《有機化學進展》課件

《有機化學進展》歡迎來到《有機化學進展》的世界！本課程將帶您深入了解有機化學的核心概念、重要反應和最新進展。通過本課程的學習，您將掌握有機化合物的結構、性質、反應規(guī)律以及有機合成的基本策略。讓我們一起探索有機化學的奧秘，開啟化學之旅！有機化學的定義與范圍定義有機化學是研究含有碳元素的化合物的結構、性質、組成、反應和制備方法的科學。例外情況包括碳的氧化物、碳酸鹽等。范圍有機化學涉及的化合物種類繁多，涵蓋了生物、醫(yī)藥、材料、能源等眾多領域。它與人類生活息息相關，是現(xiàn)代化學的重要組成部分。有機化學的重要性與應用醫(yī)藥領域藥物的合成與研發(fā)離不開有機化學。許多藥物是有機化合物，有機化學家通過合成和修飾有機分子來開發(fā)新型藥物，治療疾病。材料科學高分子材料、塑料、橡膠等有機材料在現(xiàn)代社會中應用廣泛。有機化學家設計和合成具有特定性質的有機材料，滿足不同領域的需求。能源領域石油、天然氣等化石燃料是有機化合物的混合物。有機化學家研究這些燃料的組成、性質和轉化，為能源開發(fā)和利用提供理論基礎。有機化學發(fā)展簡史1早期早期人們認為有機化合物只能由生物體合成，存在一種特殊的“生命力”。2維勒合成尿素1828年，維勒首次用無機物合成了有機物尿素，打破了“生命力”的說法，標志著有機化學的誕生。3科爾貝合成乙酸科爾貝合成了乙酸，進一步證明了有機化合物可以通過化學方法合成。4現(xiàn)代有機化學隨著科學技術的進步，有機化學得到了迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新的理論和方法，為人類社會做出了巨大貢獻。有機化合物的結構表示法分子式用元素符號表示分子中各元素的原子種類和數目的式子。例如，乙醇的分子式為C?H?O。結構式用短線表示分子中原子之間的連接方式的式子。例如，乙醇的結構式為CH?CH?OH。結構簡式將結構式中的部分化學鍵省略的式子。例如，乙醇的結構簡式為C?H?OH。鍵線式用線段表示碳碳鍵，線段的端點和拐點表示碳原子，氫原子省略不寫。例如，環(huán)己烷的鍵線式為一個六邊形。共價鍵與分子軌道理論回顧共價鍵原子之間通過共用電子對形成的化學鍵。例如，氫分子中的氫-氫鍵。1σ鍵原子軌道沿鍵軸方向重疊形成的共價鍵。2π鍵原子軌道垂直于鍵軸方向重疊形成的共價鍵。3分子軌道理論原子軌道線性組合成新的分子軌道，包括成鍵軌道和反鍵軌道。4雜化軌道理論在有機化學中的應用1sp雜化形成兩個sp雜化軌道，用于形成直線型分子，如乙炔。2sp2雜化形成三個sp2雜化軌道，用于形成平面三角形分子，如乙烯。3sp3雜化形成四個sp3雜化軌道，用于形成四面體型分子，如甲烷。誘導效應與共軛效應1誘導效應由于電負性不同，原子之間通過σ鍵產生的電子云偏移現(xiàn)象。2+I效應供電子基團，如烷基。3-I效應吸電子基團，如鹵素。影響酸堿性的因素電負性電負性越大的原子，越容易帶負電荷，其氫化物酸性越強。鍵長鍵長越長的氫化物，越容易斷裂，其酸性越強。共振穩(wěn)定性共振結構越多的共軛堿，越穩(wěn)定，其酸性越強。烷烴：結構、命名與性質結構只含有碳碳單鍵和碳氫單鍵的飽和烴。烷烴分子中的碳原子呈四面體結構。命名根據碳鏈的長度命名。1-10個碳原子的烷烴分別命名為甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷。