有機化學和有機化合物課件

1、第一章 緒 論 1 有機化合物和有機化學 1.1 有機化學和有機化合物 有機化學是化學的一個分支，它是研究有機化合物的來源、制備、結構、性能、應用以及有關理論和方法學的科學。有機化合物的主要特征是含有碳原子，即都是含碳化合物，因此有機化學就是研究碳化合物的化學。 有機化學的發(fā)展 有機化學作為一門科學是在十九世紀產(chǎn)生的，但有機化合物在生活中和生產(chǎn)中的應用由來已久。最初是從天然產(chǎn)物中提取有效成分。例如：從植物中提取染料、藥物、香料等。在十八世紀末，已經(jīng)得到了許多純粹的化合物如酒石酸、檸檬酸、乳酸、尿素等。這些化合物有許多共同性質，但與當時從礦物來源得到的化合物相比，則有明顯的區(qū)別。在十九世紀初曾認

2、為這些化合物是在生命力的作用下生成的，有別于從無生命中的礦物中得到的化合物。因此叫做有機化合物，后者叫做無機物。有機化合物的主要特征是都含有碳原子，即都是碳的化合物。從歷史遺留下來的“有機化學”和“有機化合物”現(xiàn)仍使用，但涵義已發(fā)生了變化。有機化合物就是碳化合物。有機化學就是碳化合物的化學。 1.2 有機化合物的特點 絕大多數(shù)有機物只是由碳、氫、氧、氮、硫、磷、鹵素等少素元素組成，而且一個有機化合物只含有其中少數(shù)元素。但是，有機化合物的數(shù)量卻非常龐大，已知的有機化合物已達一千多萬種，它們的性質千變?nèi)f化，各不相同?？倲?shù)遠遠超過了無機化合物的總和（所有非碳元素化合物估計只有幾十萬種），因此完全有必

3、要把有機化學單獨作為一門學科來研究。1.2.1 有機化合物結構上的特點同分異構現(xiàn)象 有機化合物數(shù)量如此之龐大，首先是因為碳原子成鍵能力強的緣故。碳原子可以互相結合成不同碳原子數(shù)目的鏈或環(huán)。此外，即使碳原子相同的分子，由于碳原子不之間的連接方式有多種多樣，因此又可以組成結構不同的許多化合物。分子式相同而結構相異因而性質也各異的化合物，稱為同分異構體，這種現(xiàn)象叫同分異構現(xiàn)象。同分異構現(xiàn)象 同分異構在有機化合物中普遍存在。例如C2H6O就可以代表乙醇和二甲醚兩種不同性質的化合物： 有機化合物性質上的特點 （1）一般有機化合物熱穩(wěn)定性差，易受熱分解，許多有機化合物在200300即逐漸分解。（2）大多數(shù)

4、有機化合物可以燃燒。（3）許多有機化合物在常溫下是氣體、液體。常溫下為固體的有機物，他們的熔點一般很低，超過300的有機物很少。（4）一般有機化合物的極性較弱或完全沒有極性，而水是強極性，因此一般有機化合物難或不溶于水。（5）有機化合物的反應，多數(shù)不是離子反應，而是分子間的反應，除少數(shù)（自由基反應）反應較快，大多數(shù)有機反應需一定時間完成。（6）有機反應往往不是單一的反應，反應除主反應外，還有副反應。2 有機化合物中的共價鍵 2.1 共價鍵的本質 原子成鍵時，采用各出一個電子配對而形成的共用電子對。這樣生成的化學鍵叫做共價鍵。例如，碳原子和氫原子形成四個共價鍵而生成甲烷。共價鍵的飽和性 按照量子

