Transcript 第1章绪论
教育部高职高专规划教材 第二版 有机化学 高等教育出版社 主讲 毛玖学 讲授内容 有机化学 一、绪论 二、烷烃 三、烯烃 四、炔烃 五、二烯烃 六、脂环烃 七、芳香烃 八、对映异构 九、红外核磁 十、卤代烃 十一、醇、酚、醚 十二、醛、酮、醌 十三、羧酸及其衍生物 十四、含氮有机化合物 十五、杂环化合物 十六、碳水化合物 十七、氨基酸、蛋白质 绪论 2 第一章绪论 （2课时） 了解有机化合物和有机化学的概念； 了解共价键的形成、性质及断裂方式； 了解有机反应类型、试剂类型和有机化合物的分类。 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 有机化学 有机化合物和有机化学 共价键的形成 共价键的性质 有机反应的类型和试剂的类型 有机化合物的分类 绪论 3 1.1有机化合物和有机化学 1.1.1有机化合物（简称有机物） 有机化合物：含碳化合物（一氧化碳、二氧化 碳、碳酸和碳酸盐除外）。或碳氢化合物及 其衍生物。 1.1.2有机化学 有机化学 ： 研究含碳化合物的化学或研究碳氢 化合物及其衍生物的化学 。 有机化学 绪论 4 1.1有机化合物和有机化学 1.1.3有机化学的产生和发展 有机化合物与人类生活有着密切关系,人 类对有机化合物的认识过程： 有机化学 绪论 5 生命力学说 当时人们还不能用人工的方法从无机物合成有 机物，一些唯心的观点就认为有机物是由有机 生命体中的一种生命力综合而形成的，不能由 无机物合成，十九世纪前，这种唯心的“生命 力”观点颇为流行。 有机化学 绪论 6 1.1.3有机化学的产生和发展 1773年 首次由尿内取得纯的尿素. 1805年 由鸦片内取得第一个生物碱——吗啡. 1828年，德国化学家，魏勒（wohler,F）首次人工用 氰酸铵合成了尿素。魏勒的合成打破了“生命力”学说， 在有机化学史上是一个重大的突破。 从19世纪初至中期有机化学成为一门学科，建立了 经典的有机结构理论。 AgOCN + NH4Cl NH4OCN + AgCl 1857年凯库勒提出了碳是四价的学说。 O NH4OCN 有机化学 绪论 H2N C NH2 7 1.1.3有机化学的产生和发展 1858年，库帕（Couper,A·S）提出：“有机化合物 分子中碳原子都是四价的，而且互相结合成碳链。” 1861年，布特列洛夫提出了化学结构的观点，指 出分子中各原子以一定化学力按照一定次序结合， 这称为分子结构；一个有机化合物具有一定的结构， 其结构决定了它的性质；分子中各原子之间存在着 互相影响。 1865年，凯库勒提出了苯的构造式。 有机化学 绪论 8 1.1.3有机化学的产生和发展 1874年，范特霍夫(Vant Hoff.J.H)和勒贝尔(Le Bel,J. 分别提出碳四面体构型学说，建立了分子的立体概念， 说明了旋光异构现象。 1885年，拜尔（Von Baeyer.A)提出张力学说。 20世纪建立了现代有机结构理论。 1916年，路易斯（Lewis,G.N)提出了共价键电子理论。 有机化学 绪论 9 20世纪30年代，量子力学原理和方法引入化学领 域以后，建立了量子化学。 20世纪60年代，合成了维生素B12，发现了 分子轨道守恒原理。 1965年9月17日中国科学院 合成了结晶牛胰岛素 。 20世纪90年代初，合成了海葵毒素。 现在“有机化合物”这一名称早已 失去了原意，但由于历史习惯的原因 现在仍沿用有机化合物这一叫法。 