性質烷烴的化學性質相對穩(wěn)定，不容易發(fā)生反應。常見的反應有燃燒、鹵代、硝化、磺化等。烷烴的物理性質1沸點隨著碳原子數的增加，烷烴的沸點逐漸升高。支鏈烷烴的沸點低于直鏈烷烴。2熔點隨著碳原子數的增加，烷烴的熔點逐漸升高。對稱性好的烷烴熔點較高。3密度烷烴的密度隨著碳原子數的增加而增大，但通常小于1g/mL。4溶解性烷烴是非極性分子，不溶于水，易溶于有機溶劑。烷烴的化學性質：鹵代、硝化、磺化鹵代烷烴在光照或高溫下與鹵素發(fā)生取代反應，生成鹵代烷烴。反應活性：F?>Cl?>Br?>I?。硝化烷烴在高溫下與濃硝酸發(fā)生取代反應，生成硝基烷烴?；腔闊N在高溫下與發(fā)煙硫酸發(fā)生取代反應，生成烷基磺酸。環(huán)烷烴：結構與性質1結構含有碳環(huán)的飽和烴。常見的環(huán)烷烴有環(huán)丙烷、環(huán)丁烷、環(huán)戊烷、環(huán)己烷等。2張力環(huán)丙烷和環(huán)丁烷由于鍵角偏離正常四面體角，存在環(huán)張力，容易發(fā)生開環(huán)反應。3構象環(huán)己烷存在椅式構象和船式構象，其中椅式構象更加穩(wěn)定。立體化學基礎：手性與對映異構體手性分子與其鏡像不重合的性質。手性分子通常含有一個手性碳原子，即連接四個不同基團的碳原子。對映異構體互為鏡像且不能重合的異構體。對映異構體具有相同的物理性質，但旋光性相反。旋光性手性物質使偏振光發(fā)生旋轉的性質。右旋用(+)表示，左旋用(-)表示。對映異構體的分離方法手性拆分將外消旋體與手性拆分劑反應，生成非對映異構體，然后利用非對映異構體物理性質的差異進行分離。1手性色譜利用手性固定相進行色譜分離，對映異構體與手性固定相的相互作用不同，從而實現(xiàn)分離。2生物方法利用微生物或酶的選擇性反應，將外消旋體中的一種對映異構體轉化成另一種物質，從而實現(xiàn)分離。3外消旋體的概念與性質1外消旋體等量的兩種對映異構體的混合物。外消旋體不具有旋光性。2物理性質外消旋體的熔點通常低于純對映異構體，溶解度也可能不同。3化學性質外消旋體在非手性環(huán)境下與純對映異構體表現(xiàn)出相同的化學性質。構象異構：乙烷與丁烷的構象分析1乙烷乙烷存在重疊式構象和交叉式構象，其中交叉式構象更加穩(wěn)定。2丁烷丁烷存在全重疊式、部分重疊式、鄰位交叉式、對位交叉式等構象，其中對位交叉式構象最為穩(wěn)定。烯烴：結構、命名與性質結構含有碳碳雙鍵的不飽和烴。烯烴分子中的碳原子呈平面三角形結構。命名選擇含有雙鍵的最長碳鏈作為主鏈，將雙鍵的位置用數字標明，命名為“某烯”。性質烯烴容易發(fā)生加成反應，如親電加成、自由基加成等。烯烴的加成反應：親電加成、自由基加成親電加成烯烴與親電試劑（如鹵素、鹵化氫）發(fā)生加成反應，生成鄰二鹵代物或鹵代烷烴。反應遵循馬氏規(guī)則。自由基加成烯烴在過氧化物存在下與鹵化氫發(fā)生加成反應，生成鹵代烷烴。反應遵循反馬氏規(guī)則。馬氏規(guī)則與反馬氏規(guī)則1馬氏規(guī)則在親電加成反應中，親電試劑的氫原子加到含氫較多的碳原子上，鹵原子加到含氫較少的碳原子上。2反馬氏規(guī)則在自由基加成反應中，氫原子加到含氫較少的碳原子上，鹵原子加到含氫較多的碳原子上。烯烴的氧化反應：環(huán)氧化、高錳酸鉀氧化環(huán)氧化烯烴與過氧酸反應，生成環(huán)氧化合物。高錳酸鉀氧化烯烴與高錳酸鉀溶液反應，生成鄰二醇。