5、化學中價鍵理論的觀點，共價鍵是兩個原子的未成對而又自旋相反的電子偶合配對的結果。共價鍵的形成使體系的能量降低，形成穩(wěn)定的結合，一個未成對電子既經(jīng)配對成鍵，就不能再與其他未成對電子偶合，所以共價鍵有飽和性。原子的未成對電子數(shù)，一般就是它的化合價數(shù)或價鍵數(shù)。兩個電子的配合成對也就是兩個電子的原子軌道的重疊（或稱交蓋）。因此也可以簡單的理解為重疊部分越大，形成的共價鍵就越牢固。共價鍵的方向性 某些電子的原子軌道，例如p原子軌道，具有方向性。因為原子軌道只有在一定方向，即在電子云密度最大的方向，才能得到最大的重疊而形成鍵，所以共價鍵也有方向性。 2.2 有機化合物中共價鍵的性質 鍵長：形成共價鍵的兩個

6、原子的原子核之間，保持一定的距離，這個距離稱為鍵長 ,單位nm化合物CCCCCCCHCH3-CH30.153 0.109CH2=CH2 0.134 0.109CHCH 0.1210.106CH3-CH=CH-CH30.1540.134 CH3-CC-CH30.147 0.1200.109鍵角 共價鍵有方向性，因此任何一個兩價以上的原子，與其他原子所形成的兩個共價鍵之間都有一個夾角，這個夾角就叫做鍵角。例如，甲烷分子中四個C-H共價鍵之間的鍵角都是109.5。鍵能 氣態(tài)時原子A和原子B結合成A-B分子（氣態(tài)）所放出的能量，也就是A-B分子（氣態(tài)）離解為A和B兩個原子（氣態(tài)）時所需要吸收的能量，這

7、個能量叫做鍵能。一個共價鍵離解所需的能量也叫做離解能。 離解能指的是離解特定共價鍵的鍵能，而鍵能則泛指多原子分子中幾個同類型鍵的離解能的平均值。 鍵的極性和元素的電負性 對于兩個相同原子形成的共價鍵來說（例如H-H、Cl-Cl），可以認為成鍵電子云是對稱分布于兩個原子之間的，這樣的共價鍵沒有極性。但當兩個不同的原子結合成共價鍵時，由于這兩個原子對于價電子的引力不完全一樣，這就使分子的一端帶電多些，而另一端帶電少些。我們就認為一個原子帶一部分負電，而另一個原子則帶一部分正電。這種由于電子云的不完全對稱而呈現(xiàn)極性的共價鍵叫做極性共價鍵。 鍵的極性 可以用箭頭來表示這種極性鍵，也可以用和來表示構成極

8、性共價鍵的原子的帶電情況。例如：元素的電負性與分子的極性 一個元素吸引電子的能力，叫做這個元素的電負性。電負性數(shù)值大的原子具有強的吸引電子的能力。極性共價鍵就是構成共價鍵的兩個原子具有不同電負性的結果（一般相差0.6-0.7之間）。 電負性相差越大，共價鍵的極性也 越大。常見元素的電負性數(shù)值 PeriodIIIIIIIVVVIVII1H 2.12Li 1.0Be 1.5B 2.0C 2.5N 3.0O 3.5F 4.03Na 0.9Mg 1.2Al 1.5Si 1.8P 2.1S 2.5Cl 3.04K 0.8Ca 1.0Br 2.85I 2.5偶極矩單位為D，德拜（Debye） 極性共價鍵的

9、電荷分布是不均勻的，正電中心與負電中心不相重合，這就構成了一個偶極。正電中心或負電中心的電荷q與兩個電荷中心之間的距離d的乘積叫做偶極矩。 = q x d 德拜（Debye）值的大小表示一個鍵或一個分子的極性。偶極矩有方向性，一般用符號來表示。箭頭表示從正電荷到負電荷的方向。 偶極矩 在兩原子組成的分子中，鍵的極性就是分子的極性，鍵的偶極矩就是分子的偶極矩。在多原子組成的分子中，分子的偶極矩就是分子中各個鍵的偶極矩的向量和。例如：共價鍵的斷裂和有機反應類型 鍵的均裂 自由基反應：分子經(jīng)過均裂而發(fā)生的反應 。 反應特點: 1、在光、熱或自由基引發(fā)劑作用下發(fā)生 ， 沒有明顯的溶劑效應。 2、 酸、