有机化学 绪论 10 1.1 有机化合物和有机化学 1.1.4有机物在结构上的特点 碳原子是以共价键形成分子的,有机物的主要键型是共价键。碳原子可 以与其他原子相结合，也可以自身相结合。碳原子间的连接方式可以 是链状，也可以是环状。通过共用电子对形成共价键时，可以以单键、 双键或三键结合。例如 C C C C C C 有机化学 C C C C C C C C C C C 绪论 C C C C C C 11 1.1 有机化合物和有机化学 1.1.4有机物在结构上的特点 种类繁多、数目庞大、结构复杂 构成有机物的元素主要为C、H，还有少量的O、N、P、 S、X等元素。但有机物的数量却非常庞大并且增加很快。 据统计，在1880年，有机物数目不过1.2万种；1910年 约15万种；1940年约50万种；1961年约175万种；1978年 约400万种；1984年约700万种；现在当在1000万种以 上。这一数目仍在增长。 而几乎所有的元素都可形成无机物（是组成有机物元素 的几十倍），但无机物的数目仅为有机物的1/100左右。 有机化学 绪论 12 有机物种类多的两个原因 1. 形成有机物的中心碳原子的结合能力强 有机物分子中含碳数可以很多。 例: VB12 其分子式为C63H90N14O14PCo 。蛋白质等高分子 有机物的分子一般由数万至上亿个原子组成。而无机物 的分子一般只有几个原子，至多几十个原子。 2. 同分异构现象普遍 指化合物分子式相同而结构和性质不同的现象。 （该内容将在后面详细介绍） 如：乙醇和甲醚 （ C2H6O）【CH3CH2OH CH3OCH3】。 有机化学 绪论 13 1.1 有机化合物和有机化学 1.1.5 有机物性质上的特点 1.易燃烧 除少数例外，一般有机化合物都含有碳和氢两种元 素，因此容易燃烧，生成二氧化碳和水，同时放出 大量的热量。(如：酒精、汽油 、液化气、苯等。 少数卤烃等灭火剂除外)大多数无机化合物，如酸、 碱、盐、氧化物等都不能燃烧。因而有时采用灼烧 试验可以区别有机物和无机物 有机化学 绪论 14 1.1 有机化合物和有机化学 1.1.5 有机物性质上的特点 2 . 熔、沸点较低 有机物大多是气体、液体或低熔点的固体。 无机化合物 ─ 静电力 有机化合物 ─ 范德华力 NaCl 相对分子质量 CH3COCH3 58.5 58.08 熔点/ °C 801 -95.35 沸点/ °C 1465 56.2 有机化学 绪论 15 1.1 有机化合物和有机化学 1.1.5 有机物性质上的特点 3 . 难溶于水 水是强极性化合物，大部分无机化合物是 离子键型化合物，易溶于水，不易溶于有 机溶剂；大多数有机物为非极性或弱极性 物质，因而难溶于极性较强的水中。但乙 醇、醋酸等少数有机物除外 。有机物在溶 剂中的溶解度遵循“相似互溶原理” 有机化学 绪论 16 1.1 有机化合物和有机化学 1.1.5 有机物性质上的特点 4 . 反应速度较慢 无机反应是离子型反应，一般反应速率都很快。有机反 应大部分是分子间的反应，反应过程中包括共价键旧键 的断裂和新键的形成，所以反应速率比较慢。如酒的酯 化、人体细胞的老化等。但有机炸药的爆炸、有机物蒸 气的燃烧、爆炸等例外。 AgNO3 + NaCl CH3CH2OH 有机化学 AgCl + NaNO3 Ũ H2SO4 170¡æ 绪论 CH2 CH2 + H2O 17 1.1 有机化合物和有机化学 1.1.5 有机物性质上的特点 5 . 反应的产物复杂、产率低 有机化合物的分子大多是含多个原子结合而成的复杂 分子，所以在有机反应中，反应中心可以在不同部位 同时发生反应，得到多种产物。