有機化合物的結構和性質

關于有機化合物的結構和性質第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章有機化合物的結構和性質﹡本章重點內(nèi)容:1.有機化學研究對象與有機化合物的特點2.價鍵理論、分子軌道與雜化軌道理論3.共價鍵的形成與斷裂及鍵參數(shù)的含義4.有機化學酸堿理論5.有機化合物結構與性質的關系6.有機化學教材的知識結構體系第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月①1806年,柏則里（Berzelius）首先提出“有機化學”名詞.

②生命力學說.(OrganicChemistry)③作為一門單獨學科,有機化學奠基于18世紀中葉.

1828年,F.W?hler在實驗室由公認的無機物氰酸銨(NH4OCN)經(jīng)熱分解人工合成了有機化合物尿素(NH2CONH2),突破了生命力學說的約束,促進了有機化學的發(fā)展.此后許多以簡單的無機物為原料合成了許多其它有機化合物.1.1有機化合物和有機化學一.有機化學的發(fā)展第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月④19世紀下半葉,有機合成得到了快速發(fā)展,20世紀初開始建立了以煤焦油為原料合成染料、藥物和炸藥為主的有機化學工業(yè).⑤20世紀40年代開始發(fā)展了以石油為主要原料的有機化學工業(yè),特別是生產(chǎn)合成纖維、合成橡膠、合成樹脂和塑料為主的有機合成材料工業(yè).第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

CH二.有機化學的定義

※有機化學—研究含碳化合物的化學.凱庫勒（A.Kekulé,1829-1896).

※有機化學—研究碳氫化合物及其衍生物的化學.肖萊馬（K.Schorlemer,1834-1892).有機化學—研究含碳化合物的化學.凱庫勒（A.Kekulé,1829-1896).有機化學—研究碳氫化合物及其衍生物的化學.肖萊馬（K.Schorlemer,1834-1892).有機化學—研究含碳化合物的化學.凱庫勒（A.Kekulé,1829-1896).有機化學—研究碳氫化合物及其衍生物的化學.肖萊馬（K.Schorlemer,1834-1892).教材封面第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月自然界中碳的循環(huán)

第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

有機化學(研究含碳化合物)

成為獨立學科的原因◆有機化合物用途廣泛,遍及國民經(jīng)濟及日常生活各個領域。需要系統(tǒng)研究其性質、理論及合成方法與應用.◆典型的有機化合物與無機物的性質有著顯著的差異,需要用不同的方法和手段來進行研究.

有機化合物與無機物在性質上的差別主要是由于其結構的化學鍵差異形成的。有機化合物多為共價鍵而無機物則多為離子鍵。這就導致有機化合物有不同特點.第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月①組成元素少(C,H等),但種類繁多.

目前有機物的數(shù)目大于1400萬個，并以40萬個/年的速度遞增,原因是：A.

碳元素的結構特點:核外電子排布1s22s22p2B.

碳原子相互結合能力很強（碳鏈和碳環(huán)）C.

碳的同素異形體的存在:(1)石墨(2)金剛石(3)富勒烯C60/C701.2有機化合物的特點(包括以下五個方面)：第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月石墨的晶體結構(SP2)第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月金剛石的晶體結構(SP3)第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月足球烯(富勒烯)(SP2-SP3):第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月D.

含碳化合物之間的轉化

CH4CH3Cl...CCl4C金剛石E.不同官能團化合物之間的轉化、碳鏈的增加和減少……

導致有機化合物種類繁多的原因除了上述C原子的特殊結構以外,有機化合物中還存在同分異構現(xiàn)象.

第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

分子式相同而結構相異因而其性質也各異的不同化合物,稱為同分異構體,這種現(xiàn)象叫同分異構現(xiàn)象.例1:乙醇和二甲醚

CH3CH2-OH,CH3-O-CH3例2:丁烷和異丁烷

CH3CH2CH2CH3

CH3CHCH3CH3

＊碳化合物含有的碳原子數(shù)和原子種類越多,它的同分異構體也越多.F.

有機化合物結構上存在同分異構現(xiàn)象一.同分異構現(xiàn)象第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

構造異構:分子中各原子間相互結合的順序不同而導致的異構現(xiàn)象.例如:丁烷和異丁烷此外,有機化合物還可由于構型（順、反；Z、E；R、S）和構象不同而造成異構現(xiàn)象.

