有机化合物的结构和性质课件.ppt

1、第一章第一章 有机化合物的结构和性质有机化合物的结构和性质有机化学有机化学 Organic Chemistry 有机化合物的特点；有机化合物的特点；有机化合物中共价键的性质；有机化合物中共价键的性质；有机化学中酸碱的概念有机化学中酸碱的概念。第一章第一章 有机化合物的结构和性质有机化合物的结构和性质本章重点：本章重点：有机化学有机化学是化学的一个分支，他是研究有机化合物的化学。是化学的一个分支，他是研究有机化合物的化学。人们对有人们对有机物的认识逐渐由浅入深，把它变成一门重要的科学。人类使用有机物的机物的认识逐渐由浅入深，把它变成一门重要的科学。人类使用有机物的历史虽然很长，但是对纯有机物的认

2、识和取得是近代的事情。历史虽然很长，但是对纯有机物的认识和取得是近代的事情。1773年，罗勒首次从哺乳动物的尿中取得了纯的尿素。随后人们从葡萄年，罗勒首次从哺乳动物的尿中取得了纯的尿素。随后人们从葡萄汁内取得酒石酸，从柠檬汁内取得柠檬酸，从酸牛奶中取得乳酸汁内取得酒石酸，从柠檬汁内取得柠檬酸，从酸牛奶中取得乳酸1805年，从鸦片中取得吗啡（提取的第一个生物碱）年，从鸦片中取得吗啡（提取的第一个生物碱）1806年，贝采利乌斯年，贝采利乌斯（瑞典）首次引用了（瑞典）首次引用了“有机化学有机化学”这个概念，将有这个概念，将有机物与无机物断然分开，提出有机物只能在生命力的作用下才会产生（机物与无机物断

3、然分开，提出有机物只能在生命力的作用下才会产生（生生命力论命力论），人工合成是不可能的。这种思想一度阻碍了有机化学的发展。），人工合成是不可能的。这种思想一度阻碍了有机化学的发展。第一章第一章 有机化合物的结构和性质有机化合物的结构和性质1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学一一.有机化学的发展有机化学的发展NH4OCNH2NCNH2O直到直到1845年柯尔伯合成了乙酸，年柯尔伯合成了乙酸，1854年柏赛罗合成了油脂等，年柏赛罗合成了油脂等，“生命力论生命力论”才彻底被否定，开辟了人工合成有机物的时代。才彻底被否定，开辟了人工合成有机物的时代。1828年，维勒（德国），在合成氰酸铵时

4、意外地得到了尿素，是第一个年，维勒（德国），在合成氰酸铵时意外地得到了尿素，是第一个人工合成的有机化合物。这个重要发现没有马上得到化学家的重视，人工合成的有机化合物。这个重要发现没有马上得到化学家的重视，1874年，肖莱马提出了更确切的有机化学的定义年，肖莱马提出了更确切的有机化学的定义 19世纪下半叶世纪下半叶,有机合成得到了快速发展有机合成得到了快速发展,20世纪初开始建立了以世纪初开始建立了以煤焦油煤焦油 为原料合成染料、药物和炸药为主的有机化学工业为原料合成染料、药物和炸药为主的有机化学工业.20世纪世纪40年代开始发展了以年代开始发展了以石油石油为主要原料的有机化学工业为主要原料的有

5、机化学工业,特别是生产特别是生产合合 成纤维成纤维、合成橡胶、合成橡胶、合成树脂和塑料为主的有机合成材料工业合成树脂和塑料为主的有机合成材料工业.合成高分子：合成纤维、塑料、合成橡胶合成高分子：合成纤维、塑料、合成橡胶涤纶涤纶尼龙尼龙芳纶纤维织芳纶纤维织成的防弹衣成的防弹衣腈腈纶纶橡橡胶胶产产品品现在人们不仅合成自然界中存在的有现在人们不仅合成自然界中存在的有机物，而且合成自然界中不存在的有机物，而且合成自然界中不存在的有机物，满足人们的生产、生活的需要机物，满足人们的生产、生活的需要如：三大合成材料、如：三大合成材料、合成药物、一些特合成药物、一些特殊性能的有机材料殊性能的有机材料人造心脏人

