有機化學南京理工大學緒論PPT課件

1、1.3 有機物構造式的表示方式1.4 分子間相互作用力1.5 酸堿的概念1.6 有機反應的類型第1頁/共42頁1.11.1有機化合物1.1.11.1.1有機化合物和有機化學 有機化學的研究內(nèi)容有機化合物組成結構性質的變化規(guī)律性質有機反應第2頁/共42頁有機化合物的組成： 基本元素：C C 其它元素： H, N, O, X, S, P, Si H, N, O, X, S, P, Si 等有機化合物：常指含碳原子的化合物，泛指為碳氫化合物及其衍生物CHHHHCH3CH2OH乙醇(乃詩仙李白所愛之酒也)3CH使人們的行程來也匆匆,去也匆匆,乃航空汽油也甲苯甲烷(沼氣)第3頁/共42頁 C C原子與其

2、它原子形成分子時的排布規(guī)律 丁醇C4H10Oa 碳架 b 其它原子分布在C原子周圍CCCCCHHHCOHCHHHCHHHCHHHCHHCHHCHHOHCHHHCHHCHOHCHHHCCCC第4頁/共42頁 C與其它原子結合力化學鍵 化學鍵：在分子中，原子或原子團相互結合的強引力叫做化合鍵。化學鍵離子鍵共價鍵相互提供電子獨立提供電子a a方向性b b飽和性c c空間特性金屬鍵 第5頁/共42頁通過價電子轉移而形成的帶有相反電荷的離子之間，由于靜電吸引而形成的化學鍵叫離子鍵。 例如：鈉原子和氯原子反應時（氣態(tài)），鈉給出一個電子形成鈉正離子，氯得到一個電子形成氯負離子，這兩個正負離子（NaNa+ +

3、和ClCl- -）由靜電吸引（離子鍵）而形成氯化鈉晶體（NaNa+ +和ClCl- -） 。 離子鍵Na (氣氣)Na(氣氣 ) + eCl(氣氣) + eCl(氣氣)Na (氣氣 )+Cl(氣氣 )Na Cl(氣氣 )第6頁/共42頁共價鍵共價鍵C4 H+CHHHHCHHHHKeculKecul 價鍵式Lewis Lewis 結構式 a a帶有單個電子的兩個原子，通過電子對的共用形成的化學鍵。 例如：碳原子的四個價電子分別與四個氫原子的價電子共用（共價鍵）而形成甲烷分子。 有機化合物中原子和原子間的連接都是共價鍵，因此有機化合物的共同結構特征共價鍵結合。 第7頁/共42頁b b 由一個原子提

4、供一對電子形成的共價鍵叫做配位鍵。用符號“”表示，箭頭指向接受電子的原子。例如(CH(CH3 3) )3 3NONO，（氧化三甲胺）其中氮和氧所共有的一對電子完全是由氮所提供的。 c c金屬鍵（略） 金屬鍵的最大特征是外層價電子很容易失去，形成正離子和自由電子，自由電子不是固定在某一金屬離子附近的，而是在離子晶格中自由運動，由于自由電子不停的運動，而將金屬的原子或離子連接在一起所形成的化學鍵叫做金屬鍵。 第8頁/共42頁1.1.2 有機化合物的分類與官能團有機化合物可有機化合物可按碳架和官能團分類兩種。按碳架和官能團分類兩種。按碳架分三類按碳架分三類開鏈化合物開鏈化合物兩端碳鏈不相連，碳碳之間

5、的鍵兩端碳鏈不相連，碳碳之間的鍵 乙烷（單鍵） 1-1-丁烯（雙鍵） 丙炔（三鍵）CH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CCH單鍵單鍵 C-C三鍵三鍵C C 雙鍵雙鍵C C第9頁/共42頁環(huán)狀化合物環(huán)狀化合物兩端碳鏈相連而成環(huán)兩端碳鏈相連而成環(huán)環(huán)環(huán)狀狀化化合合物物碳碳環(huán)環(huán)化化合合物物雜雜環(huán)環(huán)化化合合物物脂環(huán)化合物：性質和開鏈化合物相似脂環(huán)化合物：性質和開鏈化合物相似芳香族化合物芳香族化合物: :具有特殊的物理和化學性質具有特殊的物理和化學性質脂雜環(huán)化合物脂雜環(huán)化合物芳雜環(huán)化合物芳雜環(huán)化合物第10頁/共42頁脂環(huán)化合物：脂環(huán)化合物：OH環(huán)己烷 環(huán)戊二烯 環(huán)辛烯 環(huán)己醇芳香族化合物芳香族化合物O