有機化合物的結構是指:分子中原子間的排列次序(構造),原子相互間的立體位置(構型),化學鍵的結合狀態(tài)(構象)以及分子中電子的分布狀態(tài)(共振)等各項內(nèi)容在內(nèi)的總稱.二.構造異構現(xiàn)象三.有機化合物的結構第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月構造構型構象的概念構造（constitution）：

分子中原子間的連接次序；構型（configuration）：

一定構造的分子中，原子和基團在空間的排布；構象（conformation）：

一定構型的分子中，由于單鍵的旋轉而導致原子和基團在空間的不同排布。構型是固定的，而構象一般是瞬間的。構型的變化須破壞化學鍵，而構象的變化則不會發(fā)生鍵的斷裂。第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②易燃燒：生成CO2和H2O

③熱穩(wěn)定性差：受熱易分解，熔點低，一般<400oC，而無機物一般熔點、沸點較高。④大多數(shù)有機物不溶或難溶于水：有機物多為非極性化合物。⑤反應較慢且較復雜：無機反應一般為離子反應，往往可瞬間完成且產(chǎn)物簡單；而有機反應一般為分子間反應，需要較高的活化能，故反應需要時間。同時，有機反應的副反應較多，一般產(chǎn)率達不到100%。第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月☆有機化合物的特點小結:組成元素少,但種類多,數(shù)目大(C結構特點及同分異構).易燃.生成CO2和H2O熔沸點、熱穩(wěn)定性低.易溶于有機溶劑,難溶于水.反應速度慢、時間長,往往伴隨副反應.

以上特點是由有機化合物中普遍存在的共價鍵決定的,因此有機化學也是研究共價鍵的形成和斷裂的科學.第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月?碳元素:核外電子排布1S22S22P2,電負性居中,不易獲得或失去價電子,易形成共價鍵.(1)路易斯結構式:用共用電子的點來表示共價鍵的結構式.(2)凱庫勒結構式:用一根短線代表一個共價鍵.路易斯結構式凱庫勒結構式1.3有機化合物中的共價鍵及形成理論C+4HCHH????????H????H—C—HHHH第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月原子軌道—原子中每個核外電子的運動狀態(tài)都可以用一個單電子的波函數(shù)（x，y，z）來描述.稱為原子軌道,因此電子云形狀也可以表達為軌道的形狀.（1）共價鍵的形成可看作是原子軌道在成鍵原子之間的

重疊(交蓋)或電子(自旋相反)配對的結果。

（2）共價鍵的飽和性—一個未成對的電子配對成鍵后就不能與其它未成對電子偶合.（3）共價鍵的方向性(最大重疊原理):兩個電子的原子軌道的重疊部分越大,形成的共價鍵就越牢固.一、量子化學的價鍵理論（定域理論）:方向性決定分子空間構型，因而影響分子性質.第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)當原子組成分子時,形成共價鍵的電子運動于整個分子區(qū)域.(2)

分子中價電子的運動狀態(tài),即分子軌道,用波函數(shù)來描述;(薛定諤方程的解)(3)

分子軌道由原子軌道線性組合形成(LCAO),形成的軌道數(shù)與參與成鍵的原子軌道數(shù)相等.1=1+2(符號相同,即:波相相同.成鍵軌道)2=1-2(符號不同,即:波相相反.反鍵軌道)二、分子軌道理論（離域理論）第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)每個分子軌道只能容納兩個自旋相反的電子.(5)電子總是首先進入能量低的分子軌道.2個氫原子軌道線性組合組成2個氫分子軌道成鍵軌道1=1+2反鍵軌道2=1-2第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(6)共價鍵具有方向性(最大重疊原理):2p1syx1s2pyx（a）x軸方向結合成鍵（b）非x軸方向重疊較小不能形成鍵第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月對稱性匹配(位相相同)。最大重疊(成鍵的方向性)。能量相近(雜化軌道)。

如何使原子軌道的能量相近呢?分子軌道形成時必須滿足三個條件：第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月三、雜化軌道理論2p

———2s—1s—能量碳原子基態(tài)的電子構型第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2p———2s—1s—一個2s電子激發(fā)至能量較高的2pz空軌道只需要402kJ/mol.能量2p———2s—1s—————基態(tài)激發(fā)態(tài)sp3雜化態(tài)碳原子2s電子的激發(fā)和sp3雜化第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

C采取sp3雜化軌道與4個H原子的s原子軌道形成4個sp3-s型的C-H鍵(CH4)比形成CH2要穩(wěn)定的多.(414×4-402)kJ/mol。形成CH4

