1、第一章有机化合物的结构和性质优选第一章有机化合物的结构和性质1 1806806年年,柏则里（柏则里（BerzeliusBerzelius）首先提出）首先提出“有机化学有机化学”名词名词.生命力学说生命力学说.(Organic Chemistry).(Organic Chemistry)作为一门单独学科作为一门单独学科,有机化学奠基于有机化学奠基于1818世纪中叶世纪中叶.18281828年年,F.WF.Whlerhler在实验室由公认的无机物氰酸铵在实验室由公认的无机物氰酸铵(NHNH4 4OCNOCN)经热分解人工经热分解人工合成合成了有机化合物了有机化合物尿素尿素(NHNH2 2CONHC
2、ONH2 2),),突突破了生命力学说的约束破了生命力学说的约束,促进了有机化学的发展促进了有机化学的发展.此后许多以此后许多以简单的无机物为原料合成了许多其它有机化合物简单的无机物为原料合成了许多其它有机化合物.N H4O C NH2NCN H2O1.1 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1919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,20,20世纪初世纪初开始建立了以煤焦油为原料合成染料、药物和炸药为开始建立了以煤焦油为原料合成染料、药物和炸药为主的有机化学工业主的有机化学工业.2020世纪世纪4040年代开始发展了以石油
3、为主要原料的有机年代开始发展了以石油为主要原料的有机化学工业化学工业,特别是生产合成纤维特别是生产合成纤维 、合成橡胶、合成橡胶 、合成、合成树脂和塑料为主的有机合成材料工业树脂和塑料为主的有机合成材料工业.CH二二.有机化学的定义有机化学的定义 有机化学有机化学研究含碳化合物的化学研究含碳化合物的化学.凯库勒凯库勒（A.Kekul,1829-1896).有机化学有机化学研究碳氢化合物及其衍生物的化学研究碳氢化合物及其衍生物的化学.肖莱马肖莱马（K.Schorlemer,1834-1892).教材封面自自然然界界中中碳碳的的循循环环 有机化学有机化学(研究含碳化合物研究含碳化合物)成为独立学科
4、的原因成为独立学科的原因有机化合物用途广泛有机化合物用途广泛,遍及国民经济及日常生遍及国民经济及日常生活各个领域。需要系统研究其性质、理论及合活各个领域。需要系统研究其性质、理论及合成方法与应用成方法与应用.典型的有机化合物与无机物的性质有着显著的典型的有机化合物与无机物的性质有着显著的差异差异,需要用不同的方法和手段来进行研究需要用不同的方法和手段来进行研究.有机化合物与无机物在性质上的差别主要有机化合物与无机物在性质上的差别主要是由于其结构的化学键差异形成的。有机化合是由于其结构的化学键差异形成的。有机化合物多为共价键而无机物则多为离子键。这就导物多为共价键而无机物则多为离子键。这就导致有
5、机化合物有不同特点致有机化合物有不同特点.组成元素少组成元素少(C,H等等),但种类繁多但种类繁多.目前有机物的数目大于目前有机物的数目大于1400万个，并以万个，并以40万个万个/年年的速度递增的速度递增,原因是：原因是：A.碳元素的结构特点碳元素的结构特点:核外电子排布核外电子排布 1s22s22p2 B.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）C.碳的同素异形体的存在碳的同素异形体的存在:(1)石墨石墨 (2)金刚石金刚石 (3)富勒烯富勒烯C60/C701.2 有机化合物的特点有机化合物的特点(包括以下五个方面包括以下五个方面)：石墨的晶体结构石墨的晶体
