大學(xué)醫(yī)用有機化學(xué)第一章緒論.ppt

供醫(yī)學(xué)類專業(yè)用 有機化學(xué) （第7版 主編 呂以仙）,主講 李英秀,第一章 緒論 （Introduction）,目的：為了系統(tǒng)學(xué)習(xí)有機化學(xué)準(zhǔn)備必需的基本知識,具體掌握內(nèi)容： 什么是有機化學(xué)？什么是有機化合物？ 共價鍵的價鍵理論，共價鍵的參數(shù)及其意義 共價鍵的斷裂方式和有機化合物的反應(yīng)類型 有機化合物的結(jié)構(gòu)式表示方法,有機化學(xué)是醫(yī)學(xué)課程中的一門重要基礎(chǔ)課，也是生命科學(xué)不可缺少的化學(xué)基礎(chǔ)。,第一節(jié) 有機化合物和有機化學(xué),1828年德國化學(xué)家F.Whler（魏勒）在實驗室里合成了尿素（1773年從尿液中分離出） ，這是一個具有劃時代意義的發(fā)現(xiàn)，它為近代有機化合物概念的確立奠定了基礎(chǔ)。,17世紀(jì)中期, 把從自然界中取得的各種物質(zhì),按照來源分為:,動物物質(zhì) 植物物質(zhì),礦物物質(zhì),隨后又將礦物物質(zhì)稱為無機物, 而將動物物質(zhì)和植物物質(zhì)稱為有機物。,在化學(xué)發(fā)展史的長河中曾經(jīng)有過一段時期, 有機化合物被認(rèn)為只能來源于有生命的機體, 不可能由無機物合成。,直到1848年L.Gmelin(格梅林)根據(jù)F.Whler的實驗和越來越多的有機合成事實.1845年德國化學(xué)家H.Kolber (柯爾柏）合成了醋酸，1854年法國化學(xué)家M.Berthelot（拜特洛）合成了油脂等。確立了有機化合物的新概念。,有機化合物是含碳化合物（碳?xì)浠衔锛捌溲苌铮袡C化學(xué)是研究碳化合物的化學(xué)。(CO、CO2及碳酸鹽除外）,有機化合物除含碳原子外，絕大多數(shù)含有氫，其次含有O、N、S、X等。至今已知的含碳化合物的數(shù)目已有2000萬左右，而無機化合物只有幾十萬種。95%的藥物都是有機化合物。人類的衣、食、住、行和生、老、病、死都伴隨著有機化學(xué)。,最近200年來，有機化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成一門龐大的學(xué)科，僅1995年一年化學(xué)家就創(chuàng)造了100萬個以上新化合物。以C60和C70為代表的全碳球狀原子簇富勒烯（fullerene）的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)自然科學(xué)史的最重大成果之一?，F(xiàn)在，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的生物大分子的合成到模擬生物過程模型的確立，標(biāo)志有機合成技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的境界。,第二節(jié) 共價鍵,一、路易斯共價鍵理論,化學(xué)鍵是描述組成分子中的原子如何結(jié)合在一起的力?？煞譃閮煞N基本類型，即離子鍵和共價鍵。,共價鍵概念是由G.N.Lewis于1916年首先提出來的，第一次指出原子間共有電子滿足“八隅體”（即原子外層滿足8電子結(jié)構(gòu)，氫原子外層滿足2電子結(jié)構(gòu)）即可以生成共價鍵。,有機化合物分子中原子鍵合的本質(zhì)是共價鍵。（碳在周期表中是第主族元素）,Lewis結(jié)構(gòu)式：用共享電子對表示有機化合物的結(jié)構(gòu)式。,配位鍵：共價鍵的一對電子是由兩成鍵原子中的一個提供的，可用表示。,二、現(xiàn)代共價鍵理論基本要點,每個原子所形成共價鍵的數(shù)目取決該原子的單電子的數(shù)目，故共價鍵具有飽和性；共價鍵是由參與成鍵電子的電子云重疊形成的，電子云重疊越多，形成的共價鍵越穩(wěn)定，這就決定了共價鍵具有方向性。,共價鍵理論基本要點：,（1）匹配原理 （2）原子軌道最大重疊原理,共價鍵的特性：,（1）共價鍵的飽和性 （2）共價鍵的方向性,三、碳的雜化軌道理論,甲烷中的碳原子為四價，空間形狀為正四面體，鍵角為10928 ，為什么？