6、HCl苯 萘 苯酚 氯苯雜環(huán)化合物：雜環(huán)化合物：四氫呋喃 噻吩 吡啶 糠醛 SONOCHO第11頁/共42頁2、 按官能團分類按官能團分類特殊的原子或原子團叫做官能團特殊的原子或原子團叫做官能團官能團官能團展現(xiàn)有機化合物的性質展現(xiàn)有機化合物的性質具有進行反應和發(fā)生轉變的功能具有進行反應和發(fā)生轉變的功能表表1.1 有機分子中常見的官能團有機分子中常見的官能團第12頁/共42頁表表1.1 有機分子中常見的官能團有機分子中常見的官能團化合物類型化合物類型 化合物化合物 官能團構造官能團構造 官能團名稱官能團名稱烯烯烴烴炔炔烴烴鹵鹵代代烴烴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

7、硫醇醇磺磺酸酸H2CCH2HCCHCH3XC2H5OH,C6H5OHC2H5OC2H5CH3CHOCH3CCH3OCH3COHOCH3CNCH3NH2CH3NO2C2H5SHC6H5SO3HCCCCXOHCOCCHOCOCOHOCNNH2NO2SHSO3H碳碳碳碳雙雙鍵鍵碳碳碳碳叁叁鍵鍵鹵鹵基基( (鹵鹵原原子子) )羥羥基基醚醚鍵鍵醛醛基基酮酮基基( (羰羰基基) )羧羧基基氰氰基基氨氨基基硝硝基基巰巰基基磺磺基基第13頁/共42頁1.2 有機化合物的結構理論有機化合物的結構理論1.2.1原子軌道和八隅體原子軌道和八隅體（1 1）原子軌道 電子在原子中的運動狀態(tài)叫做原子軌道，用波函數(shù)表示。

8、電子的運動狀態(tài)常用s s軌道和p p軌道來描述。其物理意義是電子在某軌道域出現(xiàn)的概率。將出現(xiàn)的概率繪制成圖，就像帶負電荷的“云” ，謂之電子云軌道也。第14頁/共42頁軌道的形狀軌道的形狀 電子云以原子核為中心呈球體狀稱電子云以原子核為中心呈球體狀稱s軌道。在原子第一層只有軌道。在原子第一層只有1s軌道，是能量最軌道，是能量最低的軌道。低的軌道。 在原子的第二層共計有四個軌道。一個在原子的第二層共計有四個軌道。一個2s軌道，軌道，三個能量相同的三個能量相同的P軌道，即軌道，即Px、Py、Pz軌道。三個軌軌道。三個軌道彼此相互垂直。道彼此相互垂直。第15頁/共42頁（形象地講，（形象地講，2 2

9、個個p p軌道形成紅十字會標志，另軌道形成紅十字會標志，另一個一個P P軌道則穿過十字中心），分別在軌道則穿過十字中心），分別在xyzxyz軸上軸上呈呈“8 8”，由兩辯組成，原子核在由兩辯組成，原子核在“8 8”狀軌道狀軌道的中間坐標零之處。的中間坐標零之處。p p電子通過原子核的直線電子通過原子核的直線為軸對稱而集中在原子核兩邊的一定區(qū)域內(nèi)。為軸對稱而集中在原子核兩邊的一定區(qū)域內(nèi)。每個每個p p軌道都有一個節(jié)面，如軌道都有一個節(jié)面，如PzPz軌道圍繞軌道圍繞z z軸呈軸呈軸對稱，軸對稱，xyxy平面為節(jié)面，節(jié)面上的電荷密度為平面為節(jié)面，節(jié)面上的電荷密度為零。零。P軌軌道道第16頁/共42頁

