有机化学简介PPT课件

1、1.1 有机化合物和有机化学1.1.2 有机化合物的特点结构上: 共价键;范德华力;分子结构复杂.性质上: 易燃烧;易分解;熔点低;在水中的溶解度小;化学反应速度较慢;反应产物 复杂.同系列:具有一个分子结构通式,结构相似,化学性质也相似,物理性质随着碳原子数的增加而有规律地变化的化合物系列,叫同系列. 同系列中的化合物互称为同系物.在同系列化合物中,相邻两个同系物之间的结构式相差一个结构单元,而不相邻的同系物中,结构相差该结构单元的整数倍(例如在烷烃中,结构单元是CH2),这个结构单元叫系列差. 同分异构现象:分子式相同而结构相异，因而其性质也各异的不同化合物,称为同分异构体.这种现象叫同分

2、异构现象. 1.1.3 同系列与同分异构现象1 绪论第1页/共34页1.1 有机化合物和有机化学研究内容 天然产物的研究 有机化合物的结构测定 有机合成 反应机理的研究 1.1.4 有机化学的研究内容和任务有机化学的任务在人们认识自然，改造自然的过程中发挥有机化学的作用1 绪论第2页/共34页1.1 有机化合物和有机化学 1.已知化合物研究 按文献方法合成后,进行元素分析,并测定物理常数和光谱数据,与文献资料对比. 2.未知化合物研究 分离提纯-纯度检验-分子式确定-结构确定 分离提纯的方法:重结晶;升华;蒸馏;精馏;层析; 纯度检验的方法:测物理常数; 薄层层析; 分子式确定包括:定性分析(

3、含哪些元素);定量分析(求结构简式);分子量测定; 结构测定主要是测定分子的构造和构型.测定结构的方法有化学法(合成法)和物理法. 1.1.5 研究有机化合物的一般步骤1 绪论第3页/共34页1.2 有机化合物结构和分类1 绪论1.2.1 有机化合物中的共价键1.2.1.1 成键方式 两个碳原子之间可以形成 C-C; CC; CC三种化学键 2s2pxsp2pysp2 2s2pxsp32py 2s2px2pz 杂化轨道类型s成分电负性体积大小构型Sp1/2大小直线sp21/3中中平面三角形sp31/4小大正四面体碳原子三种杂化态特性第4页/共34页1.2 有机化合物的结构和分类1 绪论1.2.

4、1 有机化合物中的共价键1.2.1.2 共价键性质1 键长 成键原子之间的核间距离.单位为nm(10-7m). 相同化学键在不同化合物中可能不同. 碳碳键长: CC CC CC CH键长: CCH CCH CCH2 键角 分子中某一原子与另外两个原子形成的两个共价键在空间所夹的角度称为键角. 键角反映了分子的空间构型。键角的大小也随分子结构的不同而有所区别。 3 键能 气态时原子A与B结合成气态A-B分子所放出的能量,或者是气态的A-B分子离解成气态的A和B原子所吸收的能量.(单位:kJ/mol).反应热H = 破裂键键能 - 生成键键能对多原子分子，键能是指分子中同一类共价键离解能的平均值。

5、键能与离解能在数值上不一定相同。HHHHCH3CH3HHClClClH109.5110.4112第5页/共34页1.2 有机化合物的结构和分类1 绪论1.2.1 有机化合物中的共价键1.2.1.2 共价键性质4 偶极距 (键的偶极距; 分子的偶极距) 衡量化学键和分子极性的物理量. 键的偶极距：两个电负性不同的原子所组成的极性键的正电荷(负电荷) 中心的电荷q与两电荷中心之间的距离d的乘积. = q x d (单位:D) 1D = 10-18 e.s.u(电子静电单位).分子的偶极距：分子中各个化学键偶极距(键距)的向量和. 5 诱导效应 由原子的电负性不同所引起的极性效应,通过化学键传递到分

6、 子的其它部分,这种作用称为诱导效应CClOHHHClHHOCO = 1.56D = 1.84D = 1.46D = 0第6页/共34页5 诱导效应 由原子的电负性不同所引起的极性效应,通过化学键传递到分子的其它部分,这种作用称为诱导效应(inductive effect)。常用“I”表示 。 1.2 有机化合物的结构和分类1 绪论1.2.1 有机化合物中的共价键1.2.1.2 共价键性质CCCCl 诱导效应通过化学键传递时，随着传递的化学键增多，诱导效应迅速减弱。诱导效应是一种永久效应，它影响化合物的分子极性。诱导效应的比较标准是氢原子。 * 原子或基团的电负性小于氢的，叫给电子基，用“I”

7、表示；反之叫吸电子基，用“I”表示。 * 常见的吸电子基有：卤素，NO2，CN，COOH，CF3 SO3H等。 * 烷基可能是吸电子基，也可能是供电子基，当与不饱和碳原子或电负性比碳原子大的原子相连时，烷基为供电子基；当与饱和碳原子相连时，烷基表现为较弱的吸电子基第7页/共34页1.2 有机化合物的结构和分类1 绪论1.2.1 有机化合物中的共价键1.2.1.3 共价键的断裂XRR XX-R+X+R-+ (均裂) 游离基反应 (异裂) 离子型反应 (异裂) 离子型反应第8页/共34页1.2 有机化合物的结构和分类1 绪论1.2.2 有机化合物分子结构与性能1.2.2.1 分子结构与物理性质分子