6、工肾脏人工肾脏人工膝关节人工膝关节人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜 角膜接触镜，俗称角膜接触镜，俗称隐形眼镜隐形眼镜。目前大量使用的。目前大量使用的软质隐形眼镜。隐形眼镜常用以下软质隐形眼镜。隐形眼镜常用以下材料材料制成：制成：1.1.硅氧烷和丙烯酸酯的共聚物（硅氧烷和丙烯酸酯的共聚物（硬硬）2.2.聚甲基丙烯酸羟乙酯（聚甲基丙烯酸羟乙酯（软软）有机化合物的主要特征有机化合物的主要特征:都含有碳原子都含有碳原子,即都即都是含碳化合物是含碳化合物.二二.有机化学的定义有机化学的定义 有机化学有机化学就是研究就是研究含碳含碳化合物的化学化合物的化学.Organic Chemistry is the Che

7、mistry of Carbon Compounds 绝大多数有机化合物也都含有氢绝大多数有机化合物也都含有氢,从结构上看从结构上看,所有所有的有机化合物都可以看作碳氢化合物以及从碳氢化合的有机化合物都可以看作碳氢化合物以及从碳氢化合物衍生而得的化合物（封面物衍生而得的化合物（封面CH）。）。当然当然,对对CO、CO2、CO32-等简单化合物习惯上还等简单化合物习惯上还是称作无机化合物是称作无机化合物.有机化学有机化学 就是研究就是研究碳氢碳氢化合物及其衍生物的化学化合物及其衍生物的化学.绝大多数有机物只是由碳，氢，氧，卤素，硫和绝大多数有机物只是由碳，氢，氧，卤素，硫和 磷等少数元素组成磷等

8、少数元素组成,但种类繁多。但种类繁多。碳元素碳元素:核外电子排布核外电子排布 1s22s22p2 碳原子相互结合能力很强（碳链和碳环）碳原子相互结合能力很强（碳链和碳环）碳的同素异形体碳的同素异形体:(1)石墨石墨(graphite):六方晶系层状结构六方晶系层状结构(2)金刚石（金刚石（diamond):立方晶系，面心立方点阵立方晶系，面心立方点阵(3)球烯球烯（富勒烯）（富勒烯）（C60/C70）：球形或椭球形）：球形或椭球形1.2 有机化合物的特点有机化合物的特点石墨的晶体结构石墨的晶体结构(SP2)金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构(SP3)足球烯足球烯(富勒烯富勒烯)(Football

9、ene):单纯单纯由碳元素结合形成的稳定分子，具由碳元素结合形成的稳定分子，具有有60个顶点和个顶点和32个面，其中个面，其中12个面个面为正五边形，为正五边形，20个面为正六边形，个面为正六边形，整个分子形似足球。具有整个分子形似足球。具有芳香性芳香性。C60/C70中的碳原子处于中的碳原子处于 (SP2-SP3)中间过渡态。中间过渡态。分子式相同而结构相异因而其性质也各异的分子式相同而结构相异因而其性质也各异的不同不同化合物化合物,称为同分异构体称为同分异构体,这种现象叫同分异构现象这种现象叫同分异构现象.例例1:乙醇和二甲醚乙醇和二甲醚 CH3CH2-OH,CH3-O-CH3例例2:丁烷

10、和异丁烷丁烷和异丁烷 CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3 CH31.2.1 有机化合物结构上的主要特点有机化合物结构上的主要特点:一一.同分异构现象同分异构现象 碳化合物含有的碳原子数和原子种类越多碳化合物含有的碳原子数和原子种类越多,它的同它的同分异构体也越多分异构体也越多.如如:C7H16的同分异构体数的同分异构体数 9 个个.C8H18的同分异构体数可达的同分异构体数可达18个个.C10H22的同分异构体数可达的同分异构体数可达75个个.例如丁烷和异丁烷异构例如丁烷和异丁烷异构,只是分子中各原子间相互只是分子中各原子间相互结合的顺序不同而引起的结合的顺序不同而引起的,这只是这只是