10、（2）八隅體和分子的穩(wěn)定性）八隅體和分子的穩(wěn)定性外層軌道為滿的構型才是穩(wěn)定結構。八隅體八隅體本不是八，隅之成八。隅本不是八，隅之成八。隅互用也。互用也。分子8電子構型（八隅體）原子外層軌道原子外層軌道2電子構型惰性元素 氦2電子構型惰性元素 氖氬氡8電子構型第17頁/共42頁 乙烯乙炔外層軌道均為8 8電子構型而穩(wěn)定。例如 外層軌道2 2個電子構型CCOHHHHHH乙醇氫：2 2個電子構型氧：8 8個電子構型碳：8 8個電子構型 在乙醇分子中對于單獨的各個原子的外層軌道都不足以滿足其穩(wěn)定構型。電子互用，達到2 2個電子和8 8電子構型而穩(wěn)定也。CCHHHHHH HHCC乙烯C?CHHCCHHH

11、 +HHH第18頁/共42頁2 2 雜化軌道什么是雜化 雜化的實質就是能量相近的軌道重新組合。能量相近就是獨個原子的軌道雜化必須是同層軌道才能重新組合。如碳原子的1s1s和2s2s軌道不能雜化，不符合能量相近原則。不同的原子則視具體情況而定。軌道形態(tài) S S軌道以原子核為中心呈球體狀。 P P軌道以原子核為中心的8 8字狀。為什么要雜化 為了從理論上解釋化合物的各種性質。 第19頁/共42頁怎樣雜化 原子軌道是描述電子繞核運動狀態(tài)的常用spsp軌道，故原子軌道與原子軌道雜化有三種形式。即SPSP、SPSP2 2、SPSP3 3。SPSP3 3雜化一個S S軌道與三個P P軌道雜化SPSP3 3

12、雜化如何進行的？ 眾所周知，碳原子在基態(tài)時的外層軌道為1 1個2S2S軌道和3 3個P P軌道。其外層軌道構型為：2S2S2 2，2Px2Px1 1、2Py2Py1 1、2Pz2Pz0 0，雜化軌道描述如下 2p 2s 能能 量量2p 2s 基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)sp3雜化態(tài)雜化態(tài)第20頁/共42頁2S軌道的軌道的1個電子被激發(fā)到個電子被激發(fā)到2Pz空軌道上，形成空軌道上，形成碳原子的外層軌道都具有碳原子的外層軌道都具有1個電子即個電子即2S1、2Px1、2Py1、2Pz1。2s軌道和軌道和3個個2P軌道重新組合得軌道重新組合得到到4個個SP3雜化軌道。雜化軌道。S成分成分1/4，P成分成分3/

13、4，但，但軌道不再繞核呈對稱分布，一瓣增大，另一瓣軌道不再繞核呈對稱分布，一瓣增大，另一瓣縮小，縮小，SP3軌道的形態(tài)為軌道的形態(tài)為2S未雜化未雜化2P未雜化未雜化+雜化雜化4個個SP3雜化軌道雜化軌道3第21頁/共42頁 當進行反應時，碳原子的4 4個Sp3Sp3軌道與4 4個原子或基團進行反應，這就是碳原子為什么總是四價的原因。雜化軌道吸附電子的能力為：SPSPSPSP2 2SPSP3 3雜化軌道分布a a、SPSP3 3雜化軌道以碳原子為中心，4 4個Sp3Sp3雜化軌道對稱分布在碳原子周圍，互成109.5 109.5 的角度，因而呈正四面體結構。 第22頁/共42頁2S未雜化未雜化2P

