1、第一章第一章 绪绪 论论1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学1.2 有机化合物的特性有机化合物的特性1.3 分子结构和结构式分子结构和结构式1.4 共价键共价键1.4.1 共价键的形成共价键的形成(1)价键理论价键理论(2)轨道杂化轨道杂化(3)分子轨道理论分子轨道理论1.4.2 共价键的属性共价键的属性(1)键长键长(2)键能键能(3)键角键角(4)键的极性和诱导效应键的极性和诱导效应1.4.3 共价键的断裂和有机反应的类型共价键的断裂和有机反应的类型1.5 分子间相互作用力分子间相互作用力1.5.1 偶极偶极-偶极相互作用偶极相互作用1.5.2 van der Waals 力力
2、1.5.3 氢键氢键1.6 酸碱的概念酸碱的概念1.6.1 Brnsted 酸碱理论酸碱理论1.6.2 Lewis 酸碱理论酸碱理论1.6.3 硬软酸碱原理硬软酸碱原理1.7 有机化合物的分类有机化合物的分类1.7.1 按碳架分类按碳架分类1.7.2 按官能团分类按官能团分类1.8 有机化合物的研究程序有机化合物的研究程序1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学 有机化合物的组成有机化合物的组成 基本元素：基本元素：C 其它元素：其它元素：H,N,O,X,S,P,Si 等等有机化合物为碳氢化合物及其衍生物有机化合物为碳氢化合物及其衍生物有机化学是研究有机化学是研究 C 化合物的化学化合
3、物的化学有机化合物有机化合物 性质的变化规律性质的变化规律性质性质有机反应有机反应结构与反应性之间的关系结构与反应性之间的关系 组成组成结构结构 有机化学的研究内容：有机化学的研究内容：1.2 有机化合物的特性有机化合物的特性 共价键结合共价键结合 有机化合物数量庞大，异构现象普遍有机化合物数量庞大，异构现象普遍 易燃烧易燃烧 熔点较低熔点较低 难溶于水，易溶于有机溶剂难溶于水，易溶于有机溶剂 反应速率一般较小反应速率一般较小 1.3 分子结构和结构式分子结构和结构式分子分子(molecules):组成的原子按一定的排列顺序，相互影响组成的原子按一定的排列顺序，相互影响相互作用而结合在一起的整
4、体相互作用而结合在一起的整体分子结构分子结构(molecular structures):原子排列的顺序和相互关系原子排列的顺序和相互关系分子式分子式(molecular formulas):表示组成分子的原子种类和数目表示组成分子的原子种类和数目C2H6OCH3CH2OHCH3OCH3乙醇乙醇二甲醚二甲醚分子结构式分子结构式(molecular structural formulas):表示分子中原子连接的顺序表示分子中原子连接的顺序表示方式：表示方式：短线式短线式(dash formulas):缩简式缩简式(condensed formulas):键线式键线式(bond-line form
5、ulas):CH3CH2CH2CH3OCHHHH1.4 共价键共价键有机化合物中典型的化学键：共价键有机化合物中典型的化学键：共价键有机化合物的共同结构特征：共价键结合有机化合物的共同结构特征：共价键结合1.4.1 共价键的形成共价键的形成离子键离子键(ionic bonds)：一个或更多的电子从一个原子转移到一个或更多的电子从一个原子转移到另一个原子形成离子时产生的键。另一个原子形成离子时产生的键。它是带有相反电荷的质体它是带有相反电荷的质体(species)间的间的吸引力。吸引力。Na(气气)Na(气气)+eCl(气气)+eCl(气气)Na(气气)+Cl(气气)Na Cl(气气)共价键共价
6、键(covalent bonds)：由两个原子间共用一对电子产生的化学键由两个原子间共用一对电子产生的化学键C4 H+CHHHHCHHHHKecul 价键式价键式Lewis 结构式结构式惰性气体惰性气体构型构型八隅体规则八隅体规则(octet rule)最外层电子：最外层电子：H:2 电子电子其它原子其它原子:8 电子电子类似于氖的稳定结构类似于氖的稳定结构乙烯：乙烯：CHHCHHCCHHHH乙炔：乙炔：CHC HHCCH(1)价键理论价键理论(valence bond theory)共价键的形成：是成键原子的原子轨道共价键的形成：是成键原子的原子轨道 (电子云电子云)相互交盖的结果相互交盖的
