)的方法來(lái)解決不飽和化合物和芳香烴的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。1933年，英國(guó)化學(xué)家等用化學(xué)動(dòng)力學(xué)的方法研究飽和碳原子上親和取代反應(yīng)的機(jī)理，這些工作對(duì)有機(jī)化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展都起著重要的推動(dòng)作用。 1.3有機(jī)化學(xué)的研究對(duì)象、內(nèi)容及意義 研究對(duì)象：烴及其衍生物。研究?jī)?nèi)容：1、分離、提取天然有機(jī)物（天然有機(jī)） 2、研究反應(yīng)歷程，控制反應(yīng)方向（物理有機(jī)） 3、合成全新有機(jī)物，改善人類生活質(zhì)量（有機(jī)合成）研究有機(jī)化學(xué)的意義： 1、有機(jī)化學(xué)和人類生活密切相關(guān)人類的衣、食、住、行離不開(kāi)有機(jī)物質(zhì)。2、有機(jī)化學(xué)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門密切相關(guān) 國(guó)防、石油化工、合成材料、醫(yī)藥、農(nóng)

6、藥、染料、香料、日用化學(xué)品都依賴于有機(jī)化學(xué)。3、有機(jī)化學(xué)與生命科學(xué)密切相關(guān) 生物體的組成除了水和一些無(wú)機(jī)鹽外，絕大多數(shù)都是有機(jī)化合物。生物體內(nèi)的新陳代謝、遺傳變異都涉及到有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)變，生命過(guò)程說(shuō)到底是一個(gè)有機(jī)化學(xué)問(wèn)題。有機(jī)化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的密切配合，預(yù)計(jì)將來(lái)在征服疾病、控制遺傳、延長(zhǎng)壽命等方面起巨大的作用。生命科學(xué)與有機(jī)化學(xué)密切相關(guān)，從分子水平研究生命現(xiàn)象，使生命科學(xué)的研究及其應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，化學(xué)的理論、方法在整個(gè)生命科學(xué)中起著非常重要的作用，21世紀(jì)是生命科學(xué)光輝燦爛的時(shí)代，同樣也是有機(jī)化學(xué)光輝燦爛的時(shí)代。 1.4有機(jī)化合物的研究方法 1、提純 要研究一種化合物，首先必須得

7、到純凈的物質(zhì)，提純有機(jī)化合物的方法很多，常用的提純方法有結(jié)晶、蒸餾、升華、抽提及層析。2、分析 （1）元素定性分析：確定該化合物由哪幾種元素組成。 （2）元素定量分析：確定該化合物中各種元素的含量，推導(dǎo)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。 （3）結(jié)構(gòu)分析：應(yīng)用現(xiàn)代物理技術(shù)確定化合物的精細(xì)結(jié)構(gòu)（核磁共振NMR、紅外光譜IR、質(zhì)譜MS、紫外光譜UV）。 1.5有機(jī)化合物中的化學(xué)鍵共價(jià)鍵 化學(xué)鍵的兩種基本類型：離子鍵和共價(jià)鍵離子鍵：由原子間電子的轉(zhuǎn)移而形成的化學(xué)鍵。共價(jià)鍵：原子間通過(guò)共用電子對(duì)形成的化學(xué)鍵。共價(jià)鍵的特性：方向性、飽和性共價(jià)鍵的參數(shù)： （1）鍵長(zhǎng):分子中兩個(gè)原子核間的平均距離。一般說(shuō)來(lái)，兩個(gè)原子 之間所形成的

8、鍵越短，表示鍵越強(qiáng)，越牢固。 （2）鍵角:分子中某一原子與另外兩個(gè)原子形成的兩個(gè)共價(jià)鍵在空 間形成的夾角。在不同化合物中由同樣原子形成的鍵角不一定完全相同，這是由于分子中各原子或基團(tuán)相互影響所致。 （3）鍵能:使1摩爾雙原子分子A-B（氣態(tài)）離解成原子（氣態(tài)）所 需吸收的能量。鍵能可表示化學(xué)鍵牢固的程度，相同類型的鍵中，鍵能越大，說(shuō)明兩個(gè)原子結(jié)合越牢固，即鍵越穩(wěn)定。 （4）鍵的極性:衡量因成鍵的兩原子之間的電負(fù)性差異而產(chǎn)生的正 負(fù)電荷重心偏離程度的參數(shù)。一般說(shuō)來(lái)，成鍵的電子對(duì)在電負(fù)性較強(qiáng)的原子周圍出現(xiàn)的幾率較大。鍵的極性以偶極矩（）表示，其單位為德拜（D），通常用表示其方向，箭頭指向的是負(fù)電中