11、构造构造不同而导致的异不同而导致的异构现象构现象,又叫做构造异构现象又叫做构造异构现象.此外此外,有机化合物还可由于有机化合物还可由于构型（顺、反；构型（顺、反；Z、E；R、S）和和构象构象不同而造成异构现象不同而造成异构现象.是指是指:分子中原子间的排列次序分子中原子间的排列次序,原子相互间的立原子相互间的立体位置体位置,化学键的结合状态以及分子中电子的分布状态化学键的结合状态以及分子中电子的分布状态等各项内容在内的总称等各项内容在内的总称.二二.构造异构现象构造异构现象三三.化合物的结构化合物的结构与无机物与无机物,无机盐相比无机盐相比,有机化合物一般有以下特点有机化合物一般有以下特点:(

12、1)大多数有机化合物可以燃烧大多数有机化合物可以燃烧(如汽油如汽油).(2)一般有机化合物热稳定性较差一般有机化合物热稳定性较差,易受热分解易受热分解.许多有机化合物在许多有机化合物在200300时就逐渐分解时就逐渐分解.(3)许多有机化合物在常温下为气体许多有机化合物在常温下为气体 、液体、液体.常温下为固体的有机化合物常温下为固体的有机化合物,其熔点一般也很低其熔点一般也很低,一一 般很少超过般很少超过300,因为有机化合物晶体一般是由较因为有机化合物晶体一般是由较 弱的分子间力维持所致弱的分子间力维持所致.1.2.2 有机化合物性质上的特点有机化合物性质上的特点(4)一般有机化合物的极性

13、较弱或没有极性一般有机化合物的极性较弱或没有极性.水是极性强水是极性强,介电常数很大的液体介电常数很大的液体,一般有机物难溶一般有机物难溶于水或不溶于水于水或不溶于水.而易溶于某些有机溶剂而易溶于某些有机溶剂(苯、乙醚、苯、乙醚、丙酮丙酮、石油醚、石油醚).但一些极性强的有机物但一些极性强的有机物,如低级醇如低级醇、羧酸羧酸、磺酸等也溶于水、磺酸等也溶于水.(5)有机物的反应多数不是离子反应有机物的反应多数不是离子反应,而是分子而是分子间的反应间的反应.除自由基型反应外除自由基型反应外,大多数反应需要大多数反应需要一定的时间一定的时间.为加速反应为加速反应,往往需要加热、加催化剂或光照等手往往

14、需要加热、加催化剂或光照等手段来增加分子动能、降低活化能或改变反应历程来段来增加分子动能、降低活化能或改变反应历程来缩短反应时间缩短反应时间.(6)有机反应往往不是单一反应有机反应往往不是单一反应.(.(主反应和副主反应和副反应反应).碳元素碳元素:核外电子排布核外电子排布 1S22S22P2,不易获得或不易获得或失去价电子失去价电子,易形成共价键易形成共价键.(1)路易斯结构式路易斯结构式:用共用电子的点来表示共价用共用电子的点来表示共价键的结构式键的结构式.(2)凯库勒结构式凯库勒结构式:用一根短线代表一个共价键用一根短线代表一个共价键.路易斯结构式路易斯结构式凯库勒结构式凯库勒结构式1.

15、3 有机化合物中的共价键有机化合物中的共价键 C +4H C HHHHCHHHH原子轨道原子轨道原子中每个电子的运动状态都可以用一原子中每个电子的运动状态都可以用一个单电子的波函数个单电子的波函数（x，y，z）来描述）来描述.称为原子轨称为原子轨道道,因此电子云的形状也可以表达为轨道的形状因此电子云的形状也可以表达为轨道的形状.（1）价键的形成可看作是原子轨道的重叠价键的形成可看作是原子轨道的重叠(交盖交盖)或电或电子子(自旋相反自旋相反)配对的结果。配对的结果。（2）共价键具有饱和性共价键具有饱和性一个未成对的电子既经配一个未成对的电子既经配对成键对成键,就不能与其它未成对电子偶合就不能与其

