沈陽藥科大學有機化學電子教案第一章.ppt

有機化學電子教案 （2008版）,胡 春,第一章 緒 論,有機化學作為一門學科誕生于19世紀初。 當時化學的研究對象主要是礦物，所以人們將動物或植物中分離得到一些純的化合物稱為有機化合物，簡稱為有機物，其含義是“有生機之物”。當時人們認為，在實驗室無法合成有機化合物。“生命力學說” 1806年瑞典化學家Berzelius(1779-1848)首次使用“有機化學”這個名稱。 19世紀中期人們合成了一些有機化合物，徹底動搖了“生命力學說”。,1-1 有機化學和有機化合物 一、有機化合物與有機化學,第一章 緒 論,自從法國化學家Lavoisier(1743-1794)和德國化學家Liebig(1803-1873)創(chuàng)立和發(fā)展了元素分析方法之后，人們發(fā)現有機化合物都含有碳元素，絕大多數的有機化合物還還有氫元素，有的還含有氮、氧、硫和鹵素等元素，因此德國化學家Gmelin(1788-1853)和Kekule(1829-1896)等認為是有機化合物的基本元素，把碳化合物稱為有機化合物，研究碳化合物的化學稱為有機化學。 后來，德國化學家Schorlemmer(1834-1892)在化學結構學說的基礎上提出：有機化合物是碳氫化合物及其衍生物，相應地有機化學是研究碳氫化合物及其衍生物的化學。 現在一般沿用Gmelin和Kekule的定義，不過有機化合物已經不是原來的含義，與無機化學相比，僅僅是分工不同和研究側重點不同而已。,1-1 有機化學和有機化合物 一、有機化合物與有機化學（續(xù)）,第一章 緒 論,有機化學作為一門學科在19世紀中葉形成的。最初是從植物中提煉染料、藥物和香料的技術中逐漸發(fā)展起來的。 18世紀，人們從動物或植物中分離得到一些純的化合物，如草酸，酒石酸，檸檬酸等，其性質明顯不同于從來源于礦物的化合物，根據其來源稱之為“有機化合物”，當時人們認為，在實驗室無法合成有機化合物。 1806年Berzelius(1779-1848)首次使用“有機化學”這個名稱。 1828年德國化學家Wohler(1800-1882)加熱無機化合物氰酸銨溶液得到有機化合物尿素。,1-1 有機化學和有機化合物 二、有機化學的產生與發(fā)展,第一章 緒 論,1840年德國化學家Kolbe(1818-1884)合成了醋酸。 1850年法國化學家Berthelot(1827-1907)合成了油脂類物質。 1865年，德國化學家Kekule(1829-1896) 指出：在絕大多數有機化合物中碳為四價。在此基礎上發(fā)展了有機化合物結構學說，結構學說對有機化學的發(fā)展起了很大的推動作用。 1874年荷蘭化學家vant Hoff(1852-1911)和法國化學家Le Bel(1847-1930)分別提出：飽和碳原子的四個價指向以碳為中心的四面體的四個頂點，建立了分子的立體概念，說明了旋光異構現象，開創(chuàng)了從立體觀點來研究有機化合物的立體化學。 1885年Baeyer(1835-1917)提出張力學說。經典結構理論,1-1 有機化學和有機化合物 二、有機化學的產生與發(fā)展(續(xù)),第一章 緒 論,1900年Grignard發(fā)現Grignard試劑。 1917年美國化學家Lewis(1875-1946)用電子對來說明化學鍵的生成。 20世紀三十年代誘導效應理論，共扼效應理論，共振論的創(chuàng)立。 1931年Huckel用量子化學的方法來解決不飽和化合物和芳烴的結構問題。 1933年英國化學家Ingold等用化學動力學的方法研究飽和碳原子上親核取代反應的機理。 1951年二茂鐵的合成及其結構的確證。金屬有機化學 1965年中國人工合成牛胰島素（蛋白質）。 1981年中國人工合成酵母丙氨酸轉移核糖核酸（76個核糖核苷）。,1-1 有機化學和有機化合物 二、有機化學的產生與發(fā)展(續(xù)),第一章 緒 論,有機化學正在成為是一門迅速發(fā)展的學科，其分支學科有：天然有機化學，有機合成化學，生物有機化學，金屬有機化學（元素有機化學），物理 有機化學（理論有機化學），有機分析化學，有機立體化學等。 有機化學自始至終與無機化學沒有存在一條鴻溝，而且正在融合。因此在一些大學設置為：普通化學，合成化學，理論化學，金屬化學等。 有機化學的應用，產生一些學科：石油化學，藥物化學，農藥化學，材料化學，軍事化學等。,1-1 有機化學和有機化合物 二、有機化學的產生與發(fā)展(續(xù)),第一章 緒 論,有機化合物數量龐大。已知的化合物有3000萬種，其中有機化合物占絕大多數，而且每年還要幾十萬種的速度在增長。而其余九十幾種元素組成的典型無機化合物不過幾十萬種。為什么有機化合物數量如此之多呢？