有機化合物概述

第八章有機化合物概述學習目的：

1.掌握σ

鍵、π鍵的定義和主要特點；2.掌握有機化合物的命名方法；3.熟悉有機化合物的分類；4.了解有機化合物的結(jié)構(gòu)理論；5.了解有機化學與醫(yī)學的關系。

復習引入：.有機化合物大量存在于自然界，如糧、油、棉、麻、毛、絲、木材、糖、蛋白質(zhì)、農(nóng)藥、塑料、染料、香料、醫(yī)藥、石油等大多數(shù)都是有機化合物。

有機化合物和醫(yī)學關系密切人體及動植物的基本組成：糖、脂類、蛋白質(zhì)和酶、核酸、維生素、激素等都是有機化合物；中草藥的有效成分一般也屬于有機化合物。

講授新課：第一節(jié)有機化合物和有機化學

一、有機化合物的概念1.有機化合物：碳氫化合物及其衍生物；2.有機化學：研究碳氫化合物及其衍生物的化學。在化學上，通常把含有碳氫兩種元素的化合物稱為烴。因此，有機化合物就是烴及其衍生物；有機化學也就是研究有機化合物的化學。二、有機化合物的特點1、可燃性：絕大數(shù)有機化合物都可以燃燒，如棉花、汽油、木材、酒精等。如大多數(shù)無機化合物，如酸、堿、鹽、氧化物等都不能燃燒。因而有時采用灼燒試驗可以區(qū)別有機物和無機物。2、熔點低：在室溫下，絕大多數(shù)無機化合物都是高熔點的固體，而有機化合物通常為氣體、液體或低熔點的固體。例如，氯化鈉和丙酮的相對分子質(zhì)量相當，但二者的熔、沸點相差很大。大多數(shù)有機化合物的熔點一般在400oC以下，而且它們的熔、沸點隨著相對分子質(zhì)量的增加而逐漸增加。一般地說，純粹的有機化合物都有固定的熔點和沸點。3．難溶于水：水是一種強極性物質(zhì)，所以以離子鍵結(jié)合的無機化合物大多易溶于水，不易溶于有機溶劑。而有機化合物一般都是共價鍵型化合物，極性很小或無極性，所以大多數(shù)有機化合物在水中的溶解度都很小，但易溶于極性小的或非極性的有機溶劑（如乙醚、苯、烴、丙酮等）中，這就是“相似相溶”的經(jīng)驗規(guī)律。正因為如此，有機反應常在有機溶劑中進行。4．反應速度慢無機反應是離子型反應，一般反應速度都很快。如鹽酸與氫氧化鈉反應，硝酸銀與氯化鈉生成AgCl沉淀的反應等都是在瞬間完成的。有機反應大部分是分子間的反應，反應過程中包括共價鍵舊鍵的斷裂和新鍵的形成，所以反應速度比較慢。一般需要幾小時，甚至幾十小時才能完成。為了加速有機反應的進行，常采用加熱、光照、攪拌或加催化劑等措施。5．副反應多，產(chǎn)物復雜

有機化合物的分子大多是由多個原子結(jié)合而成的復雜分子，常?？梢栽诓煌课煌瑫r發(fā)生反應，得到多種產(chǎn)物。因此在有機反應中，除了生成主要產(chǎn)物以外，還常常有副產(chǎn)物生成。為了提高主產(chǎn)物的收率，控制好反應條件是十分必要的。由于得到的產(chǎn)物是混合物，故需要經(jīng)分離、提純的步驟，以獲得較純凈的物質(zhì)。6．同分異構(gòu)現(xiàn)象普遍存在同分異構(gòu)現(xiàn)象是造成有機化合物數(shù)目繁多（現(xiàn)已知有機化合物有1千萬種以上）的主要原因之一。所謂同分異構(gòu)現(xiàn)象是指具有相同分子式，但結(jié)構(gòu)不同，從而性質(zhì)各異的現(xiàn)象。例如，乙醇和甲醚，分子式均為C2H6O，但它們的結(jié)構(gòu)不同，因而物理和化學性質(zhì)也不相同。乙醇和甲醚互為同分異構(gòu)體。由于在有機化學中普遍存在同分異構(gòu)現(xiàn)象，故在有機化學中不能只用分子式來表示某一有機化合物，必須使用構(gòu)造式或構(gòu)型式。三、有機化合物的結(jié)構(gòu)理論（一）原子結(jié)構(gòu)的基本概念