14、未雜化未雜化+雜化雜化3個個SP2雜化軌道雜化軌道2b b、同理SPSP2 2雜化，就是1S1S軌道和2P2P軌道雜化成3 3個SPSP2 2雜化軌道即：SPSP2 2雜化軌道形狀和SPSP3 3雜化軌道相似，但它們處在同一平面且對稱分布在碳原子周圍，三者之間成120120角度。碳的碳的SP2和和Pz軌道軌道第23頁/共42頁c c、SPSP雜化 就是1S1S軌道和1P1P軌道雜化成2 2個SPSP雜化軌道即：SPSP雜化軌道對稱分布在碳原子兩側，成為一條直線，方向相反，兩者之間為180180角度2S未雜化未雜化2P未雜化未雜化+雜化雜化2個個SP雜化軌道雜化軌道1碳的碳的SP、2Py、2Pz

15、軌道軌道第24頁/共42頁鍵和鍵的形成a鍵 乙烯的分子式為C2H4，構造式為: 碳與碳之間由一鍵和一個鍵連接的。鍵是由兩個碳原子各出一個SP2雜化軌道沿對稱軸方向重疊而成。即： CCHHHHCC 鍵 軸向重疊SP2SP2軸向重疊第25頁/共42頁鍵的特性鍵呈圓柱型對稱，比較牢固，可極化性小，可沿鍵軸自由旋轉鍵的特性 易斷裂（易進行化學反應）不能繞軸自由旋轉。旋轉會使兩個p p軌道離開平行狀態(tài)，從而破壞軌道電子云的重疊。 b 鍵鍵是由兩個碳原子各出一個P軌道平行重疊而成。鍵平行重疊鍵分布在鍵的上面和下面。故乙烯是由一個C-C鍵和C-C鍵形成的。第26頁/共42頁分子軌道理論（MOMO）描述共價鍵

16、形成的一種理論。其觀點是：在分子中任何電子可看成是在所有核和其余電子所形成的勢場中運動。描述分子單個電子運動的狀態(tài)函數(shù)()()稱為分子軌道。分子軌道理論：離域原子軌道理論：定域分子軌道數(shù)目和原子軌道數(shù)目相等。成鍵軌道和反鍵軌道a a 核間電子云密度增大的為成鍵軌道b b 核間電子云密度減小的為反鍵軌道 1.2.3 分子軌道理論分子軌道理論4 4 原子軌道組成分子軌道的三條件三條件能量相近最大重疊對稱性（位相）相同第27頁/共42頁*鍵在兩個原子核間有一個節(jié)面 鍵在兩個原子核間無節(jié)面 S S*SPP P*P P* PP平行重疊形成鍵節(jié)面是由于原子軌道組成分子軌道，位相不同而形成的。它表示分子軌道

17、上運動的電子極難光顧，即電子出現(xiàn)在節(jié)面概率為零。第28頁/共42頁-+1 2*+ -表示位相+-+1 2+位相不同位相相同總結：1.原子軌道不存在位相問題2.原子軌道組成分子軌道符合三個條件 能量相近 最大重疊 對稱性（位相）相同 3.對同一個原子而言，能量相同才能形成分子軌道，能量不同難于形成分子軌道+ +-1S 1S+-1S 2S分子軌道 (能量相同，最大重疊，位相相同）不能形成分子軌道(能量不同)第29頁/共42頁5分子軌道容納電子要符合三原則Pauli每個軌道最多容納兩個電子，且兩個電子自旋必須反平衡Hund 能量相等的分子軌道，電子將盡可能占據(jù)不同的軌道，且自旋平行a 能量最低原理b

18、 pauli不相容原理c 洪特規(guī)則4.對不是同一個原子而言，視具體情況而定，即：+1S 2SA原子 B原子1S 2S第30頁/共42頁1.2.4 1.2.4 鍵長 鍵角和鍵能鍵長兩個原子以共價鍵結合時兩個原子核間的距離叫做鍵長。SP3SP2 SPSP3SP2 SP，p p成分越多，鍵長越長鍵角同一原子上的兩個鍵之間的夾角叫做鍵角。反映空間結構。鍵能將兩個用共價鍵連接起來的原子拆開成原子狀態(tài)時所需要吸收的能量稱之為鍵的解離能。表表1-3 一些共價鍵的鍵能一些共價鍵的鍵能共價鍵共價鍵鍵能鍵能/kJmol-1共價鍵共價鍵鍵能鍵能/kJmol-1CCCHCNCOCF347414305360485CCl

