清華大學李艷梅有機化學緒論1Introdu

1、有機化學A1,主講教師：李艷梅 教授 清華大學化學系 E-mail: URL: ,Chapter 1,Introduction 第一章 緒論,Organic Chemistry A (1) By Prof. Li Yan-Mei Tsinghua University,Content,Part I Organic compounds and organic chemistry - History 第一部分 有機化合物與有機化學 歷史簡介 Part II Fundamental Knowledge 第二部分 基礎(chǔ)知識 Structure, reaction B. Saturation of a

2、covalent bond; C. Direction of a covalent bond; D. Hybrid orbital theory. sp3,sp2,sp hybrid orbital VSEPR theory,Electrons with opposite spin form covalent bond. 自旋方向相反的電子配對形成共價鍵,B. Saturation of a covalent bond 共價鍵具有飽和性,If a electron has been involved in one covalent bond, no third electron would b

3、e accepted. 當原子的一個未成鍵電子與其他原子的一個電子配對之后,就不能再與第三個電子配對。,C. Direction of a covalent bond 共價鍵具有方向性,成鍵時,兩個電子的原子軌道發(fā)生重疊,重疊部分的大小決定共價鍵的牢固程度,兩種較穩(wěn)定的重疊成鍵方式:,原子軌道沿軌道的對稱軸方向重疊, 鍵,兩個平行的p軌道側(cè)面交疊, 鍵,-bond,s-s,s-p,sp3-sp3,-bond,電子云分布沿鍵軸呈圓柱形對稱,電子云密度在兩個原子鍵軸平面的上方和下方最高,D. Hybrid Orbital Theory 雜化軌道理論,sp3 hybridization,C,sp3

4、hybridization,C,sp3 hybridization,sp2 hybridization,-,+,p orbital,sp2 orbital,sp2 hybridization,+,-,sp2 hybridization,sp hybridization,-,-,+,+,p orbital,sp orbital,-,-,+,+,sp hybridization,-,-,+,+,sp hybridization,不同雜化態(tài)碳原子的電負性差異,sp3,sp2,sp,sp雜化形式的軌道成鍵后，兩成鍵原子間電子云密度最大的區(qū)域最偏向該碳原子 可視為sp雜化的碳原子的電負性最大 即：s成分

5、越多的雜化形式，可視為電負性越大,VSEPR Theory 價電子對互斥理論,Valance Shell Electron-Pair Repulsion Theory,Electron pairs repel each other, so that the farthest apartment is always reached. 價電子對互相排斥，使得成鍵軌道具有最大的距離和最小的干擾。,Molecular Orbital Theory 分子軌道理論,要點：原子形成分子后，成鍵電子并不局限于某一個原子或某幾個原子之間，而是在整個分子中運動。通過薛定諤方程可求出描述分子中電子運動狀態(tài)的波函數(shù)

6、(分子軌道）。成鍵電子按一定規(guī)則填充在不同分子軌道中。,優(yōu)點：將分子視為一個整體，某一電子的運動狀態(tài)不僅受某一原子的影響，而是受所組成分子的原子的共同作用。 缺點：求解困難 改進：原子軌道線性組合法（LCAO） 即：將分子軌道視為所屬原子軌道的線性組合。,組合方法：, 化學鍵由原子軌道重疊產(chǎn)生, 任何數(shù)目的原子軌道重疊時就可以形成同樣數(shù)目的分子軌道, 定域鍵（與共軛離域鍵相對）的原子軌道數(shù)為2，結(jié)果組成兩個分子軌道，其中一個比原來的原子軌道的能量低成鍵軌道。另一比原來軌道的能量高反鍵軌道（以加“*”表示）。,LCAO(Linear Combination of Atomic Orbital),

7、=,A =,AA 1,|A| 1,Atomic Orbital,Molecular Orbital,反鍵軌道,成鍵軌道,Bond Energy 鍵 能,Polarity 鍵的極性,Parameters of a covalent bond 鍵參數(shù)（描述共價鍵的物理量）,自學,Bond Energy,Bond Energy,E,反應所放出的能量 或逆向反應吸收的能量,“鍵能”,Dissociation energy 離解能,CH4,CH3 + H,CH2 + H,CH + H,C + H,D1,D2,D3,D4,Bond energy of C-H bond:,鍵能和離解能不同,離解能：指定的某

8、一種離解方式,鍵能：具有平均的概念,鍵能,鍵的強度,越不易斷裂,Bond Length,A,B,成鍵的兩個原子核之間的平均距離：,（形成共價鍵的兩個原子之間存在著一定的吸引力和排斥力，使原子核之間保存著一定的距離，此距離為鍵長。）,A,B,Bond length is the average distance of the nuclear of the two bonding atoms.,C,C,C,C,C,C,C,H,Average Bond length,0.154nm,0.134nm,0.120nm,0.109nm,Bond Angel,eg. CH4 C2H2,HCX bond an