時仍有約1255kJ/mol能量釋放出。所以這個體系CH4比形成兩個共價鍵的CH2穩(wěn)定的多。這四個sp3雜化軌道的能量是相等的,每一軌道相等于1/4s成分,3/4p成分.sp3雜化軌道的圖形第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)鍵長——兩個成鍵原子的原子核之間的距離.(不同化合物中同一類型的共價鍵也可能稍有不同,平均鍵長)(2)鍵角(方向性)——任何一個兩價以上的原子,與其它原子所形成的兩個共價鍵之間的夾角.(3)鍵能

——氣態(tài)原子A和氣態(tài)原子B結合成氣態(tài)A-B分子所放出的能量,也就是氣態(tài)分子A-B離解成A和B兩個原子(氣態(tài))時所吸收的能量.(泛指多原子分子中幾個同類型鍵的離解能的平均值).離解能——一個共價鍵離解所需的能量.(指離解特定共價鍵的鍵能,例如甲烷中四個C-H鍵的離解能是不同的).1.4有機化合物中共價鍵的鍵參數(shù)第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)鍵的極性和元素的電負性等性雙原子分子H—H，Cl—Cl等的成鍵電子云對稱分布于兩個原子之間，分子的偶極矩為０，這樣的共價鍵沒有極性。下列化合物有極性（成鍵原子電負性不同）：

H(+)Cl(-)

（極性共價鍵）

H3C(+)

Cl(-)

（極性共價鍵）部分負電荷（-）部分正電荷（+）誘導效應CH3→

CH2→

CH2→

Cl-+++第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月電負性——一個元素吸引電子的能力。偶極矩——正電中心或負電中心的電荷與兩個電荷中心之間的距離d的乘積.(方向性:正到負,一般用符號表示。qd(D,德拜)

在雙原子組成的分子中，鍵的極性就是分子的極性，鍵的偶極矩就是分子的偶極矩。在多原子組成的分子中，分子的偶極矩是分子中各個鍵的偶極矩的向量和。H—ClCH3—ClH—CC—Hμ=1.03Dμ=1.87Dμ=0第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月＊鍵參數(shù)的含義鍵長及鍵能:反映鍵的強度,即分子的穩(wěn)定性.鍵長越短,鍵能越強,分子越穩(wěn)定.鍵角:反映分子的空間構型.鍵的偶極距及鍵的極性:反映鍵的斷裂能力,與反應活性相關.第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)均裂:

兩個原子之間的共用電子對均勻分裂,兩個原子各保留一個電子的斷裂方式.產(chǎn)生活潑的自由基(游離基).

A:BA·+B·例如：

Cl:Cl(光照)Cl·+Cl·CH4+Cl·CH3·+H:Cl

＊有自由基參與的反應叫自由基反應.

1.5共價鍵的斷裂--均裂與異裂第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)異裂:

共價鍵斷裂時,兩原子間的共用電子對完全轉移到其中的一個原子上的斷裂方式.結果產(chǎn)生正、負離子(有正或負離子參與的反應叫離子型反應).

A:BA++B-例如：(CH3)3C:Cl

(CH3)3C++Cl-(3)協(xié)同反應——舊鍵的斷裂和新鍵的生成同時發(fā)生的反應。反應過程中無任何活性中間體,沒有明顯分步的共價鍵均裂或異裂.例如：D-A雙烯加成反應.第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月凡是能給出質子的物質叫酸,凡是能與質子結合的物質叫堿.在有機化學中的酸堿一般指此類.酸給出質子后即形成了該酸的共軛堿，堿則反之。

1.6有機化學中的酸堿概念(1)布倫斯特(Bronsted)質子酸堿理論強酸的共軛堿必是弱堿（如：HCl和Cl-）弱酸（CH3COOH）的共軛堿是強堿（CH3COO-）酸堿的概念是相對的：如HSO4-(既是酸,也是堿)第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月凡是能接受外來電子對的都叫做酸,凡是能給予電子對的都叫做堿.酸和堿又可分別稱為電子對的受體和給體.(2)路易斯(Lewis)電子酸堿理論第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

B的核外電子排布:1s22s22p1;

Al的核外電子排布:1s22s22p６3s23p1

BF3(酸)+:

NH3(堿)

F3B-NH3sp3

AlCl3(酸)+:

Cl-(堿)

Cl3Al-Cl=AlCl4-

缺電子化合物:共價性高,有空軌道.能接受外來電子對，是Lewis酸第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月路易斯(L)酸：能接受外來電子對,具有親電性.在反應時,有親近另一分子的負電荷中心的傾向,又叫親電試劑.路易斯(L)堿：能給予電子對,具有親核性.在反應時,有親近另一分子的正電荷中心的傾向,又叫親核試劑(“核”作為正電荷的同義語).如：(3)親電性與親電試劑;親核性與親核試劑HO-+CH3—ICH3—OH+I-