16、它未成对电子偶合.（3）共价键具有方向性共价键具有方向性(最大重叠原理最大重叠原理):两个电子的两个电子的原子轨道的重叠部分越大原子轨道的重叠部分越大,形成的共价键就越牢固形成的共价键就越牢固.一一、量子化学的价键理论量子化学的价键理论:方向性方向性决定分子空间构型，因而影响分子性质决定分子空间构型，因而影响分子性质.(1)(1)当原子组成分子时当原子组成分子时,形成共价键的电子即运动形成共价键的电子即运动于整个分子区域于整个分子区域;(2)分子中价电子的运动状态分子中价电子的运动状态,即分子轨道即分子轨道,用波函数用波函数 来来描述描述;(薛定谔方程的解薛定谔方程的解)(3)分子轨道由原子轨

17、道线性组合形成分子轨道由原子轨道线性组合形成,形成的轨形成的轨道数与参与成键的原子轨道数相等道数与参与成键的原子轨道数相等.1=1+2 (符号相同符号相同,即即:波相相同波相相同.成键轨道成键轨道)2=1 -2 (符号不同符号不同,即即:波相相反波相相反.反键轨道反键轨道)二二、分子轨道理论、分子轨道理论 每个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子每个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子.电子总是首先进入能量低的分子轨道电子总是首先进入能量低的分子轨道.2个氢原子轨道组成个氢原子轨道组成2个氢分子轨道个氢分子轨道成键轨道1=1+2 成键轨道1=1+2 反键轨道2=1-2 共价键具有方向性共价键具有方

18、向性(最大重叠原理最大重叠原理):2p1syx1s2pyx（a a）x x轴方向结合成键轴方向结合成键（b b）非）非x x轴方向重叠较小轴方向重叠较小不能形成键不能形成键三三、杂化轨道理论、杂化轨道理论2p 2s 1s 能能 量量碳原子基态的电子构型碳原子基态的电子构型2p 2s 1s 一个一个2s电子激发至能量较高的电子激发至能量较高的2pz空轨道只需要空轨道只需要402 kJ/mol能能 量量2p 2s 1s 基态基态激发态激发态sp3杂化态杂化态碳原子碳原子2s电子的激发和电子的激发和sp3杂化杂化 C采取采取sp3杂化轨道与杂化轨道与4个个H原子的原子的s原子轨道形成原子轨道形成4个

19、个 sp3-s型的型的C-H键键(CH4)比形成比形成CH2要稳定的多要稳定的多.(4144-402)kJ/mol。形成。形成CH4 时仍有约时仍有约1255 kJ/mol能量释放出。能量释放出。所以这个体系比形成两个共价键的所以这个体系比形成两个共价键的CH2稳定的多。稳定的多。这四个这四个sp3杂化轨道的能量是相等的杂化轨道的能量是相等的,每一轨道相等于每一轨道相等于 1/4 s成分成分,3/4 p成分成分.sp3杂化轨道的图形杂化轨道的图形碳原子的四个碳原子的四个sp3杂化轨道杂化轨道(1)键长键长形成共价键的两个原子的原子核之间的形成共价键的两个原子的原子核之间的距离距离.(不同化合物

20、中同一类型的共价键也可能稍有不同化合物中同一类型的共价键也可能稍有不同不同,平均键长平均键长)(2)键角键角(方向性方向性)任何一个两价以上的原子任何一个两价以上的原子,与其它与其它原子所形成的两个共价键之间的夹角原子所形成的两个共价键之间的夹角.(3)键能键能 气态原子气态原子A和和气态气态原子原子B结合成结合成A-B分子分子(气态气态)所放出的能量所放出的能量,也就是气态分子也就是气态分子A-B离解成离解成A和和B两个原子两个原子(气态气态)时所吸收的能量时所吸收的能量.泛指多原子分子中几个同类型键的离解能的平均值泛指多原子分子中几个同类型键的离解能的平均值.离解能离解能一个共价键离解所需

21、的能量一个共价键离解所需的能量.指离解特指离解特定共价键的键能定共价键的键能.1.4 有机化合物中共价键的性质有机化合物中共价键的性质(4)键的极性和元素的电负性键的极性和元素的电负性分子的偶极矩分子的偶极矩 HH，ClCl，成键电子云对称分布于两个原子之，成键电子云对称分布于两个原子之间，这样的共价键没有极性。下列化合物有极性：间，这样的共价键没有极性。下列化合物有极性：H(+)Cl(-)，H3C(+)Cl(-)部分负电荷（部分负电荷（-）部分正电荷（部分正电荷（+）电负性电负性一个元素吸引电子的能力。一个元素吸引电子的能力。偶极矩偶极矩正电中心或负电中心的电荷与两个电荷正电中心或负电中心的