原子是由原子核和核外電子兩部分組成的，電子繞核作高速運動。常用小點的密度大小來表示電子出現(xiàn)的幾率大小。這樣的圖像看起來就好像云霧一樣，因此形象地稱為電子云。

1．電子云：

電子云是電子在核外空間出現(xiàn)幾率密度分布的一種形象描述。

2．原子核外電子的運動狀態(tài)

在多電子原子中，電子的能量并不相同。帶有負電荷的電子離核越近，它的能量就越低；離核越遠能量就越高。能量最低的稱為第1電子層，用n＝1（或K）表示；離核稍遠能量稍高的為第2電子層，用n＝2（或L）表示；由里向外以此類推，依次用n=1、2、3、4、5、6、7或K、L、M、N、O、P、Q表示。因此，n的數(shù)值越小，表示電子離核越近，電子的能量越低；反之，n的數(shù)值越大，表示電子離核越遠，電子的能量就越高。（1）電子層n

在同一電子層上，電子的能量也稍有差別，電子云的形狀也不相同。根據(jù)這一差別，又把一個電子層分成一個或幾個亞層，分別用s、p、d、f等表示。（2）電子亞層和電子云形狀S電子亞層電子云是以原子核為中心的球形p電子亞層電子云形狀是紡錘形（或啞鈴形）d、f電子亞層電子云形狀比較復雜。電子層n1234567電子亞層1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d6f7s7p7d7fp亞層三個軌道相互垂直，互成90度夾角s亞層一個軌道P亞層三個軌道如：xyz電子云不僅有一定的形狀，而且還有一定的空間伸展方向。（3）電子云的伸展方向及軌道軌道：具有一定的形狀和伸展方向的電子云所占據(jù)的空間。軌道的表示：d亞層5個軌道f亞層7個軌道電子亞層伸展方向、原子軌道數(shù)目最多可容納電子數(shù)S12p36d510f714（4）電子的自旋電子的自旋有兩種方向，可用順時針和逆時針或表示。在一個軌道中最多只能容納自旋方向相反的兩個電子。電子層1234電子亞層1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f亞層上的軌道數(shù)1131351357亞層上的最多電子數(shù)2262610261014電子層上的最多軌道數(shù)14916電子層上的最多電子數(shù)281832前四層，電子層上的最多電子數(shù)2n2前四層，電子層上的最多軌道數(shù)n2結(jié)論：能量從低到高順序：

1s2s2p3s3p4s3d4p1s2s2p3s3p3．原子核外電子的排布原子結(jié)構(gòu)示意圖碳CC

1s22s22p2核外電子排布為：H

1s1Cl

1s22s22p63s23p5軌道表示式為：1s1s2s2pHCCl練習：1s2s2p1s2s2p3s3pONS1s2s2p順序：

1s2s2p3s3p4s3d4p核外電子排布為：1s22s22p21、碳原子的結(jié)構(gòu)碳原子在元素周期表中，是第二周期第四主族元素。核外有六個電子。軌道表示式為：1s2s2p

（二）雜化軌道理論

碳原子結(jié)構(gòu)示意圖甲烷分子模型

由于碳原子的最外層電子數(shù)為4個，碳原子既不容易得到電子，也不容易失去。因此，碳原子之間相互結(jié)合或與其它原子結(jié)合時，都是通過共用電子對而結(jié)合成共價鍵。

碳原子總是以四個價鍵與其它原子或自身形成單鍵、雙鍵或叁鍵。2、價電子的激發(fā)

碳原子在成鍵的過程中首先要吸收一定的能量，使2s軌道的一個電子躍遷到2p空軌道中，形成碳原子的激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的碳原子具有四個單電子，因此碳原子為四價的。2s2p

2s2p

激發(fā)激發(fā)：電子得到能量，由能量低的軌道躍遷到能量高的軌道的過程。3、軌道的雜化雜化：能量相近的、不同類型的軌道混合起來重新組合成新軌道的過程。

碳原子在成鍵時，四個原子軌道可以“混合起來”進行“重新組合”形成能量等同的新軌道，稱為雜化軌道。雜化軌道的能量稍高于2s軌道的能量，稍低于2p軌道的能量。雜化軌道的數(shù)目等于參加組合的原子軌道的數(shù)目。雜化軌道的成鍵能力增強（成鍵能力：sp3﹥sp2﹥sp﹥p﹥s）1、sp3雜化由一個2s軌道和三個2p軌道雜化形成四個能量相等的新軌道，叫做sp3雜化軌道，這種雜化方式叫做sp3雜化。碳原子軌道的雜化的形式：2s2p