若條件劇烈，則發(fā)生斷裂，生成羧酸或酮。二烯烴：共軛二烯烴、累積二烯烴1結構含有兩個碳碳雙鍵的烴。2共軛二烯烴兩個雙鍵之間相隔一個單鍵，如1,3-丁二烯。3累積二烯烴兩個雙鍵相鄰，如丙二烯。4孤立二烯烴兩個雙鍵之間相隔兩個或兩個以上的單鍵。炔烴：結構、命名與性質結構含有碳碳三鍵的不飽和烴。炔烴分子中的碳原子呈直線型結構。命名選擇含有三鍵的最長碳鏈作為主鏈，將三鍵的位置用數字標明，命名為“某炔”。性質炔烴容易發(fā)生加成反應，末端炔烴具有一定的酸性。炔烴的加成反應加氫炔烴在催化劑作用下與氫氣發(fā)生加成反應，可以生成烯烴或烷烴。1鹵代炔烴與鹵素發(fā)生加成反應，生成四鹵代物。2鹵化氫加成炔烴與鹵化氫發(fā)生加成反應，遵循馬氏規(guī)則。3炔烴的氧化反應1臭氧化炔烴與臭氧反應，生成羧酸。2高錳酸鉀氧化炔烴與高錳酸鉀溶液反應，發(fā)生斷裂，生成羧酸。芳香烴：苯的結構與性質1結構苯分子為平面六邊形結構，六個碳原子sp2雜化，形成一個大的π鍵。2性質苯具有特殊的穩(wěn)定性，不容易發(fā)生加成反應，容易發(fā)生親電取代反應。苯的親電取代反應：鹵代、硝化、磺化、傅-克反應鹵代苯在催化劑作用下與鹵素發(fā)生取代反應，生成鹵代苯。硝化苯與濃硝酸在濃硫酸催化下發(fā)生取代反應，生成硝基苯?；腔脚c發(fā)煙硫酸發(fā)生取代反應，生成苯磺酸。傅-克反應苯在路易斯酸催化下與鹵代烷或酰鹵發(fā)生取代反應，分別生成烷基苯或?；健Ｈ〈降挠H電取代反應的定位規(guī)則鄰對位定位基具有孤對電子的基團，如-OH,-NH?,-OR,-X等，可以穩(wěn)定正碳離子中間體，使親電試劑優(yōu)先取代在鄰位和對位。間位定位基吸電子基團，如-NO?,-CN,-COOH,-SO?H等，會使鄰位和對位的正碳離子中間體不穩(wěn)定，使親電試劑優(yōu)先取代在間位。多環(huán)芳烴：萘、蒽、菲1萘由兩個苯環(huán)稠合而成，具有芳香性，容易發(fā)生親電取代反應。2蒽由三個苯環(huán)線性稠合而成，具有芳香性，容易發(fā)生親電取代反應。3菲由三個苯環(huán)角度稠合而成，具有芳香性，容易發(fā)生親電取代反應。鹵代烴：結構、命名與性質結構烴分子中的一個或多個氫原子被鹵素原子取代的化合物。命名將鹵素原子作為取代基，命名為“某鹵代某烷”。性質鹵代烴可以發(fā)生SN1、SN2、消除等反應。鹵代烴的SN1與SN2反應機理1SN1反應單分子親核取代反應，分為兩步：第一步是鹵代烴解離生成碳正離子，第二步是親核試劑進攻碳正離子。2SN2反應雙分子親核取代反應，親核試劑從鹵代烴的背面進攻碳原子，同時鹵素原子離去，形成過渡態(tài)。影響SN1與SN2反應速率的因素鹵代烴的結構SN1反應：叔鹵代烴>仲鹵代烴>伯鹵代烴。SN2反應：伯鹵代烴>仲鹵代烴>叔鹵代烴。親核試劑的強度SN1反應：親核試劑強度影響不大。SN2反應：強親核試劑有利于反應。溶劑SN1反應：極性溶劑有利于反應。SN2反應：非極性溶劑有利于反應。離去基團離去基團的離去能力越強，反應速率越快。醇：結構、命名與性質結構含有羥基(-OH)的有機化合物。1命名選擇含有羥基的最長碳鏈作為主鏈，將羥基的位置用數字標明，命名為“某醇”。2性質醇可以發(fā)生酯化、醚化、氧化等反應。3醇的酸堿性1酸性醇可以與活潑金屬反應，生成醇鹽和氫氣。醇的酸性弱于水。2堿性醇分子中的氧原子具有孤對電子，可以與質子結合，表現(xiàn)出一定的堿性。