9、gle,109o28,180o,兩個共價鍵之間的夾角 反映了分子的空間結(jié)構(gòu),Polarity,相同原子形成共價鍵時 電子云對稱分布在兩個原子核之間 兩核正中位置電子云密度最大,正電荷中心與負電荷中心相重疊,不同電子形成共價鍵時 電子云偏向于電負性大的，使之微負 （）,C,C,C,F,Polar bond 極性鍵,Nonpolar bond 非極性鍵,C,F,d,+q1,-q2,Bond moment 鍵矩, = ed = (q1+q2)d,Unit: Debye,Molecular polarity,Bond polarity,Polar Bonds,Nonpolar Molecule,2.1

10、.2 Organic reactions 有機化合物的反應,2.1.2.1 Cleavage of covalent bonds 共價鍵的斷裂 2.1.2.2 Reaction types 反應類型,Hemolytic cleavage 均裂,自由基 Free radical,Unshared electron pair 未配對電子,CH3,Cl,Hetrolytic cleavage 異裂,負離子 Anion,正離子 Cation,Carbonion 碳負離子,CH3+,Carbonium ion 碳正離子,2.1.2 Organic reactions 有機化合物的反應,2.1.2.1 C

11、leavage of covalent bonds 共價鍵的斷裂 2.1.2.2 Reaction types 反應類型,2.1.2.2 Reaction types 反應類型,Radical reaction,Ionic reaction,Concerted reaction,Radical induced reactions,Carbonion or carbonium ion induced reactions,The forming of new bonds and breaking of old bonds occur at the same time.,自由基反應：由自由基引起的反

12、應,離子型反應：由碳正離子或碳負離子引起的反應,協(xié)同反應：新鍵形成與舊鍵的斷裂同時發(fā)生（后述）,By carbon sketch,Chain,Carbon cycle,Hetrocycle,2.1.3 Classification 有機化合物的分類,按碳架分類,開鏈化合物,碳環(huán)化合物,雜環(huán)化合物,脂環(huán)化合物,芳香族化合物,按官能團分類,官能團：有機化合物分子特別能起化學反應的一些原子或原子團，它通常可以決定化合物的主要性質(zhì)。,具體分類請自學,Part II Fundamental Knowledge 第二部分 基礎(chǔ)知識 2.1 Structure, Reaction & Classificat

13、ion 結(jié)構(gòu)、反應與分類 2.2 Formulas 結(jié)構(gòu)式 2.3 Nomenclature 命名 下一章：NMR, IR, UV & MS,2.2 Formulas 結(jié)構(gòu)式,2.2.1 Lewis electron-dot structure 路易士電子式,H,C,H,H,H,Electron-dot structure (Lewis structures)（路易士電子式）,有機化合物中不常用,2.2.2 Construction formula 構(gòu)造式,Dash formula （蛛網(wǎng)式）,Condensed formula （構(gòu)造式、構(gòu)造式簡式）,將直鏈上相同的亞甲基合并 側(cè)鏈基團用括號

14、寫于所連原子的右側(cè) 第一個碳原子上的取代基可寫在左側(cè),CH3(CH2)3CH3,CH3CH2CH2CH2CH3,CH3C(CH3)2CH3,2.2.3 Line-bond structure 鍵線式,H、C可省去不寫，其它元素不可省略 端點與拐角各代表一個碳原子 單線代表單鍵，雙線代表雙鍵，叁線代表叁鍵 甲烷、乙烷、乙烯和乙炔等一般不用鍵線式表示,Rather than,CH3CH2OCH2CH3,C and H atoms are omitted, while other types of atoms are not.,Part II Fundamental Knowledge 第二部分 基

15、礎(chǔ)知識 2.1 Structure, Reaction & Classification 結(jié)構(gòu)、反應與分類 2.2 Formulas 結(jié)構(gòu)式 2.3 Nomenclature 命名 下一章：NMR, IR, UV & MS,2.3 Nomenclature 命名,2.3.1 幾個與命名有關(guān)的詞 2.3.2 基本步驟 2.3.3 復雜結(jié)構(gòu)命名的幾個小原則,Prefix & Suffix,(A) 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 (B) 1o, 2o, 3o, 4o Primary secondary tertiary tetra- ( 伯 仲 叔 季 ) (C) -yl, -ylene,

16、-ylidyne ( 基 亞基 次基) (D) n-, iso-, neo- ( 正 異 新 伯 仲 叔 季),2.3.1 幾個與命名有關(guān)的詞,“天干地支”簡稱“干支”，是夏歷中用來編排年號和日期用的。 天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸；地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥，也稱十二地支。,(A) 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸,來源于中國“天干地支”的“天干”,與碳原子個數(shù)關(guān)聯(lián),Alkanes are usually named after Chinese era.,甲是拆的意思, 指萬物剖符而出. 乙是軋的意思, 指萬物出生, 抽軋而出. 丙是炳的意思,