反应生成的初级产物 还可继续发生反应，得到进一步的产物。因此在有机 反应中，除了生成主要产物以外，还常常有副产物生 成。能达到60～70％就很高了，而无机反应产率一 般可达 90～100％。 有机化学 绪论 18 1.2 共价键的形成 价键理论（无机化学中讲过） ⑴电子配对 ⑵价键理论（轨道最大重叠原理、共价键饱和性与方向性） 杂化轨道理论 分子轨道理论（不介绍） 问题：两个H原子为什么会自动形成H2分子呢？ H •+ •H 有机化学 H ∶H + 436.0 kj 绪论 19 1.2 共价键的形成 1.2.1共价键的类型 共用电子对共价键和配位共价键（如NH4+） 极性共价键和非极性共价键（HCl,H2,Cl2) σ键(头对头重叠）和π键（肩并肩重叠） 有机化学 绪论 20 σ键和π键比较 σ键比较牢固，π键活泼，反应时首先π键断裂； σ键流动性小（诱导效应），π键流动性大（共轭效应）； σ键两原子可以绕键轴旋转，π键原子不能绕键轴旋 转； σ键可以单独存在，而π键不能单独存在。即两原子以 单键连接必是σ键，以双键连接，必有一个σ键和一个 π键。 有机化学 绪论 21 1.2 共价键的形成 1.2.2共价键的特点 共价键的饱和性 C最多只能形成4个共价键。 共价键的方向性 成键的原子轨道只能从特定的方 向（键轴方向）重叠成键。 例：CH4中C与H成键 有机化学 绪论 22 1.3 共价键的性质 共价键的性质是指共价键本身的一些属性，如 键长、键角、键能、键的极性等。 1.3.1键长 形成共价键的两个原子之间的核间 距，称为键长。键长的单位通常用nm表示。 1nm=10－９m 一般来说， 键长越短，键能大，键就越稳定； 键长越长，键能小，键就越不稳定。 有机化学 绪论 键 长1 键 长 2 23 1.3 共价键的性质 1.3.2 键角 两价以上的原子与其他原子成键 时，两个共价键之间的夹角称为键角。 例如：甲烷中任两个C－H键间的夹角为 109°28´ 。 有机化学 绪论 24 1.3共价键的性质 1.3.3键能（平均键能） 形成或断开共价键时，体系放出或吸收的能量。 单位：KJ·mol－1 键能表示共价键的牢固程度。键能越大，即成 键时，体系放出的能量越多，体系就越稳定。 说明两个原子结合得越牢固。 有机化学 绪论 25 1.3共价键的性质 1.3.4键解离能 键的解离能：在标态下（101325Pa、298K）， 1mol气态分子完全离解为气态原子所吸收的能 量。 注意：键能并不完全等于键的解离能。 对于双原子分子而言 键的解离能＝键能 对于多原子分子而言 键能是分子中所有共 价键断开时解离能的平均值。 有机化学 绪论 26 甲烷的键能与解离能 CH4 . CH3 .. CH2 . . CH . . CH3 .. CH2 . . CH .. . C. . + .H + .H + .H + .H -1 H1=435.1 KJ . mol H2= 443.5 KJ . mol-1 H3= 443.5 KJ . mol-1 H4= 338.9 KJ . mol-1 可见CH4中4 个C－H的解离能并不相同。而CH4的键 能则是它们的平均值：EC－H=415.2KJ·mol－1 有机物中一些常见键的键能见书中第三页表1－2。 有机化学 绪论 27 1.3共价键的性质 1.3.5键的极性 ① 极性键的极性是由于成键的两个原子之间的电负性差异而引起的。 由电负性不同的原子形成的共价键，键的正负电中心 不重合，形成一个偶极，这样的共价键称为极性共价 键。 