醇的反應：酯化、醚化、氧化1酯化醇與羧酸在酸催化下發(fā)生酯化反應，生成酯和水。2醚化醇在酸催化下脫水，生成醚。3氧化伯醇氧化生成醛，醛進一步氧化生成羧酸；仲醇氧化生成酮；叔醇不容易被氧化。醚：結構、命名與性質結構含有醚鍵(R-O-R')的有機化合物。命名將連接在氧原子上的兩個基團分別命名，然后命名為“某醚”。性質醚的化學性質相對穩(wěn)定，不容易發(fā)生反應。常見的反應有醚鍵的斷裂。醚的反應：醚鍵的斷裂酸催化斷裂醚在強酸作用下發(fā)生斷裂，生成醇和鹵代烴。環(huán)醚：環(huán)氧乙烷的開環(huán)反應1酸性條件環(huán)氧乙烷在酸性條件下開環(huán)，生成鄰二醇。2堿性條件環(huán)氧乙烷在堿性條件下開環(huán)，生成鄰二醇。醛與酮：結構、命名與性質結構含有羰基(C=O)的有機化合物。醛的羰基連接一個氫原子和一個烷基，酮的羰基連接兩個烷基。命名醛命名為“某醛”，酮命名為“某酮”。性質醛和酮可以發(fā)生親核加成、氧化還原等反應。醛與酮的親核加成反應1與醇的加成醛與醇加成生成半縮醛，酮與醇加成生成半縮酮。2與格氏試劑的加成醛或酮與格氏試劑加成，水解后生成醇。3與氰化氫的加成醛或酮與氰化氫加成，生成α-羥基腈。醛與酮的氧化還原反應氧化醛容易被氧化成羧酸，酮不容易被氧化。還原醛或酮可以被還原成醇?？嵩_反應與維蒂希反應卡尼扎羅反應沒有α-氫的醛在強堿作用下發(fā)生自身氧化還原反應，生成醇和羧酸鹽。1維蒂希反應醛或酮與葉立德反應，生成烯烴。2羧酸：結構、命名與性質1結構含有羧基(-COOH)的有機化合物。2命名選擇含有羧基的最長碳鏈作為主鏈，命名為“某酸”。3性質羧酸具有酸性，可以發(fā)生酯化、酰氯化等反應。羧酸的酸性1酸性羧酸可以與堿反應，生成羧酸鹽和水。羧酸的酸性強于醇和酚。2影響因素吸電子基團可以增強羧酸的酸性，供電子基團可以減弱羧酸的酸性。羧酸的反應：酯化、酰氯化酯化羧酸與醇在酸催化下發(fā)生酯化反應，生成酯和水。酰氯化羧酸與氯化亞砜、五氯化磷等反應，生成酰氯。羧酸衍生物：酯、酰胺、酰鹵、酸酐酯羧酸分子中的羥基被烷氧基取代的化合物。酰胺羧酸分子中的羥基被氨基或取代氨基取代的化合物。酰鹵羧酸分子中的羥基被鹵素原子取代的化合物。酸酐兩個羧酸分子脫水形成的化合物。酯的水解反應1酸性水解酯在酸催化下水解，生成羧酸和醇。2堿性水解酯在堿作用下水解，生成羧酸鹽和醇。酰胺的水解反應酸性水解酰胺在酸催化下水解，生成羧酸和銨鹽。堿性水解酰胺在堿作用下水解，生成羧酸鹽和胺。胺：結構、命名與性質1結構氨分子中的一個或多個氫原子被烷基或芳基取代的化合物。2命名將連接在氮原子上的基團分別命名，然后命名為“某胺”。3性質胺具有堿性，可以發(fā)生?；?、季銨化等反應。胺的堿性堿性胺可以與酸反應，生成銨鹽。胺的堿性強于醇和醚，但弱于氫氧化物。影響因素供電子基團可以增強胺的堿性，吸電子基團可以減弱胺的堿性。胺的反應：?；⒓句@化?；放c酰鹵或酸酐反應，生成酰胺。1季銨化胺與鹵代烷反應，生成季銨鹽。2雜環(huán)化合物：吡咯、呋喃、噻吩1吡咯含有五元環(huán)，環(huán)中包含一個氮原子。2呋喃含有五元環(huán)，環(huán)中包含一個氧原子。3噻吩含有五元環(huán)，環(huán)中包含一個硫原子。吡啶的性質與反應1性質吡啶具有芳香性，堿性較弱，容易發(fā)生親電取代反應和親核取代反應。糖類：單糖、二糖、多糖單糖不能再水解成更小