7、结果(2)轨道杂化轨道杂化C:1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0碳原子在基态时的电子构型：碳原子在基态时的电子构型：HH+H H=氢原子氢原子 轨道交盖轨道交盖 氢分子氢分子图图1.1 氢原子的氢原子的 s 轨道交盖形成氢分子轨道交盖形成氢分子杂化轨道理论杂化轨道理论(hybrid orbital theory):基态基态2p2s1s激发态激发态2p2s1ssp3 杂化态杂化态1ssp3杂化杂化杂化：混合后再重新分配杂化：混合后再重新分配能量相等能量相等(a)碳原子轨道的碳原子轨道的sp3杂化杂化(b)碳原子轨道的碳原子轨道的sp2杂化杂化(见第三章见第三章)(c)碳原子轨道的碳原子
8、轨道的sp杂化杂化(见第三章见第三章)电子电子跃迁跃迁有机化合物的结构特征：有机化合物的结构特征：C原子为原子为4价价(3)分子轨道理论分子轨道理论(molecular orbital theory)分子轨道分子轨道(MO)：电子在整个分子中运动的：电子在整个分子中运动的 状态函数状态函数()成键轨道成键轨道反键轨道反键轨道+-节面节面*+图图1.2 氢分子轨道形成示意图氢分子轨道形成示意图121 2线性组合线性组合 1*2分子轨道分子轨道原子轨道原子轨道原子轨道原子轨道能能量量图图 1.3 氢原子形成氢分子的轨道能级图氢原子形成氢分子的轨道能级图 原子轨道组成分子轨道必须满足的条件：原子轨道
9、组成分子轨道必须满足的条件：能级相近能级相近 交盖程度越大，形成的键越稳定交盖程度越大，形成的键越稳定 对称性对称性(位相位相)相同相同+-xyxy+-+图图 1.4 原子轨道的交盖与对称性原子轨道的交盖与对称性共价键共价键键长键长/nm共价键共价键键长键长/nmCCCHCNCO0.1540.1090.1470.143CClCBrCCCC0.1770.1910.1340.120表表1.1 一些共价键的键长一些共价键的键长1.4.2 共价键的属性共价键的属性(1)键长键长(bond lengths)键长：键长：成键原子的原子核间的平均距离成键原子的原子核间的平均距离(2)键能键能(bond en
10、ergy)键能反映了共价键的强度，键能越大键能反映了共价键的强度，键能越大则键越牢固。则键越牢固。表表1.2 一些共价键的键能一些共价键的键能共价键共价键键能键能/kJmol-1共价键共价键键能键能/kJmol-1CCCHCNCOCF347414305360485CClCBrCCCCCI339285218611837形成共价键时体系释放的能量形成共价键时体系释放的能量,或断裂共价键时体系吸收的能量。或断裂共价键时体系吸收的能量。键能：键能：(3)键角键角(Bond angles)两价以上的原子在与其它原子成键两价以上的原子在与其它原子成键时，键与键之间的夹角。时，键与键之间的夹角。键角：键角：
11、CHHHH109.5O104CO121118HH甲烷甲烷 乙醚乙醚 甲醛甲醛键角反映了分子的空间结构键角反映了分子的空间结构(4)键的极性和诱导效应键的极性和诱导效应共价键的类型：共价键的类型：非极性共价键非极性共价键(nonpolar covalent bonds)：两个相同的原子成键两个相同的原子成键,电子云对称分电子云对称分布在两个原子之间。布在两个原子之间。HHClCl极性共价键极性共价键(polar covalent bonds):不同的原子成键时，由于原子的电负性不同的原子成键时，由于原子的电负性不同，使电负性较强原子一端的电子云密度不同，使电负性较强原子一端的电子云密度较大。较大