,雜化： 重新組合成的新的原子軌道，叫做雜化軌道,特點：雜化前后軌道的能量、形狀、方向改變，但數(shù)目不變。,碳原子在形成共價鍵時，有3種雜化軌道，即sp3、sp2、和sp雜化軌道。,碳原子的核外電子排布為 1s22s22p2,（一） sp3雜化軌道,參與雜化的軌道 軌道形狀 能量 夾角 空間形狀,1S+3P 葫蘆形 1/4S+3/4P 10928 正四面體形,（二） sp2雜化軌道,參與雜化的軌道 軌道形狀 能量 夾角 空間形狀,1S+2P 葫蘆形 1/3S+2/3P 120 平面正三角形,（三） sp雜化軌道,參與雜化的軌道 軌道形狀 能量 夾角 空間形狀,1S+1P 葫蘆形 1/2S+1/2P 180 直線形,甲烷的分子結(jié)構(gòu)和鍵,甲烷(CH4)分子，是由1個碳原子和4個氫原子組成，其中碳原子是sp3雜化，4個氫原子與同一個碳原子以共價鍵相連結(jié)，形成4個Csp3-H1s鍵（軌道沿著鍵軸方向以“頭碰頭”方式進行重疊形成的共價鍵稱為鍵）。,甲烷分子為正四面體型，碳原子居于正四面體中心，4個氫原子居于正四面體的4個頂點，HCH均為10928，此為甲烷分子的構(gòu)型。,雜化的動力：重疊程度增大；軌道之間的距離增加，排斥降低。,共價鍵可分為兩種基本類型，即鍵 和鍵 。,乙烯的分子結(jié)構(gòu)和鍵,乙烯是一個平面結(jié)構(gòu)，分子中所有原子核都在一個平面中，鍵角接近120，證明乙烯中兩個雙鍵碳為sp2雜化。,兩個互相平行的軌道以“肩并肩”方式進行重疊形成的共價鍵稱為鍵 。,乙炔的分子結(jié)構(gòu),衍射和光譜實驗數(shù)據(jù)已證明乙炔分子具有線型結(jié)構(gòu)，即四個原子排列在一條直線上。兩碳原子均為sp雜化,小 結(jié),電負(fù)性：,S SP sp2 sp3 P,鍵和鍵的主要特點,四、共價鍵的屬性,（1）鍵長：成鍵兩原子核心的平均距離，其單位常用nm或pm表示。,154pm 134pm 120pm,110pm 107pm 1O6pm,（2）鍵角：分子中同一原子形成的兩個共價鍵之間的夾角。鍵角所給的信息對討論有機物分子的空間構(gòu)型具有十分重要意義。,（3）鍵能：從共價鍵生成或斷裂的能量因素來衡量共價鍵強度的物理量。相同類型的鍵其鍵能越大，鍵越穩(wěn)定。,（4）鍵的極性和極化性：,鍵的極性是由于成鍵原子的電負(fù)性不同引起的。,極性共價鍵,非極性共價鍵,衡量化學(xué)鍵極性的物理量是鍵的偶極矩（簡稱鍵矩）。單位為Cm（庫侖米和D）,=qd,=qd,=qd,極化性：由于外界電場（靜電場）作用而引起共價鍵的極性改變的現(xiàn)象。,第三節(jié) 分子的極性和分子間的作用力,一、分子的極性,分子的偶極矩是分子中各個鍵矩的矢量和。偶極矩是一個矢量，有大小和方向。其方向性用 表示。大小用偶極矩表示。,正常情況下BrBr鍵沒有極性，0，但當(dāng)外電場E+ 接近時，由于E+ 的誘導(dǎo)，引起正負(fù)電荷中心分離，出現(xiàn)了鍵矩,= 0 非極性分子,= 1.87D 極性分子,分子的極性越大，分子間作用力就越大。,二、分子間的作用力,1、偶極-偶極作用力：產(chǎn)生于極性分子之間。,偶極偶極作用力,2、氫鍵：實際上也是偶極-偶極作用力，它是分子間最強的作用力，但最高不超過25KJ/mol。,3、色散力（van der Waals引力）,非極性分子內(nèi)由于電子的運動在某一瞬間使分子內(nèi)電荷分布不均勻，而產(chǎn)生很小的暫時（瞬間）偶極，其產(chǎn)生的瞬間偶極作用力稱色散力。,氫鍵(特強的偶極偶極作用力),較小原子半徑、電負(fù)性強、有未共用電子對的原子可與氫原子形成氫鍵。常見的原子O,N,F,第四節(jié) 有機化合物的功能基和反應(yīng)類型,1、功能基,決定有機化合物的種類和特性的原子或原子團 ，叫做官能團 或功能基(functional group) 。,1.按基本骨架特征分類,2.按官能團不同分類,CH3CH2OCH2CH3,鏈狀化合物,碳環(huán)化合物,雜環(huán)化合物,鄧健 制作 呂以仙 審校,30,(二) 按官能團分類,2、反應(yīng)類型,離子型反應(yīng),親電反應(yīng),親核反應(yīng),協(xié)同反應(yīng),分類,自由基反應(yīng),本教材只討論自由基反應(yīng)和離子型反應(yīng)。