4個sp3雜化碳原子軌道的雜化的形式：

sp3雜化軌道的形狀及能量既不同于2s軌道，又不同于2p軌道，它含有1/4的s成分和3/4的p成分。

sp3雜化軌道是有方向性的，四個sp3雜化軌道呈四面體分布，軌道對稱軸之間的夾角均為109°28’

。如甲烷分子中的4個C—H鍵。sp3雜化結(jié)構(gòu)模型空間伸向：四個sp3雜化軌道呈正四面體分布，軌道對稱軸之間的夾角均為109°28’形狀：一頭大一頭小。sp3雜化結(jié)構(gòu)模型甲烷CHHHH乙烷σ鍵：電子云沿軌道對稱軸方向（“頭碰頭”方式）重疊所形成的共價鍵。碳碳單鍵上的碳原子都是sp3雜化sp22s2p2p雜化2、sp2雜化由一個2s軌道和兩個2p軌道重新組合成三個能量等同的雜化軌道，稱sp2雜化。

sp2雜化軌道含有1/3的s成分和2/3的p成分，這三個sp2雜化軌道的對稱軸在同一平面上，并以碳原子核為中心，分別指向正三角形的三個頂點，對稱軸的夾角為120°。碳原子還余下一個未參與雜化的2p軌道，仍保持原來的形狀，它的對稱軸垂直于三個sp2雜化軌道對稱軸所在的平面?？臻g伸向：三個sp2雜化軌道呈正三角形分布，軌道對稱軸之間的夾角均為120°2p軌道垂直于三個sp2雜化軌道所在的平面乙烯C=C鍵：1s

鍵+1p

鍵π鍵：電子云沿軌道對稱軸平行方向（“肩并肩”）重疊所形成的共價鍵。碳碳雙鍵上的碳原子都是sp2雜化3、sp雜化由一個2s軌道和一個2p軌道重新組合成二個能量等同、方向相反的雜化軌道，稱sp雜化。sp2s2p2p雜化3、sp雜化由一個2s軌道和一個2p軌道重新組合成二個能量等同、方向相反的雜化軌道，稱sp雜化。sp2s2p2p雜化sp雜化軌道的形狀與sp3、sp2雜化軌道的形狀相似，sp雜化軌道含有1/2的s成分和1/2的p成分，二個sp雜化軌道伸向碳原子核的兩邊，它們的對稱軸在一條直線上，互呈180°夾角。碳原子還余下二個未參與雜化的2p軌道，這二個2p軌道仍保持原來的形狀，其對稱軸不僅互相垂直，而且都垂直于sp雜化軌道對稱軸所在的直線。乙炔C≡C鍵：1s

鍵+2p

鍵碳碳叁鍵上的碳原子都是sp雜化小結(jié)：雜化軌道的類型及特點類型參與雜化的軌道數(shù)未參與雜化的p軌道數(shù)雜化軌道成分雜化軌道數(shù)目空間結(jié)構(gòu)軌道間夾角sp31個s+3個p01/4s+3/4p4個sp3正四面體109°28′sp21個s+2個p11/3s+2/3p3個sp2正三角形120°sp1個s+1個p21/2s+1/2p2個sp直線形180°四、有機化合物的結(jié)構(gòu)（一）碳原子的結(jié)構(gòu)特點1、碳原子的價態(tài)：4個共價鍵甲烷CH4CH3—CH3CH3—O—CH3CH3—Cl電子式：結(jié)構(gòu)式：結(jié)構(gòu)式：能表示有機化合物分子中原子間連接順序和方式的圖式。結(jié)構(gòu)式如：結(jié)構(gòu)簡式：碳原子結(jié)構(gòu)示意圖CHHHH2、共價鍵的類型根據(jù)形成共價鍵時原子軌道的重疊方式不同：可分為σ鍵和π鍵σ鍵：電子云沿軌道對稱軸方向（“頭碰頭”方式）重疊所形成的共價鍵。σ鍵π鍵存在可以單獨存在，存在于任何共價鍵中不可以單獨存在，只能與σ鍵同時存在形式成鍵軌道沿鍵軸重疊，重疊程度大成鍵p軌道平行重疊，重疊程度較小性質(zhì)1、電子云呈柱狀，沿鍵軸呈圓柱形對稱，電子云密集于兩核之間2、自由旋轉(zhuǎn)3、鍵能大，鍵穩(wěn)定4、不易被極化1、電子云呈塊狀，通過鍵軸有一對稱面，電子云分布在平面上下方2、不能自由旋轉(zhuǎn)3、鍵能小，鍵不穩(wěn)定4、易被極化π鍵：電子云沿軌道對稱軸平行方向（“肩并肩”）重疊所形成的共價鍵。