12、。HCl共价键的极性大小是用偶极矩共价键的极性大小是用偶极矩()来度量的。来度量的。=q.dq:电荷电荷d:正负电荷之间的距离正负电荷之间的距离:单位为单位为Cm(库库仑仑米米)=3.57 10-30 Cm HCl诱导效应诱导效应(Inductive effect)：CH3CH2CH2CH2Cl1234详见第十二章详见第十二章 12.6.1 由于分子内成键原子的电负性不同，由于分子内成键原子的电负性不同，而引起分子内电子云密度分布不均匀。这种而引起分子内电子云密度分布不均匀。这种影响沿分子链键静电诱导地传递下去，影响沿分子链键静电诱导地传递下去，这种分子内原子间相互影响的电子效应这种分子内原子
13、间相互影响的电子效应诱导效应诱导效应(I)产物产物(product)溶剂溶剂底物底物(substrate)试剂试剂(reagent)有机反应的本质：有机反应的本质：旧键的断裂和新键的生成旧键的断裂和新键的生成反应物反应物(reactants)CC+BrBrCCBr BrCCl41.4.3 共价键的断裂和有机反应的类型共价键的断裂和有机反应的类型有机反应有机反应(organic reactions):共价键断裂的方式：共价键断裂的方式：异裂异裂(heterolytic bond cleavage):C LC+LC+L均裂均裂(homolytic bond cleavage):R LR+L自由基自
14、由基(radicals)碳正离子碳正离子(carbocation)碳负离子碳负离子(carbanion)有机反应活性中间体：有机反应活性中间体：碳正离子、碳负离子、自由基碳正离子、碳负离子、自由基1.5 分子间相互作用力分子间相互作用力1.5.1 偶极偶极偶极相互作用偶极相互作用偶极偶极偶极相互作用：偶极相互作用：一个极性分子带有部分正电荷的一端一个极性分子带有部分正电荷的一端与另一个分子带有部分负电荷的一端之间与另一个分子带有部分负电荷的一端之间的吸引作用。的吸引作用。-HCl HCl-HCl ClH 极性分子之间的一种相互作用极性分子之间的一种相互作用-1.5.2 van der Waal
15、s 力力非极性分子之间存在的吸引力非极性分子之间存在的吸引力van der Waals(范德华范德华)力：力：瞬间偶极和诱导偶极之间相反电荷的瞬间偶极和诱导偶极之间相反电荷的区域彼此吸引。区域彼此吸引。1.5.3 氢键氢键(hydrogen bonds)HY(Y:N,O,F等等原原子子)Y:电负性很强，原子半径较小电负性很强，原子半径较小H3COHOCH3H两个甲醇分子之间形成的氢键：两个甲醇分子之间形成的氢键：分子间作用力大小顺序为：分子间作用力大小顺序为：氢键氢键 偶极偶极-偶极吸引力偶极吸引力 van der Waals力力 1.6 酸碱的概念酸碱的概念1.6.1 Brnsted 酸碱理
16、论酸碱理论 Brnsted 定义：定义：酸：给出质子的分子或离子酸：给出质子的分子或离子碱：接受质子的分子或离子碱：接受质子的分子或离子H2O +NH3OH+HNH3酸酸 碱碱 碱碱 酸酸共轭碱共轭碱 共轭酸共轭酸 弱酸的共轭碱是强碱：弱酸的共轭碱是强碱：CH3COOHCH3COO +H+强酸的共轭碱是弱碱：强酸的共轭碱是弱碱：H2SO4HSO4+H+弱碱弱碱强酸强酸弱酸弱酸强碱强碱1.6.2 Lewis 酸碱理论酸碱理论Lewis 定义：定义：Lewis 酸酸(Lewis acids)：能够接受未共用电子对的分子或离子能够接受未共用电子对的分子或离子酸碱络合物酸碱络合物电子给予体电子给予体电
17、电子子接接受受体体Lewis 碱碱(Lewis bases)：能够给出电子对的分子或离子能够给出电子对的分子或离子ClH+OHHOHHH+ClFBFF+OCH2CH3CH2CH3FBFFOCH2CH3CH2CH3Lewis 酸：具有空轨道原子的分子或离子酸：具有空轨道原子的分子或离子 HClCH3COOHOHCH3CH2OHLi+Mg2+R+Ag+AlCl3 BF3 TiCl4 SnCl2 FeCl3 ZnCl2Lewis 碱：具有未共用电子对原子的分子碱：具有未共用电子对原子的分子 或离子或离子H2O NH3 CH3NH2 CH3OH CH3OCH3XOHCNNH2RRO1.6.3 硬软酸碱