6、结构(SP2)金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构(SP3)CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3有机化学研究碳氢化合物及其衍生物的化学.有机化学(研究含碳化合物)成为独立学科的原因Schorlemer,1834-1892).20世纪40年代开始发展了以石油为主要原料的有机化学工业,特别是生产合成纤维、合成橡胶、合成树脂和塑料为主的有机合成材料工业.凯库勒（A.酸给出质子后即形成了该酸的共轭碱，碱则反之。组成元素少(C,H等),但种类繁多.由活体植物生产化工产品（彩棉）需要系统研究其性质、理论及合成方法与应用.3 有机化合物中的共价键及形成理论Al 的核外电子排布:1s22s22p3s23p1
7、能源与环境资源问题石油、煤炭、天然气是不可再生的、日渐枯竭的、主要依赖的、造成了严重环境污染的能源；(3)亲电性与亲电试剂;亲核性与亲核试剂(1)布伦斯特(Bronsted)质子酸碱理论足球烯足球烯(富勒烯富勒烯)(SP2-SP3):D.含碳化合物之间的转化含碳化合物之间的转化 CH4 CH3Cl .CCl4 C金刚石金刚石E.不同官能团化合物之间的转化、碳链的增加和不同官能团化合物之间的转化、碳链的增加和 减少减少 导致有机化合物种类繁多的原因除了上述导致有机化合物种类繁多的原因除了上述C C原子的原子的特殊结构以外特殊结构以外,有机化合物中还存在同分异有机化合物中还存在同分异 构现象构现象
8、.分子式相同而结构相异因而其性质也各异的不同分子式相同而结构相异因而其性质也各异的不同化合物化合物,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:乙醇乙醇和二甲醚和二甲醚 CH3CH2-OH,CH3-O-CH3例例2:丁丁烷烷和和异丁烷异丁烷 CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3 CH3 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,它它的同分异构体也越多的同分异构体也越多.F.有机化合物结构上存在同分异构现象有机化合物结构上存在同分异构现象一一.同分异构现象同分异构现象 构造异构构造异构:分子中各原子间相互结合的顺序不同
9、而分子中各原子间相互结合的顺序不同而导致的异构现象导致的异构现象.例如例如:丁烷和异丁烷丁烷和异丁烷 此外此外,有机化合物还可由于构型（顺、反；有机化合物还可由于构型（顺、反；Z、E；R、S）和构象不同而造成异构现象和构象不同而造成异构现象.有机化合物的结构有机化合物的结构是指是指:分子中原子间的排列次分子中原子间的排列次序序(构造构造),原子相互间的立体位置原子相互间的立体位置(构型构型),化学键的结合化学键的结合状态状态(构象构象)以及分子中电子的分布状态以及分子中电子的分布状态(共振共振)等各项内等各项内容在内的总称容在内的总称.二二.构造异构现象构造异构现象三三.有机化合物的结构有机化
10、合物的结构同同分分异异构构构构造造异异构构立立体体异异构构碳碳架架异异构构位位置置异异构构官官能能团团异异构构构构象象异异构构构构型型异异构构构造构型构象的概念构造（构造（constitution）：）：分子中原子间的连接次序；分子中原子间的连接次序；构型（构型（configuration）：）：一定构造的分子中，原子和一定构造的分子中，原子和 基团在空间的排布；基团在空间的排布；构象（构象（conformation）：）：一定构型的分子中，由于单键的旋转而导致原子一定构型的分子中，由于单键的旋转而导致原子和基团在空间的不同排布。和基团在空间的不同排布。构型是固定的，而构象一般是瞬间的。构型的