在有機化合物中，碳原子的4個共價鍵不僅能與氫原子或其它原子相結(jié)合，而且碳原子之間也可以通過共價鍵相結(jié)合，稱為自相成鍵。碳碳單鍵：兩個碳原子之間共用一對電子形成的鍵稱為碳碳單鍵；碳碳雙鍵：兩個碳原子之間共用兩對電子形成的鍵稱為碳碳雙鍵；碳碳三鍵：兩個碳原子之間共用三對電子形成的鍵稱為碳碳三鍵。3.碳原子的成鍵方式碳碳單鍵碳碳雙鍵碳碳叁（三）鍵

4.碳原子的連接形式碳原子之間還可以互相連接形成長短不一的鏈狀和各種形狀，從而構(gòu)成有機化合物的基本骨架。（二）、共價鍵的參數(shù)

1、鍵長在正常的、未激發(fā)的分子中,各原子處于平衡的位置.這時兩個成鍵原子核中心間的距離就是該鍵的鍵長,一般用納米(nm)表示.鍵長取決于成鍵的兩個原子的大小及原子軌道重疊的程度.成鍵原子及成鍵的類型不同,其鍵長也不相同.例如,C-C、C=C及C≡C的鍵長分別是0.154、0.133和0.121nm,即單鍵最長,雙鍵次之,三鍵最短.2、鍵角

分子中某一原子與另外兩個原子形成的兩個共價鍵在空間中的夾角,叫做鍵角.它的大小與分子的空間構(gòu)型有關.例如,烷烴的碳原子都是sp3雜化的,所以H-C-C或H-C-H的鍵角都接近于109°28′；烯烴是平面型分子,碳是sp2雜化的,H-C-H或H-C-C的鍵角接近于120°；炔烴是線型分子,碳的雜化方式是sp,所以H-C-C的夾角為180°.3、鍵能和鍵離解能在25℃和101.325kPa下,以共價鍵結(jié)合的A、B兩個原子在氣態(tài)時使鍵斷裂,分解為A和B兩個原子(氣態(tài))時所消耗的能量叫做鍵能.一個共價鍵斷裂所消耗的能量又叫做共價鍵的離解能.對于雙原子分子來說,鍵能就等于離解能.鍵的離解能反映了以共價鍵結(jié)合的兩個原子相互結(jié)合的牢固程度:鍵的離解能愈大,鍵愈牢固.但對多原子分子來說,鍵能和鍵離解能是兩個不同的概念.多原子分子的離解能是指斷裂一個給定的鍵時所消耗的能量,而鍵能則是斷裂同類型共價鍵中的一個鍵所需要的平均能量.4、元素的電負性和鍵的極性.（1）非極性鍵

由兩個相同的原子或兩個電負性相同的原子組成的共價鍵。（共用電子對的電子云對稱地分布于兩個原子核之間）H—H（2）極性鍵

由兩個電負性不同的原子形成的共價鍵.（共用電子對的電子云不是平均地分布在兩個原子核之間）電負性較大的原子帶部分負電荷(用δ－表示)；電負性較小的原子則帶部分正電荷(用δ+表示).例如,氯甲烷,電負性較大的氯原子帯部分負電荷,碳帶部分正電荷.兩個鍵合原子的電負性相差愈大,鍵的極性愈強.H3C—Clδ+δ－分子的極性.（1）用極性鍵結(jié)合的雙原子分子是極性分子；

H—Cl（2）用極性鍵結(jié)合的多原子分子是否有極性,則與分子的結(jié)構(gòu)有關.