9、心。鍵的極性是決定分子的物理及化學(xué)性質(zhì)的重要因素之一。 1.6原子軌道和軌道雜化 1、原子軌道 原子軌道：原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。原子軌道的雜化：幾個(gè)原子軌道相互影響而重新組成復(fù)雜的原子軌道的現(xiàn)象。雜化軌道：雜化過(guò)程中形成的新軌道碳的核外電子排布： 2S2 2P2 2S 2P（1）SP3雜化 分子構(gòu)型：四面體構(gòu)型 實(shí)例：CH4（2）SP2雜化 分子構(gòu)型：平面三角形 實(shí)例：CH2=CH2（3）SP雜化 分子構(gòu)型：直線型 實(shí)例：HCCH2、分子軌道 分子軌道：分子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。用波函數(shù)表示。 分子軌道同原子軌道一樣，在容納電子時(shí)也遵守能量最低原理、泡利(Pauli)原理和洪特(Hund)規(guī)則。

10、波函數(shù)只能用近似方法原子軌道線性組合法得到，原子軌道 線性組合法是將 有關(guān)原子的原子軌道進(jìn)行線性組合得到分子軌道。組成分子軌道的原子軌道必須具備以下三個(gè)條件：（1）能量應(yīng)大致相近 （2）對(duì)稱性相同 （3）能最大限度的重疊。 以氫原子為例：兩個(gè)氫原子的1S軌道可以組合成兩個(gè)分子軌道，兩個(gè)波函數(shù)相加得到的分子軌道，其能量低于原子軌道，叫做成鍵軌道；兩個(gè)波函數(shù)相減得到的分子軌道，其能量高于原子軌道，叫做反鍵軌道；在基態(tài)下，氫分子的兩個(gè)電子都在成鍵軌道中。 1.7有機(jī)反應(yīng)的基本類型 化合物分子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必然包含著這些分子中某些化學(xué)鍵的斷裂和新的化學(xué)鍵的形成，有機(jī)反應(yīng)中，根據(jù)化學(xué)鍵形成方式的不同

11、可以分為三種類型：（1）自由基反應(yīng)(Free radical reaction)（2）離子反應(yīng)(Ionic reaction)（3）協(xié)同反應(yīng)(Concerted reaction)。有機(jī)化合物絕大多數(shù)是共價(jià)化合物，以碳與其他非碳原子Y間共價(jià)鍵的斷裂為例，共價(jià)鍵的斷裂方式有兩種：一種叫均裂，也就是一個(gè)共價(jià)鍵斷裂時(shí)，組成該鍵的一對(duì)電子由鍵合的兩個(gè)原子各留一個(gè)：另一種斷裂方式是，成鍵的一對(duì)電子保留在一個(gè)原子上，這叫異裂： 斷裂的方式?jīng)Q定于分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件。 均裂產(chǎn)生的帶單電子的原子或基團(tuán)叫游離基（或自由基），按均裂方式進(jìn)行的反應(yīng)叫游離基反應(yīng)。一般游離基反應(yīng)多在高溫或光照或過(guò)氧化物存在的條件下進(jìn)行。

12、 異裂反應(yīng)產(chǎn)生的則是正、負(fù)離子，按異裂方式進(jìn)行的反應(yīng)叫離子型反應(yīng)。它一般是在酸或堿的催化下，或在極性介質(zhì)中，有機(jī)分子通過(guò)共價(jià)鍵的異裂形成一個(gè)離子型的活性中間體而完成。 離子型反應(yīng)根據(jù)反應(yīng)試劑的類型不同，又可分為親電反應(yīng)(electrophilic reaction )和親核反應(yīng)(nucleophilic reaction)兩類： 親電反應(yīng)：反應(yīng)試劑很需要電子或“親近”電子，容易與被反應(yīng)的化合物中能提供電子的部位發(fā)生反應(yīng)，例如： 親核反應(yīng)：試劑能提供電子，容易與底物中較電正性的部位發(fā)生反應(yīng)，例如： 協(xié)同反應(yīng)不同于上述兩類反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中不生成游離基或離子型活性中間體，其特點(diǎn)是，反應(yīng)過(guò)程中鍵的斷裂與生成是同時(shí)發(fā)生的。協(xié)同反應(yīng)往往有一個(gè)環(huán)狀過(guò)渡態(tài)，不存在中間步驟。 環(huán)狀過(guò)渡態(tài) 1.8有機(jī)化合物的分類 有機(jī)化合物數(shù)量龐大，為了便于學(xué)習(xí)和研究，對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)行分類是十分必要的。一般分類方法有兩種，一種是按碳架分類，另一種是按官能團(tuán)分類。1、根據(jù)碳的骨架將有機(jī)化合物可分為： A、開(kāi)鏈化合物 這類化合物中的碳原子互相接成鏈狀的碳架，由于長(zhǎng)鏈化合物最初在油脂中發(fā)現(xiàn)的，所以這類化合物又叫脂肪族化合物。例如： CH3CH2CH2CH3 CH3CH=CHCH2CH3 CH3CH2CH2CH2OH B、碳環(huán)化合物 這類化合物分子中含有完全由碳原子組成的環(huán)，根據(jù)環(huán)中碳原子的連接方式又可以分為以下