10、堿催化劑對反應沒有明顯的影響 反應有誘導期。 3、可通過加入能與自由基偶合的物質（阻抑劑）終止反應 。鍵的異裂 共價鍵斷裂的另一種方式是不均勻裂解，也就是在鍵斷裂時，兩原子間的共用電子對完全轉移到其中的一個原子上。鍵異裂的結果就產(chǎn)生了帶正電或帶負電的離子。例如： 離子型反應 由共價鍵異裂產(chǎn)生離子而進行的反應，叫做離子型反應。異裂反應類型:（ 根據(jù)反應試劑 ) 親電反應(Electrophilic Reaction) 由親電試劑進攻而發(fā)生的反應稱為親電反應。 反應特點：往往在酸，堿或極性物質（如極性溶劑）催化下進行。親電試劑(Electrophiic Reagent) 對電子有顯著結構上的親和力

11、而起反應的試劑。主要特點: 具有空軌道的中性分子或正離子在反應中是電子的接受體 常見的親電試劑有: H+ , H3O+, NO2+, NO+ ,PhN2+, R3C+, SO3, BF3, AlCl3, ICl, Br2, O3 底物(Substrate)：有機反應中被試劑進攻的化合物 。親核反應(Nucleophilic Reaction) 由親核試劑進攻而發(fā)生的反應稱親核反應。 親核試劑：對原子核有顯著結構上的親和力而起反應的試劑。 主要特點： 具有未共用電子對的中性分子和負離 在反應中是電子對的給予體 常見的親核試劑 H, BH4, HSO3, HO, RO, RS, CN, RCOO,

12、 RCC,CH(COOC2H5)2, H2O, NH3, NH2R, H2S, RMgX, RLi協(xié)同反應(Concerted Reaction) 沒有自由基或離子等活性中間體產(chǎn)生。協(xié)同反應：反應物進行反應時,新鍵的生成與舊鏈斷裂同時發(fā)生, 且不經(jīng)過中間體而一步完成的反應。 主要特點： 反應過程只有鍵變化的過渡態(tài)（往往為環(huán)狀），一步發(fā)生成鍵和斷鍵。4.有機化合物的分類 為了研究方便起見，對數(shù)目龐大的有機化合物需要一個完善的分類方法。一般的結構式雖不能表達分子結構的全部內(nèi)容，但在一定程度上總是反映了分子結構的基本特點。因此有機化合物可以按碳鏈結合方式不同的基礎上加以分類。4.1 按碳鏈分類 按碳

13、鏈結合方式的不同，有機化合物可以分為： (1) 開鏈族化合物（脂肪族化合物） 分子中碳原子間相互結合而成碳鏈，不成環(huán)狀。(2) 碳環(huán)族化合物 分子中具有由碳原子連接而成的環(huán)狀結構。碳環(huán)族化合物又可分為兩類： 1、脂環(huán)族化合物 2、芳香族化合物 脂環(huán)族化合物 這類化合物可以看做是由開鏈化合物連接閉合成環(huán)而得。它們的性質和脂肪族化合物相似，所以又叫做脂環(huán)族化合物。例如： 芳香族化合物 這類化合物具有由碳原子連接而成的特殊環(huán)狀結構，使它們具有一些特殊的性質。例如： （3） 雜環(huán)族化合物 這類化合物也具有環(huán)狀結構，但是這種環(huán)是由碳原子和其他原子如氧、硫、氮等共同組成的。例如： 4.2 按官能團分類 在上述每一類化合物中，又可按分子中含有相同的、容易發(fā)生某些特征反應的原子（如鹵素原子）、原子團如-OH（羥基）、-COOH（羧基）或某些特征化學鍵結構等來進一步分類。由于這些容易發(fā)生的反應體現(xiàn)了分子中這一部分原子、原子團或特征結構的