??????δ+δ-第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)酸的強弱

HA+H2OH3O++A-

Keq=[H3O+][A-]/[HA][H2O]

在稀水溶液中的酸性常數(shù)Ka

:

Ka=Keq[H2O]=[H3O+][A-]/[HA]

一般以pKa值(pKa=-lgKa

)來表示酸的強弱;pKa值越低酸性越強.(4)酸堿的強弱和酸堿反應

有機化學中酸堿的強弱一般指布倫斯特酸堿.第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)堿的強弱同理堿強度以pKb表示,也常用其共軛酸的pKa值來表示.共軛酸強則其共軛堿是個弱堿.(3)

酸堿的強弱和酸堿反應利用各化合物的pKa值來預測酸堿反應的進行,例:

CH3COOH+OH-CH3COO-+H-OH乙酸(pKa=4.72)

共軛堿(強)共軛堿(弱)水(pKa=15.74)

乙酸的酸性比水強質子的轉移總是由弱堿轉移到強堿反應向右進行.第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)開鏈族化合物(脂肪族化合物):

1.7有機化合物的分類一.按碳鏈分類第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)碳環(huán)族化合物(化合物由碳原子構成碳環(huán))

A:脂環(huán)族化合物:

B:芳香族化合物:(3)雜環(huán)化合物:第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月按分子中含有相同的、容易發(fā)生某些特征反應的原子或原子團及特征化學鍵結構進行分類:①原子(如鹵素原子)②原子團(如:羥基

-OH、醛基-CHO、羰基>C=O、羧基

-COOH、硝基-NO2，氨基-NH2、腈基-CN等)③某些特征化學鍵結構(如雙鍵>C=C<、叁鍵-

CC-

)等分類.

含有相同官能團的有機化合物具有類似的物理化學性質，所以按官能團分類為研究復雜的有機化合物提供了系統(tǒng)方便的研究方法,確定了有機化學的知識結構主線.二.按官能團分類第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月有機化學教材的主線:根據(jù)官能團的不同，可以將有機化合物分為烷烴、烯烴、炔烴、脂環(huán)烴、芳香烴、鹵代烴、醇和醚、酚和醌、醛和酮、羧酸及其衍生物、硝基化合物、胺和腈、重氮和偶氮化合物、雜環(huán)化合物等等.第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.8有機化學的發(fā)展及學習有機化學的重要性

①有機化學是一門迅速發(fā)展的學科當代有機化學發(fā)展的重要趨勢：與生命及物理科學的結合。第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

②有機化學的研究任務與方法

有機化學的重要任務是發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象（如新反應、新化合物、新性質等）和認識新規(guī)律（如反應機理、結構與物性的關系等）。因此有機化學是從分子水平研究自然界物質變化的一門科學。其研究過程和方法一般為：有機化合物的合成有機化合物的分離提純（結晶、蒸餾、升華、萃取、層析等方法）有機化合物的結構分析(紅外、核磁

、質譜等)第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月③有機化學研究面臨的問題與研究熱點

和世界上大多數(shù)國家一樣，我國化學和化學工業(yè)的實際情況是：1.石油、煤炭、天然氣是不可再生的、日漸枯竭的、主要依賴的、造成了嚴重環(huán)境污染的能源；2.礦物資源沒有得到環(huán)境友好的利用，制約了化學與冶金工業(yè)與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展；大量生物再生資源浪費，缺乏戰(zhàn)略與基礎研究。※能源與環(huán)境資源問題※第47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

未來五十年內(nèi)的化學研究重點是有機化學與

物理化學、生物化學等學科的交叉發(fā)展;研究熱點包括生物技術、材料技術、催化技術的開發(fā)與應用.

例如：◆光解水制和H2和O2（氫作為經(jīng)濟的原料）；◆CO2作為原料用于化工生產(chǎn)；◆藥物合成與應用中的超分子催化反應；◆復合高分子材料替代大多數(shù)金屬與合金（航天）；◆化工原料由石油烴轉移到再生生物資源(生物質能源)；◆由活體植物生產(chǎn)化工產(chǎn)品（彩棉）……

這些都與有機化學密切相關,也是有機化學的研究熱點！第48頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月④學習有機化學的重要意義:有機化學是一門基礎課，也是化學工程與工藝、生物工程、材料科學、環(huán)境科學、藥物合成、食品科學、工業(yè)分析、選礦等專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，掌握有機化學的知識體系，是大學今后的專業(yè)課學習和以后的工作的重要基礎。第49頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2