,1、自由基型反應(yīng),游離基(自由基),均裂,2、離子型反應(yīng),正碳離子（碳正離子） carbonium ion,負(fù)碳離子（碳負(fù)離子） carbanium ion,由親核試劑進攻正碳離子的反應(yīng)稱親核反應(yīng)。 由親電試劑進攻負(fù)碳離子的反應(yīng)稱親電反應(yīng)。,第五節(jié) 有機酸堿概念,一、布朗斯特（質(zhì)子）酸堿理論,凡能給出質(zhì)子的物質(zhì)是酸（質(zhì)子的給予體）；凡能接 受質(zhì)子的物質(zhì)是堿（質(zhì)子的接受體）。,化合物的酸堿性強度的表示： 酸Ka 或pKa來表示。 堿Kb 或pKb 來表示。,共軛酸堿：酸越強，其共軛堿越弱；堿越強，其共軛酸越弱。,HF HCI HBr HI,酸性強度可用pKa表示，pKa越小，酸性越強。,如： pKa 水：15.7 乙炔：25,酸性：水 乙炔,酸堿反應(yīng)中平衡總是有利于生成較弱的酸和較弱的堿。即強酸置換弱酸。,二、Lewis酸堿概念,1、酸堿的定義： 凡能獲得電子對的物質(zhì)，叫做酸。 凡能提供電子對的物質(zhì)，叫做堿,Lewis酸通常是正離子或缺電子的分子(如H+、Cl+、Br+、NO2+ 、BF3、AlCl3等)。 Lewis堿通常是負(fù)離子或帶有未共用電子對的分子(如H2O、ROH、NH3、RNH2、OH-、CN-等),2、酸堿反應(yīng)：,實質(zhì)：是配位鍵的形成并生成酸堿配合物。 即：酸 + 堿 酸堿配合物。,有機化合物的結(jié)構(gòu)表示方法,縮寫式,價鍵式,骨架式,球棒式,投影式,有機物分子的特性, 有機物分子在結(jié)構(gòu)上的最大特性，就是原子之間多以共價鍵結(jié)合；由于碳原子彼此間或碳原子與其他原子間的多種連接方式，故有機物普遍存在同分異構(gòu)現(xiàn)象。（如：C2H6O）, 由于分子間力與離子間的結(jié)合力（離子鍵）相比，一般是很弱的，所以有機物的熔點通常較低，超過300的有機化合物很少。, 有機物的易燃，熱穩(wěn)定性差，難溶或不溶于水等，也都是人們公認(rèn)的有機物特性。, 大多數(shù)有機反應(yīng)速率較慢，需要一定時間才能完成反應(yīng)。為了加速反應(yīng)，常常要輔以外界條件，尤其需要催化劑的參與。另外，在同一個反應(yīng)體系中也往往由于反應(yīng)途徑不同而有主反應(yīng)產(chǎn)物和副反應(yīng)產(chǎn)物，使得有機反應(yīng)產(chǎn)率較低，也給分離、純化工作帶來許多麻煩。,化學(xué)合成,第六節(jié) 確定有機化合物結(jié)構(gòu)的步驟和方法,生物體中提取,混合物,分離提純,色譜,蒸餾,重結(jié)晶,升華,元素分析,確定分子式,質(zhì)譜,測定結(jié)構(gòu)式,四譜聯(lián)用,四譜：紅外光譜（IR）、紫外光譜（UV）、核磁共振（NMR）、質(zhì)譜（MS）,第七節(jié) 分子軌道和共振結(jié)構(gòu),一、分子軌道,分子軌道理論是從分子的整體出發(fā)去研究分子中每個電子的運動狀態(tài), 認(rèn)為形成化學(xué)鍵的電子是在整個分子中運動的,該理論認(rèn)為化學(xué)鍵是原子軌道重疊產(chǎn)生的, 任何數(shù)目的原子軌道重疊可以形成同樣數(shù)目的分子軌道，如H2的形成：,在一般情況下,分子的反鍵軌道內(nèi)沒有電子，只有當(dāng)分子呈激發(fā)狀態(tài)時才有電子。,人民衛(wèi)生電子音像出版社,42,共振論的基本內(nèi)容：一個分子或離子可以用2個只是電子位置不同的Lewis結(jié)構(gòu)式表示。在共振理論中, 每一個Lewis結(jié)構(gòu)式稱為共振式, 任何一個單一的共振式并不能代表分子或離子的真實結(jié)構(gòu), 只有共振式的群體或共振雜化體(resonance hybrid)能代表分子或離子的真實結(jié)構(gòu)。,硝基甲烷是一個