對稱非極性分子如：O=C=OCH4

不對稱極性分子如：H2ONH3共價鍵的極性大小可用偶極矩（鍵矩）μ來表示。δ+δ－第二節(jié)有機化合物分子中的電子效應（選學）

電子效應分子中原子與原子、原子與基團、基團與基團、化學鍵與化學鍵之間的相互影響，使分之中的電子云發(fā)生一定程度移動的作用。

電子效應分為誘導效應和共軛效應一、誘導效應CH3CH2CH2Cl123δ

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1、誘導效應在多原子分子中，由于成鍵原子和基團的電負性不同而引起分子中的電子云的密度發(fā)生一定程度的改變，并通過靜電誘導作用沿著分子鏈向某一方向傳遞的作用。常見取代基的電負性大小次序：在H前面的是吸電子基團，在H后面的是斥電子基團-NO2﹥-CN﹥-COOH﹥-F﹥-Cl﹥-Br﹥-I﹥-OCH3﹥-NHCOCH3﹥-C6H5﹥-CH=CH2﹥-H

﹥-CH3﹥-C2H5﹥-CH(CH3)2﹥-C(CH3)3

二、共軛效應

1、共軛體系的特點:形成共軛體系的原子必須在同一個平面，必須有若干個可以實現(xiàn)平行重疊的P軌道，要有一定數(shù)量的供成鍵的P電子

3、共軛效應分為三種：π-π共軛、p-π共軛、σ-π共軛（超共軛）。2、共軛效應的表現(xiàn)：鍵長平均化，電子云密度平均化，體系能量降低，穩(wěn)定性增加。CH2=CH-CH=CH2CHCCCHHHHH....H3C-CH=CH2δ+δ－2、誘導效應的特點：（1）短程的，一般不超過3個碳原子（2）是一種靜電作用，是固有的永久性效應。誘導效應可分為:吸電子誘導效應（-I）

斥電子誘導效應(+I)如：硝基如：甲基CH2=CH-ClClCCHHH....δ－

δ+第三節(jié)有機反應的類型一、按反應形式分類1.取代反應2.加成反應3.聚合反應4.消除反應第三節(jié)有機反應的類型一、按反應歷程分類（一）自由基反應自由基共價鍵的均裂:共價鍵斷裂時共用電子對平均分給成鍵的兩個原子,產(chǎn)生(游離基)自由基.例如：烷烴的鹵化反應歷程由游離基引起的、連續(xù)循環(huán)進行的反應稱游離基取代反應（二）離子型反應碳正離子碳負離子共價鍵的異裂：共價鍵斷裂時共用電子對為成鍵兩原子或原子或基團的某一方所占有，生成離子，稱為異裂。常發(fā)生在極性分子上。離子型反應可分為親電反應（包括取代和加成）親核反應（包括取代和加成）離子型反應：由正、負離子引起的的反應。+δ+δ－-1.親電取代反應（以苯的鹵代反應為例）2.親電加成反應（以乙烯的溴化反應為例）δ+

δ－δ+δ－3.親核取代反應（以鹵代烷的水解反應為例）4.親核加成反應（以醛、酮的簡單加成反應如：加HCN、NaHSO3等為例

）δ+δ－δ+δ－

有機化合物的結(jié)構(gòu)復雜，種類繁多，因此在學習和研究有機化學時有必要對有機化合物分類。有機化合物的分類方法有兩種，一種是按碳架結(jié)構(gòu)來分類；另一種是則是按官能團來分類。第四節(jié)有機化合物的分類和命名原則一、有機化合物的分類（一）按碳架分類1、鏈狀化合物（又稱脂肪族）2、碳環(huán)化合物脂環(huán)族化合物芳香族化合物3、雜環(huán)化合物（一）按官能團分類

化合物類別官能團或特征結(jié)構(gòu)名稱化合物舉例名稱烯烴碳碳雙鍵乙烯

炔烴碳碳三鍵乙炔

鹵代烴—X(F、Cl、Br、I)鹵素CH3CH2Cl氯乙烷

醇-OH醇羥基C2H5OH乙醇

酚–OH酚羥基C6H5OH苯酚

醚醚鍵C2H5OC2H5

乙醚

醛醛基CH3CHO乙醛

硫酚—SH巰基C6H5SH苯硫酚qiú

酮羰基CH3COCH3

丙酮

羧酸—COOH羧基CH3COOH乙酸

酯酯鍵乙酸乙酯

酐酐鍵乙酐

酰胺酰胺鍵C6H5NHCOCH3

乙酰苯胺化合物類別官能團或特征結(jié)構(gòu)名稱化合物舉例名稱硝基化合物—NO2硝基

C6H5NO2硝基苯

氨基化合物—NH2

氨基C6H5NH2

苯胺

硫醇—SH巰基C2H5SH乙硫醇

磺酸—SO3H磺酸基C6H5SO3H