22、电荷与两个电荷中心之间的距离中心之间的距离d的乘积的乘积.(方向性方向性:正到负正到负,一般用符号一般用符号 表示。表示。q d (D,德拜德拜)在两原子组成的分子中，键的极性就是分子的极性，在两原子组成的分子中，键的极性就是分子的极性，键的偶极矩就是分子的偶极矩。键的偶极矩就是分子的偶极矩。在多原子组成的分子中，分子的偶极矩是分子中各在多原子组成的分子中，分子的偶极矩是分子中各个键的偶极矩的向量和。个键的偶极矩的向量和。HCl CH3Cl HC CH=1.03D=1.87D=0(1)均裂均裂:A:B A+B Cl:Cl (光照光照)Cl+Cl CH4+Cl CH3 +H:Cl 定义定义:两个

23、原子之间的共用电子对均匀分裂两个原子之间的共用电子对均匀分裂,两个原子两个原子各保留一个电子的断裂方式，产生活泼的各保留一个电子的断裂方式，产生活泼的自由基自由基(游游离基离基)。1.5 共价键的断裂共价键的断裂-均裂与异裂均裂与异裂(2)异裂异裂:A:B A+B-(CH3)3C:Cl (CH3)3C+Cl-定义定义:共价键断裂时共价键断裂时,两原子间的共用电子对完全转移两原子间的共用电子对完全转移到其中的一个原子上的断裂方式到其中的一个原子上的断裂方式.结果产生正结果产生正、负离负离子。子。(3)协同反应协同反应有些有机反应过程没有明显分步的共有些有机反应过程没有明显分步的共价键均裂或异裂价

24、键均裂或异裂,只是通过一个环状的过渡态只是通过一个环状的过渡态,化学键化学键的断裂和新化学键的生成同时完成而得到产物的断裂和新化学键的生成同时完成而得到产物.凡是能给出凡是能给出质子质子的叫酸的叫酸,凡是能与质子结合的叫碱凡是能与质子结合的叫碱.在有机化学中的酸碱一般指此类在有机化学中的酸碱一般指此类.HCl Cl-(共轭酸碱共轭酸碱)HSO4-(既是酸既是酸,也是碱也是碱)1.6 有机化学中的酸碱概念有机化学中的酸碱概念1.6.1 布伦斯特和路易斯酸碱定义布伦斯特和路易斯酸碱定义(1)布伦斯特布伦斯特(Bronsted)酸碱酸碱(质子论）质子论）强酸的共轭碱必是弱碱（如：强酸的共轭碱必是弱碱

25、（如：HCl和和Cl-）弱酸（弱酸（CH3COOH）的共轭碱是强碱（）的共轭碱是强碱（CH3COO-）酸碱的概念是相对的：如酸碱的概念是相对的：如HSO4-凡是能接受外来凡是能接受外来电子对电子对的都叫做酸的都叫做酸,凡是能给予电子凡是能给予电子对的都叫做碱对的都叫做碱.(2)路易斯路易斯(Lewis)酸碱酸碱 路易斯路易斯(L)酸酸：能接受外来电子对能接受外来电子对,具有亲电性具有亲电性.在反应时在反应时,有亲近另一分子的负电荷中心的倾向有亲近另一分子的负电荷中心的倾向,又叫又叫亲电试剂亲电试剂.路易斯路易斯(L)碱碱：能给予电子对能给予电子对,具有亲核性具有亲核性.在在反应时反应时,有亲近

26、另一分子的正电荷中心的倾向有亲近另一分子的正电荷中心的倾向,又又叫叫亲核试剂亲核试剂(“核核”作为正电荷的同义语作为正电荷的同义语).如：如：(3)亲电性与亲电试剂亲电性与亲电试剂HO -+CH3I CH3OH +I-+-(1)酸的强弱酸的强弱 HA+H2O H3O+A-Keq=H3O+A-/HAH2O 在稀水溶液中在稀水溶液中:Ka=KeqH2O=H3O+A-/HA Ka 为酸性常数为酸性常数.一般以一般以 Ka 值的负对数值的负对数 pKa 来表示酸的强弱来表示酸的强弱.pKa=-lgKa pKa值越低酸性越强值越低酸性越强.1.6.2 酸碱的强弱和酸碱反应酸碱的强弱和酸碱反应 在有机化学