例： H－Cl中，Cl原子带部分负电荷，记作δ－，H带 部分正电荷，记作δ＋。 CH3δ+→Clδ- 有机化学 绪论 28 1.3共价键的性质 1.3.5键的极性 由于极性不能量化，故又引入了偶极矩的概念。 ② 偶极矩 是用来衡量键极性大小的量 μ＝q·d 单位 ：库仑·米 （C·m）。偶极矩为向量， 其方向由带正电荷原子指向带负电荷原子。 有机化学 绪论 29 1.3共价键的性质 1.3.5键的极性 ③ 分子的极性 双原子分子：键的极性与分子的极性一致； 多原子分子：分子的极性是分子中所有键的偶 极矩的向量和 例：CH4和CCl4 =0 为非极性分子， 而CH3Cl =1.93D 则为极性分子。 有机化学 绪论 30 1.4有机反应的类型和试剂的类型 根据原料与产物的关系进行分类 取代反应 加成反应 消除反应 重排反应 氧化还原反应 缩聚反应 有机化学 绪论 31 1.4有机反应的类型和试剂的类型 按反应机理进行分类 离子型反应 游离基（自由基）型反应 协同反应 在以后的学习中，我们采取把上述两类方法 结合起来的方法进行讨论。例如游离基取代 反应、亲电（核）取代反应、亲电（核）加 成反应等。 有机化学 绪论 32 1.4有机反应的类型和试剂的类型 1.4.1共价键的均裂和异裂 1.4.1.1均裂：共价键断裂时，共用电子对平均分配给两个成键 原子，生成自由基:（游离基） A : B 例： Cl : Cl A . + B. Cl. + Cl. 通过自由基进行的反应叫自由基反应。自由 基反应一般要在光照条件或高温加热下进行。 有机化学 绪论 33 1.4有机反应的类型和试剂的类型 1.4.1共价键的均裂和异裂 1.4.1.2异裂：共价键异裂时，成键的一对电子保留 在一个成键原子上。产生正、负离子。异裂有两 种情况： A+ + BA B ÒìÁÑ Ì¼ÕýÀë×Ó A- + B+ ̼¸º Àë×Ó 有机化学 绪论 34 1.4有机反应的类形和试剂的类型 1.4.1共价键的均裂和异裂 1.4.1.2异裂：共价键异裂时产生正、负离子。共 价键异裂生成离子而引发的反应称离子型反应。 CH3 CH3 CH3 C CH3 C Cl CH3 有机化学 + + Cl- CH3 绪论 35 有机反应试剂的类型 均裂 异裂 有机化学 自由基反应 离子反应 亲核试剂 亲核反应 自由基试剂 离子试剂 绪论 亲电试剂 亲电反应 36 1.5 有机化合物的分类 1.5.1按碳骨架分类 1、开链化合物(脂肪族化合物) CH3 CH3 CH2 有机化学 CH2 CH CH CH3-CH2-OH 绪论 37 1.5 有机化合物的分类 1.5.1按碳骨架分类 2、脂环族化合物 有机化学 绪论 38 1.5 有机化合物的分类 1.5.1按碳骨架分类 3、芳香族化合物 分子中含有一个或多个 苯环的化合物。 CH2I Br CH2I Br 有机化学 SO3H SO3H 绪论 39 1.5 有机化合物的分类 1.5.1按碳骨架分类 4、 杂环化合物 碳原子与氧、硫、 氮等其他原子组成的环状并具有与 苯类似结构特点的化合物。 噻吩 嘌呤 N S 有机化学 嘧啶 N N N H N N 绪论 呋喃 O 40 1.5 有机化合物的分类 1.5.2 按官能团分类 官能团：是指有机化合物分子中那些特别 容易发生反应的原子或基团，它决定这类 有机化合物的主要性质。 