有兩個原因，一是組成有機化合物的碳原子相互結合能力強，連接方式多樣；其二，有機化合物普遍存在同分異構現象。 截止到3月2日21:41:37，美國化學文摘社已經登錄的化合物的數量為34,062,816種，最新化合物登記號碼為 1006104-32-0。 截止到3月4日07:36:08，美國化學文摘社已經登錄的化合物的數量為34,079,160種，最新化合物登記號碼為 1006303-40-7。,1-1 有機化學和有機化合物 三、典型有機化合物的特點,第一章 緒 論,大多數有機化合物易燃燒，最后生成二氧化碳和水（常以此區(qū)分典型有機化合物和典型無機化合物）。例外，比如四氯化碳，不但不燃，而且可以滅火。 有機化合物大多數難溶于水而易溶于有機溶劑（相似相溶原理）。能夠與水互溶僅僅有極少數有機化合物。 大多數有機化合物熔點較低，超過300以上很少（原因：分子晶體）。大多數有機化合物對熱不穩(wěn)定，受熱容易分解，其分解溫度比較低，超過400的很少。,1-1 有機化學和有機化合物 三、典型有機化合物的特點（續(xù)）,第一章 緒 論,大多數有機化合物發(fā)生化學反應的速度比較慢（原因：分子反應）。 大多數有機化學反應反應復雜，副反應多。一般把一個化合物主要進行的反應稱為主反應，其他反應稱為副反應。由于有機化學反應復雜，因此在一般情況下書寫有機化學反應式時采用箭頭，反應方程式不用配平，一般只寫出主要反應和產物。,1-1 有機化學和有機化合物 三、典型有機化合物的特點（續(xù)）,第一章 緒 論,有機化合物的結構決定其性質，從性質可以推知其結構。因此有機化合物的結構是有機化學的主要內容之一。 有機化合物的結構是指分子的組成，分子中原子的連接次序和方式，分子的三維排列方式，分子中原子的相互關系，分子中電子云的分布等。 有機結構理論的發(fā)展受其他學科的發(fā)展的影響。因此對待有機結構理論應該持發(fā)展的觀點。,1-2 有機化學結構理論,第一章 緒 論,有機化合物中碳原子總是+4價的。 碳原子可以自相結合成鍵。,1-2 有機化學結構理論 一、經典結構理論,第一章 緒 論,表示分子中原子的種類、數目和彼此結合的次序和方式的化學式稱為Kekule結構式（這些結構式現在改稱為構造式）。,1-2 有機化學結構理論 一、經典結構理論,第一章 緒 論,Kekule結構式還解決了一些同分異構問題，例如乙醇與甲醚。,1-2 有機化學結構理論 一、經典結構理論,第一章 緒 論,飽和碳原子具有四面體結構。（這解決了旋光異構問題）,1-2 有機化學結構理論 一、經典結構理論（續(xù)）,第一章 緒 論,1. Kossel-Lewis化學鍵理論 八隅體(Octet)概念：原子的外層電子填滿時（第二層為 8個電子）最穩(wěn)定， 失去或獲得電子成離子離子鍵； 與其它原子共享電子共價鍵。 2. 有機分子的化學鍵共價鍵 碳原子的成鍵特點： 中等電負性，最外層有 4 個電子，可與其它原子共享電子以滿足八隅體（成共價鍵）。 共享一對電子 單鍵 共享兩對電子 雙鍵 共享三對電子 叁鍵,1-2 有機化學結構理論 二、Kossel-Lewis化學鍵理論,第一章 緒 論,3. 有機分子結構的表示方法,1-2 有機化學結構理論 二、 Kossel-Lewis化學鍵理論（續(xù)）,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 二、 Kossel-Lewis化學鍵理論（續(xù)）,4. 配位鍵 特殊的共價鍵； 形成共價鍵的一對電子由一個原子提供。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論,1. 原子軌道和電子云 共價鍵由成鍵電子所在原子軌道重疊形成。 原子軌道（）：電子在原子核外空間運動狀態(tài)函數。 電子云（2） ：電子在核外空間運動出現的幾率密度。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論,1. 原子軌道和電子云（續(xù)） s軌道圍繞原子核呈球形對稱，p軌道呈啞鈴形。 原子軌道圖中“+”、“-”表示波函數位相，并不代表電荷。 原子軌道中電子排布遵守Pauli不相容原理，能量最低原理，Hund規(guī)則。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,2. 價鍵法（VB法） 1927年Heiter和London提出處理化學鍵的量子力學方法，后來經過Pauling等進一步完善。 價鍵法（VB法），又稱為電子配對法 。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,2. 價鍵法（VB法） 基本要點： (1) 形成共價鍵的兩個原子均具有未成對電子，并且自旋方向相反；每一對電子形成一個共價鍵。 (2) 原子價數：原子的未成對電子數。 (3) 共價鍵具有飽和性。 (4) 共價鍵具有方向性。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,2. 價鍵法（VB法）,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,3. 雜化軌道理論 Pauling于20世紀30年代提出雜化軌道理論。 基本要點： (1) 原子在成鍵時，可以變成激發(fā)態(tài)；而且能量相近的原 子軌道可以重新組合形成新的原子軌道，既雜化軌道。 (2) 雜化軌道的數目等于參加雜化的原子軌道的數目。 (3) 雜化軌道的方向性更強，成鍵能力更大。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,4. 分子軌道理論 分子軌道理論：是以“形成共價鍵的電子是分布在整個分子之中”的離域觀點為出發(fā)點的。價鍵理論：是以“形成共價鍵的電子只處于形成共價鍵兩原子之間”的定域觀點為出發(fā)點的。 分子軌道即分子中價電子的運動狀態(tài)，可用波函數來描述。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,4. 分子軌道理論（續(xù)） 分子軌道理論的基本要點： （1）分子軌道是由原子軌道通過線性組合而成； （2）組合前后的軌道數守恒：即有幾個原子軌道就可以組合成幾個分子軌道。 （3）原子軌道組合成分子軌道遵守最大重疊原則，能量近似原則，對稱性匹配原則。 （4）電子在分子軌道中的排布與原子中電子在核外排布類似。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,4. 分子軌道理論（續(xù)）,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,4. 分子軌道理論（續(xù)）,節(jié)面,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,4. 分子軌道理論（續(xù)）,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 三、現代共價鍵理論（續(xù)）,4. 分子軌道理論（續(xù)）,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 四、共價鍵的屬性,鍵長：分子中兩個成鍵原子核之間的距離。 2. 鍵角：在多原子分子中，兩個或者兩個以上的原子與其他原子在成鍵以后，鍵與鍵之間的夾角。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 四、共價鍵的屬性,3. 鍵能：兩成鍵原子在形成共價鍵的過程中釋放的能量或者共價鍵斷裂形成兩個原子的過程中所吸收的能量。鍵的解離能：分子中某一給定的共價鍵斷裂生成原子或者自由基所吸收的能量。（雙原子分子：鍵的解離能與鍵能相同。）,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 四、共價鍵的屬性,3. 鍵能：,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 四、共價鍵的屬性（續(xù)）,4. 鍵的極性： （1）非極性共價鍵：兩個相同原子組成的共價鍵。 （2）極性共價鍵：兩個不相同原子組成的共價鍵，由于兩個原子的電負性不同，造成成鍵電子云非對稱分布，其電荷用+或-表示。 鍵的極性大小用偶極距或鍵距來衡量。 偶極距：用于衡量共價鍵的極性的大小，是正負電荷中心之間的距離（d）與正負電荷電量之間的乘積。用+表示。,第一章 緒 論,1-2 有機化學結構理論 四、共價鍵的屬性（續(xù)）,4. 鍵的極性： （3）分子極性：分子極性為鍵的極性的向量和。 （4）分子可極化性：在外界電場作用下，共價鍵的極性發(fā)生變化的程度。 分子可極化性與成鍵原子的體積、電負性、共價鍵鍵的種類，以及外界電場強度有關。一般地，成鍵原子的體積越大，電負性越小，共價鍵的可極化性就越大。,第一章 緒 論,1-3 研究有機化合物的一般步驟 一、分離純化 二、元素分析 三、實驗式和分子式的確定 四、結構式的確定,第一章 緒 論,1-4 有機化合物的分類 一、按照官能團分類,在有機化合物中，決定一類化合物的主要物理化學性質的原子或原子團稱為官能團，又稱為功能基。 常見的官能團和化合物的類別：,第一章 緒 論,1-4 有機化合物的分類 一、按照官能團分類,常見的官能團和化合物的類別：,第一章 緒 論,1-4 有機化