18、原理硬软酸碱原理影响酸碱反应难易程度的因素：影响酸碱反应难易程度的因素：离子的大小离子的大小 电荷的多少电荷的多少 电负性电负性Pearson 将将 Lewis 酸碱分为：酸碱分为：硬酸：接受体的原子小，带正电荷多，硬酸：接受体的原子小，带正电荷多，价电子层没有未共用电子对价电子层没有未共用电子对H+Li+Na+K+Mg2+Ca2+Al3+BF3 AlCl3 SO3 CO2HX软酸：接受体的原子大，带正电荷少，软酸：接受体的原子大，带正电荷少，价电子层里有未共用电子对价电子层里有未共用电子对RX ROTSCu+Ag+Hg2+RS+Br+I+Br2 I2硬碱：给予体的原子电负性高，可极化性低，硬
19、碱：给予体的原子电负性高，可极化性低，不易被氧化不易被氧化FClAcOSO42-NO3NH3 RNH2H2O HOROH ROR RO软碱：给予体的原子电负性低，可极化性高，软碱：给予体的原子电负性低，可极化性高，易被氧化易被氧化RSHSISCNC2H4 C6H6 R HRSH RSRR3PCN硬酸硬酸硬碱硬碱外层电子抓得紧外层电子抓得紧软酸软酸软碱软碱外层电子抓得松外层电子抓得松 “硬硬”、“软软”是用来描述酸碱抓电子的是用来描述酸碱抓电子的松紧程度。松紧程度。1.7 有机化合物的分类有机化合物的分类1.7.1 按碳架分类按碳架分类有有机机化化合合物物(1)开链化合物开链化合物(脂肪族化合物
20、脂肪族化合物)(aliphatic compounds)C原子连接成链状原子连接成链状(2)脂环脂环(族族)化合物化合物(cyclic compounds)C原子连接成环状原子连接成环状(3)芳香族化合物芳香族化合物(aromatic compounds)含有芳环结构含有芳环结构(4)杂环化合物杂环化合物(heterocyclic compounds)含有由含有由C原子和其它原子原子和其它原子(如如 O,N,S)连接成环的化合物连接成环的化合物CH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CCHCH3CH2OH乙烷乙烷 1丁烯丁烯 丙炔丙炔 乙醇乙醇开链化合物：开链化合物：脂环化合物：脂环化合物：O
21、H环己烷环己烷 环戊二烯环戊二烯 环辛烯环辛烯 环己醇环己醇芳香族化合物：芳香族化合物：OHCl苯苯 萘萘 苯酚苯酚 氯苯氯苯杂环化合物：杂环化合物：四氢呋喃四氢呋喃 噻吩噻吩 吡啶吡啶 糠醛糠醛 SONOCHO1.7.2 按官能团分类按官能团分类官能团官能团(functional groups):容易发生反应的原子或基团容易发生反应的原子或基团表表1.3 一些常见的重要官能团一些常见的重要官能团化合物类型化合物类型 化合物化合物 官能团构造官能团构造 官能团名称官能团名称烯烯烃烃炔炔烃烃卤卤代代烃烃醇醇和和酚酚醚醚醛醛酮酮羧羧酸酸腈腈胺胺硝硝基基化化合合物物硫硫醇醇磺磺酸酸H2CCH2HCC
22、HCH3XC2H5OH,C6H5OHC2H5OC2H5CH3CHOCH3CCH3OCH3COHOCH3CNCH3NH2CH3NO2C2H5SHC6H5SO3HCCCCXOHCOCCHOCOCOHOCNNH2NO2SHSO3H碳碳碳碳双双键键碳碳碳碳三三键键卤卤基基(卤卤原原子子)羟羟基基醚醚键键醛醛基基酮酮基基(羰羰基基)羧羧基基氰氰基基氨氨基基硝硝基基巯巯基基磺磺基基参考书参考书(Reference):1.Francis A.Carry Organic chemistry 4th edition2.John McMurry Organic chemistry 5th edition 3.T.W.Graham Solomons Organic chemistry 5th edition and 6th edition4.王积涛主编王积涛主编有机化学有机化学（第二版）（第二版）5.邢其毅主编邢其毅主编基础有机化学基础有机化学（第二版）（第二版）