19、CBrCCCCCI339285218611837第31頁/共42頁1.2.5 1.2.5 鍵的極性鍵的極性 電負性原子核對成鍵電子吸引的能力叫做電負性。 吸電子能力，電負性。原子核越小，具有正電荷越多，吸電子能力強，電負性強 F電負性最大共價鍵的極性 由共價鍵結合的兩個不同原子共享一對電子，它們并不均等擁有電荷，導致正負電荷中心并不重合，共價鍵產(chǎn)生極性，鍵的極性可用+和-表示。 +表示正電荷，-表示負電荷。 正負電荷中心重合 非極性 正負電荷中心不重合 極性共價鍵的可極化性 無論是極性的還是非極性的共價鍵均能在外電場影響下引起電子云密度的重新分布，從而使極性發(fā)生變化。這種性質稱為共價鍵的可極化

20、性。C-X（鹵素）鍵的可極化性大小順序為：（鹵素）鍵的可極化性大小順序為：CICBrCCl鍵的可極化性是鍵的一種暫時性質，極性是鍵的固有性質。由于鍵電子束縛較緊，對極化較遲鈍，鍵電子束縛較松，對極化較敏感第32頁/共42頁偶極矩某些分子的正電中心和負電中心不相重合，這種在空間具有兩個大小相等，符號相反電荷在分子中就構成一個偶極，偶極可以 表示 ，它表示方向從正電荷到負電荷，則偶極矩為正電中心或負電中心上的電荷值q與兩個電荷中心之間距離d的乘積，用表示 = qd,單位c*m（庫侖米）偶極矩是向量和，在四氯化碳分子中，偶極相等，方向呈反相對應，故向量和為零，即為0 +- = 0c*m+- =6.2

21、4*10-30 c*mCClClClClHHHClC第33頁/共42頁1.2.6 1.2.6 孤對電子和形式電荷原子形成分子后，為滿足八隅體結構，某些原子上仍有未用于成鍵的價電子，叫做孤對電子（非鍵電子）。例如 氧原子有6 6個價電子 2 2對孤對電子（4 4個價電子）1 1對孤對電子 （2 2個價電子）通常孤對電子不被表示出來 ROHROHR2NHR2NHN第34頁/共42頁碳架式：將分子中直接與碳原子相連的氫原子略去，只表示出碳架結構，基團在相應的碳原子上用鍵線連接， 開庫勒結構式(鍵線式)常用短線表示：例如1.3 1.3 有機物構造式的表示方式什么叫構造式表示分子中原子間連接次序的化學式

22、稱為構造式。一根表示單鍵 =根表示雙鍵 根表示三鍵 開氏（鍵線式）縮略式 碳架式構造式H H H HHHHHH C C C C OH1-丁醇C C C CHH HH HHHHHOH2-丁醇縮略式：將分子中各個原子按次序表達出來，相同原子用阿拉伯數(shù)字表明。例如：CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2（OH）CH3 1-1-丁醇 2-2-丁醇OHOH單鍵單鍵1-丁醇2-丁醇第35頁/共42頁1.4 1.4 分子間相互作用力范氏力 氫鍵范氏力：存在于極性和非極性分子中。氫鍵: : 與電負性很強的原子相連的氫，能和電負性很大的原子產(chǎn)生吸引的氫鍵。N N、O O、F F3CH2NON+H O H3CH2NONHOH2HCH2NON3CHCOOH+ H O H3CHCOH O HOH氫鍵范氏力性質 飽和性 方向性第36頁/共42頁1.5 1.5 酸堿的概念有機分子中的酸堿常用 進行描述質子理論電子理論質子理論放出質子的物質為酸，即形成該酸的共軛堿接受質子的物質為堿，即形成該堿的共軛酸A-H B + H+ H2SO4HSO4+ H+酸堿堿酸某些物質具有雙重性：3CH ONa2NaNH3(CH OH 酸)3CH OH24H SO3(CH OH 堿)3+24-CH O H