有机化学 绪论 41 1.5.2按官能团分类 官能团 名称 分类名 ＞C=C＜ 双键 烯烃 —C≡C— 三键 炔烃 卤素 卤代物 —OH 羟基 醇（脂肪族）或酚（芳香族） —O— 醚键 醚 —CHO 醛基 醛 ＞C=O 酮基 （亦称羰基）酮 —COOH 羧基 羧酸 —SO3H 磺基 磺酸 —NO2 硝基 硝基化合物 —NH2 氨基 胺 —CN 绪论 氰基 腈（京） -X（F，Cl，Br，I） 有机化学 42 本章小结 一、有机化合物、有机化学、同分 异构体、官能团等概念 二、有机物的特点 三、共价键的形成、性质及断裂方 式（均裂、异裂） 四、有机物的分类 有机化学 绪论 43 有机化学 联系电话：13841690288 QQ号码：778913221（夏雨） 绪论 44 1.1 有机化合物和有机化学 1.1.1 有机化合物 有机化合物与古人 类生活关系密切 有机化学 酿酒、制醋、造纸、中草药 有机化合物与人 类生活关系密切 棉麻丝毛、合成纤维、皮草； 淀粉、油脂、肉蛋奶、水果蔬菜； 合成药物及中草药； 洗涤剂、化妆品； 涂料、家具、文具纸张； 橡胶及塑料制品； 有机化合物与国 民经济关系密切 能源、炸药、石油化工； 化肥（尿素）、农药； 新型电子、医药材料； 绪论 45 1.1 有机化合物和有机化学 1.1.2 有机化学 有机化学简史 1806年，柏则里提出“有机化学”这一名词和“生命力”学说； 1845年Kolbe合成醋酸; 1854年，柏赛罗合成油脂； 1850－1900年，合成有机化学时代，煤焦油化学时代； 1900－1940年，有机化学工业时代，煤焦油→染料、药物、炸药； 1940年－，石油化工时代，石油→三大合成材料（橡胶、塑料、 合成纤维）； 1990年－，有机化学与生命科学、环境科学、材料科学、能源工业、 国防工业、电子工业、信息产业、无机非金属材料、各种轻工行业紧 密联系，相互促进。 有机化学 绪论 46 1.1 有机化合物和有机化学 有机化学的定义 有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质及其 变化规律的科学。 有机化学可以看作是碳氢化合物及其衍生物的化学，它包括有 机合成化学、天然有机化学、生物有机化学、元素有机及金属有 机化学、物理有机化学、有机分析化学、应用有机化学等分支。 有机化学 绪论 47 1.1 有机化合物和有机化学 有机化学是化学学科的重要组成部分。200多年来，有机化学的 发展，揭示了构成物质世界的各种有机化合物的结构、有机分子中 各原子间键合的本质以及它们相互转化的规律，并设计合成了大量 具有特定性质的有机分子；同时，它又为相关学科(如材料科学、生 命科学、环境科学等)的发展提供了理论、技术和材料。有机化学的 成就使煤、石油、天然气、农产品等自然资源得到了充分的综合利 用，为合成染料、医药、炸药等工业奠定了基础。 有机化学 绪论 48 1.1 有机化合物和有机化学 今天，有机化学正处于富有活力的发展时期。 其趋势和特点是： 1. 与生命科学、材料科学及环境科学密切结合； 2. 分子识别和分子设计正在渗透到有机化学的各领域； 3. 选择性反应，尤其是不对称合成，已成为有机化学的热点和前 沿领域； 4. 有机化学继续在新药和农、医用化学品以及分子电子材料的开 发中起主导作用。 有机化学 绪论 49 1.2 有机化合物的特性 1.2 有机化合物的特性 组成 结构 除C、H以外，只含有O、N、S、P、X等少数元素。 有机物数目繁多(400万/70万) 原子间通常以共价键的方式结合； 同分异构现象普遍。 性质 易燃、易爆；热稳定性差；熔、沸点低；难溶于水； 反应速度慢。 例：HOAc: m.p 16.1℃ b.p 116℃; NaCl: 有机化学 m.p 800 ℃ b.p 1440 ℃ 绪论 50