27、中关于酸碱的强弱一般也是指在有机化学中关于酸碱的强弱一般也是指布伦斯特布伦斯特 定义的酸碱定义的酸碱.(2)碱的强弱碱的强弱 同理碱强度以同理碱强度以 pKb表示表示,也常用其共轭酸的也常用其共轭酸的 pKa 值来值来表示表示.共轭酸强则其共轭碱是个弱碱共轭酸强则其共轭碱是个弱碱.利用各化合物的利用各化合物的pKa值来预测酸碱反应的进行值来预测酸碱反应的进行,例例:CH3COOH+OH-CH3COO-+H-OH乙酸乙酸(pKa=4.72)共轭碱共轭碱(强强)共轭碱共轭碱(弱弱)水水(pKa=15.74)乙酸的酸性比水强乙酸的酸性比水强 质子的转移总是由弱碱转移到强碱质子的转移总是由弱碱转移到强

28、碱 反应向右进行反应向右进行.(1)开链族化合物开链族化合物(脂肪族化合物脂肪族化合物):正丁烷正丁烷,异丁烷异丁烷(2)碳环族化合物碳环族化合物 A:脂环族化合物脂环族化合物:环戊烷环戊烷,环己烷环己烷 B:芳香族化合物芳香族化合物:苯苯,萘萘(3)杂环化合物杂环化合物:呋喃呋喃,吡啶吡啶1.7 有机化合物的分类有机化合物的分类一一.按碳链分类按碳链分类 按分子中含有相同的、容易发生某些特征反应的按分子中含有相同的、容易发生某些特征反应的(1)原子原子(如卤素原子如卤素原子)(2)原子团原子团(如如:羟基羟基-OH、羧基、羧基-COOH、硝基、硝基-NO2，氨基氨基-NH2 等等)(3)或某

29、些特征化学键结构或某些特征化学键结构(如双键如双键 C=C、叁键叁键 -C C-)等分类等分类.二二.按官能团分类按官能团分类 是一门基础化学，专业基础课是一门基础化学，专业基础课 是一门重要的考研课程是一门重要的考研课程1.8 有机化学的发展及学习有机化学的重要性有机化学的发展及学习有机化学的重要性 有机化学是一门迅速发展的学科有机化学是一门迅速发展的学科 有机合成化学天然有机化学生物有机化学金属与元素有机化学物理有机化学有机分析化学药物化学香料化学农药化学有机新材料化学 等学科生命科学材料科学环境科学化学生物学能源、工业、农业 等方面.当代有机化学发展的一个重要趋势：当代有机化学发展的一个

30、重要趋势：与生命科学的结合与生命科学的结合。预习；预习；认真听课（补充内容的笔记）；认真听课（补充内容的笔记）；再独立完成作业（勤翻书本）再独立完成作业（勤翻书本）；做完作业后的单元（总结）复习；做完作业后的单元（总结）复习；适当做些课外参考书上的习题。适当做些课外参考书上的习题。1.9 如何学好有机化学如何学好有机化学 参考书参考书:(1)邢其毅邢其毅,徐瑞秋徐瑞秋,周政周政基础有机化学基础有机化学(上下上下),高等教高等教育出版社，育出版社，配套习题集及答案配套习题集及答案(2)美美R.T.莫里森莫里森,R.N.博伊德博伊德有机化学有机化学(上下上下),科学科学出版社出版社(3)杨悟子等杨悟子等有机化学习题有机化学习题-反应纵横反应纵横,习题和解答习题和解答,华东理工大学出版社华东理工大学出版社(4)龚跃法等龚跃法等有机化学习题详解有机化学习题详解,华中科技大学出版华中科技大学出版社社(5)伍越寰伍越寰 等等有机化学有机化学中国科学技术出版社中国科学技术出版社