11、构型是固定的，而构象一般是瞬间的。构型的变化须破坏化学键，而构象的变化则不会发生键的变化须破坏化学键，而构象的变化则不会发生键的断裂。断裂。酸给出质子后即形成了该酸的共轭碱，碱则反之。（a）x轴方向结合成键肖莱马（K.称为原子轨道,因此电子云形状也可以表达为轨道的形状.AlCl3(酸)+:Cl-(碱)Cl3Al-Cl=AlCl4-酸和碱又可分别称为电子对的受体和给体.Schorlemer,1834-1892).2 有机化合物的特点(包括以下五个方面)：反应过程中无任何活性中间体,没有明显分步的共价键均裂或异裂.根据官能团的不同，可以将有机化合物分为烷烃、烯烃、炔烃、脂环烃、芳香烃、卤代烃、醇和
12、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、杂环化合物等等.(如双键 C=C、叁键-CC-)等分类.CH4 CH3Cl .导致有机化合物种类繁多的原因除了上述C原子的特殊结构以外,有机化合物中还存在同分异 构现象.有自由基参与的反应叫自由基反应.强酸的共轭碱必是弱碱（如：HCl和Cl-）在反应时,有亲近另一分子的正电荷中心的倾向,又叫亲核试剂(“核”作为正电荷的同义语).20世纪40年代开始发展了以石油为主要原料的有机化学工业,特别是生产合成纤维、合成橡胶、合成树脂和塑料为主的有机合成材料工业.和世界上大多数国家一样，我国化学和化学工业的实际情况是：凡是能给出质子
13、的物质叫酸,凡是能与质子结合的物质叫碱.易燃烧：易燃烧：生成生成CO2和和H2O热稳定性差：热稳定性差：受热易分解，熔点低，受热易分解，熔点低，一般一般 400CC=O、羧基羧基-COOH、硝基硝基-NO2，氨基氨基-NH2、腈基腈基-CN等等)某些特征化学键结构某些特征化学键结构 (如双键如双键 C=CC=C、叁键-CC-)等分类.复合高分子材料替代大多数金属与合金（航天）；凯库勒（A.下列化合物有极性（成键原子电负性不同）：有机化学研究碳氢化合物及其衍生物的化学.键的偶极距及键的极性:反映键的断裂能力,与反应活性相关.碳元素:核外电子排布 1S22S22P2,电负性居中,不易获得或失去价电
14、子,易形成共价键.Al 的核外电子排布:1s22s22p3s23p1C +4H C H形成CH4 时仍有约1255 kJ/mol能量释放出。分子轨道形成时必须满足三个条件：路易斯(L)酸：能接受外来电子对,具有亲电性.凡是能给出质子的物质叫酸,凡是能与质子结合的物质叫碱.1/4 s成分,3/4 p成分.Kekul,1829-1896).反键轨道2=1-21/4 s成分,3/4 p成分.(1)键长两个成键原子的原子核之间的距离.(2)路易斯(Lewis)电子酸碱理论弱酸（CH3COOH）的共轭碱是强碱（CH3COO-）有机化学研究含碳化合物的化学.72)共轭碱(强)共轭碱(弱)水(pKa=15.
15、乙酸(pKa=4.CH4 CH3Cl .5 共价键的断裂-均裂与异裂反键轨道2=1-2HA+H2O H3O+A-20世纪40年代开始发展了以石油为主要原料的有机化学工业,特别是生产合成纤维、合成橡胶、合成树脂和塑料为主的有机合成材料工业.(2)路易斯(Lewis)电子酸碱理论(5)电子总是首先进入能量低的分子轨道.原子轨道原子中每个核外电子的运动状态都可以用一个单电子的波函数（x，y，z）来描述.键的偶极距及键的极性:反映键的断裂能力,与反应活性相关.CH这就导致有机化合物有不同特点.强酸的共轭碱必是弱碱（如：HCl和Cl-）（2）共价键的饱和性一个未成对的电子配对成键后就不能与其它未成对电子偶合.当代有机化学发展的重要趋势：与生命及物理科学的结合。也是有机化学的研究热点！2=1 -2 (符号不同,即:波相相反.学习有机化学的重要意义学习有机化学的重要意义:有机化学是一门基础课，也是化学工程与工艺、生物工程、材料科学、环境科学、药物合成、食品科学、工业分析、选矿等专业的一门专业基础课，掌握有机化学的知识体系，是大学今后的专业课学习和以后的工作的重要基础。