17、 指萬物炳然著見. 炳，長 勢正旺丁是強的意思, 指萬物丁壯. 戊是茂的意思, 指萬物茂盛. 己是紀的意思, 指萬物有形可紀識. 庚是更的意思, 指萬物收斂有實. 辛是新的意思, 指萬物初新皆收成. 壬是任的意思, 指陽氣任養(yǎng)萬物之下. 癸是揆的意思, 指萬物可揆度. ,(B) 1o, 2o, 3o, 4o Primary, secondary, tertiary, tetra- ( 伯、仲、叔、季),與一個碳原子相連的碳原子 1o碳（伯碳、一級碳） 與兩個碳原子相連的碳原子 2o碳（仲碳、二級碳） 與三個碳原子相連的碳原子 3o碳（叔碳、三級碳） 與四個碳原子相連的碳原子 4o碳（季碳、四級

18、碳）,與伯碳原子相連的氫原子 1o氫（伯氫、一級氫） 與仲碳原子相連的氫原子 2o氫（仲氫、二級氫） 與叔碳原子相連的氫原子 3o氫（叔氫、三級氫）,伯,仲,叔,季,(C) -yl, -ylene, -ylidyne ( 基、亞基、次基),基： 一個化合物從形式上去掉一個單價的原 子或原子團的剩余部分稱之為“基”,甲基,乙基,正丙基,Ethyl Et,Name,Abv.,Chinese naming,Methyl Me,n-Propyl n-Pro,IUPAC nomenclature allowed group naming,Name,Isopropyl,Abv.,i-Pr-,Chinese

19、 naming,異丙基,Isobutyl,i-Bu-,異丁基,Isobutyl,i-Bu-,叔丁基,Sec-butly,S-Bu-,仲丁基,復雜的基（系統(tǒng)命名） 從基的第一個原子開始，沿最長鏈編號,亞基：一個化合物從形式上去掉兩個單價或 一個雙價的原子或原子團的剩余部分,例如：,1,4 -,1,3 -,亞基,Methylene,Ethylene,1,2-ethylene,Butylene,1,4-butylene,1,3-butylene,次基：一個化合物從形式上去掉三個單價（同一原子）或一個叁價的原子或原子團的剩余部分,次基,次甲基 Methylidyne,次乙基 Ethylidyne,(D

20、) n-, iso-, neo-,正,straight chain, no branch,n-,n-pentane,正戊烷,n-pentyl,正戊基,正,異,新,伯,仲,叔,季, 化合物命名：直鏈，無支鏈, 基的命名：從直鏈烷烴上失去伯氫,the group obtained when one primary hydrogen is removed,正,異,新,伯,仲,叔,季,異,iso-,a straight chain with one methyl group on site 2,iso-pentane,異戊烷,iso-butane,異丁烷, 化合物的命名：只有第二位上有一個甲基，其余為

21、直鏈,iso-butyl,異丁基,iso-pentyl,異戊基, 基的命名：只有第二位上有一個甲基， 且從長鏈的另一端失去伯氫,異,iso-,正,異,新,伯,仲,叔,季,新,two methyl groups on site 2,neo-, 化合物的命名：只有第二位上有兩個甲基，其余為長鏈,新戊烷,新己烷, 基的命名：只有第二位上有兩個甲基， 且從長鏈的另一端失去伯氫,新戊基,新己基,新,neo-,正,異,新,伯,仲,叔,季,伯,Primary,H,H,H,10,Primary carbon,C,10,Primary hydrogen,正,異,新,伯,仲,叔,季,仲,Secondary,H,H

22、,20,Secondary carbon,C,20,Secondary hydrogen,the alkyl group obtained when a secondary hydrogen is removed,從直鏈烷烴上去掉一個仲氫原子所得的烷基,仲丁基,正,異,新,伯,仲,叔,季,叔,Tertiary,H,H,Tertiary carbon,C,30,Tertiary hydrogen,30,the alkyl group obtained when a tertiary hydrogen is removed,去掉一個叔氫后所得的烷基，且一般僅限于如下結(jié)構(gòu),叔丁基,叔戊基,正,異,新

23、,伯,仲,叔,季,季,Quaternary,40,Quaternary carbon,C,IUPAC nomenclature,1979 AD.,1980 AD.,One name,Constitution,Translation,One compound,原則:“一名對一物”（可能“一物對多名”）,IUPAC概況: 化學通報 8:57（1984） 大學化學 13(2):61(1998) IUPAC系統(tǒng)命名細則參見網(wǎng)絡學堂資料,Three Steps: 1) parent name 找母體 2) numbering 編號 3) nomenclature 書寫,2.3.2 基本步驟,Step I

24、: parent name 找母體,A. 母體是哪一類化合物？ “母體官能團”,“輩份”高,“輩份”中,“輩份”低,一般不做母體官能團,以“輩分”最高的為“母體官能團”，確定化合物類別,烷烴,烯烴,炔烴,烯炔,（取代）烷烴,羧酸,（取代）羧酸,B. 確定母體,“主鏈”,含母體官能團的最長鏈,主鏈：戊酸,Step II: numbering 編號,A. 優(yōu)先照顧母體官能團，使其位次最小,B. 如果兩種編號方式母體官能團位次均一樣，則可兼顧取代基,1,1,2,2,3,3,4,4,5,1,注：既有雙鍵又有叁鍵！,使雙鍵、叁鍵有最低的編號 若編號有選擇，則優(yōu)先雙鍵,1,1,Step III: nomen