8、结构与一些物理性质的关系物 理 性 质分子量分子极性分子对称性范德华引力氢键沸点(l g)正比正比与支链多少成反比正比正比熔点(s l)正比正比正比正比正比相 对 密 度正比正比正比正比正比溶解度(g/100g H2O)相似相溶偶极距正比反比第9页/共34页1.2 有机化合物的结构和分类1 绪论1.2.2 有机化合物分子结构与性能1.2.2.2 分子结构与化学反应化学性能是指化合物进行化学反应的能力。有机化合物的化学反应性能与化合物分子结构有关。1.2.2.3 影响化学反应活性的因素有机化学反应活性主要有三个影响因素：底物(反应物)的结构和特性;进攻试剂的性质;反应环境条件(温度,压强,溶剂,

9、反应时间)化合物分子中电荷相对集中，化学键极性较大以及局部空间拥挤过度，都将使该化合物的稳定性降低，有利于外来原子或原子团的进攻。 第10页/共34页1.2 有机化合物的结构和分类1 绪论1.2.3 有机化学中的官能团和有机化合物的分类1.2.3.1 有机化合物中的官能团官能团 指有机化合物分子中容易起化学反应的一些原子或原子团。官能团决定化合物的主要性质;含相同官能团的化合物具有相似的物理和化学性质。1.2.3.2 有机化合物的分类按碳链结合方式分类；按官能团分类。第11页/共34页重要官能团及化合物分类 化合物类别官能团官能团名称实 例烷烃C-C单键CH3CH3 乙烷烯烃CC双键CH2CH

10、2 乙烯炔烃CC叁键CHCH 乙炔卤代烃F,Cl,Br,I卤素CH2Cl2 二氯甲烷芳烃C6H5-,C10H7-苯环,萘环C6H6,C10H8 苯,萘醇-OH羟基C2H5OH 乙醇酚-OH,Ar-羟基,芳基C6H5OH 苯酚醚COC醚键C2H5OC2H5 乙醚醛-CHO甲酰基(醛基)CH3CHO 乙醛酮CO羰基(酮基)CH3COCH3 丙酮羧酸-COOH羧基CH3COOH 乙酸酯-COOR酯基CH3COOCH2CH3 乙酸乙酯硝基化合物-NO2硝基CH3NO2 硝基甲烷胺-NH2 -NHR氨基 胺基C6H5NH2 苯胺 (CH3)2NH 二甲胺偶氮化合物-NN-偶氮基C6H5NNC6H5 偶氮

11、苯重氮化合物-NN-重氮基C6H5NNcl 氯化重氮苯硫醇-SH巯基C2H5SH 乙硫醇磺酸-SO3H磺酸基C6H5SO3H 苯磺酸氨基酸-NH2 -COOH胺基,羧基H2NCHCOOH 甘氨酸糖-OH, -CO-羟基,羰基CH2OHCHOHCHO 甘油醛杂环化合物含杂原子环状物 呋喃,吡咯,吡啶第12页/共34页1.2 有机化合物的结构和分类1 绪论1.2.3 有机化学中的官能团和有机化合物的分类1.2.3.3 有机化合物构造式的表示方法表示有机化合物分子中原子的排列次序和成键方式的结构表达式称为有机化合物的构造式。.CCCCHHHHHHHHHH:.CCCCHHHHHHHHHH蛛网式键线式电

12、子式第13页/共34页1.3 有机化合物的命名原则1 绪论1.3.1 有机化合物的系统命名法 1.3.1.1 命名步骤 3 主链碳原子上其它支链全部作为取代基1 根据化合物中所含官能团的情况,确定母体.2 选取含母体官能团的最长碳链作为主链第14页/共34页1.3 有机化合物的命名原则1 绪论1.3.1 有机化合物的系统命名法 母体选择顺序(排在前面的优先)为：-+NR3(铵) -COOH(羧酸) -SO3H(磺酸) -COOR(酯) -COX(酰卤) -CONH2(酰胺) -CN(腈) -CHO(醛) -COR(酮) -OH(醇，酚) -NH2 (胺) -R(烷基) -OR(烷氧基) 按上述

13、顺序排在前面的官能团为母体，排在后面的为取代基。 编号原则：从离母体官能团最近的一端开始，对主链碳原子进行编号并用阿拉伯数字标示。当具有相同长度的碳链可作为主链时，应选择具有支链最多的碳链作为主链。当主链长度和支链数目相同时，应遵循最低系列原则： 逐个比较两种编号法中表示取代基位置的数字，最先遇到取代基位置较小者，定为最低系列。取代基有官能团基,烃基,芳基等.烃基和芳基分别是相应的烷(烯,炔)烃和芳烃去掉一个氢原子后所剩余的部分,分别称为某基.第15页/共34页常见有机基团 中文名称化学式英文代号中文名称化学式英文代号甲基CH3-Methyl乙基CH3CH2-Ethyl丙基CH3CH2CH2-

14、n-Propyl异丙基(CH3)2CH-i-Propyl丁基CH3CH2CH2CH2-n-Butyl异丁基(CH3)2CHCH2-i-Butyl叔丁基(CH3)3C-t-Butyl仲丁基CH3CH2(CH3)C-s-Butyl戊基CH3CH2CH2CH2CH2n-amyl乙烯基CH2=CH-vinyl烯丙基CH2=CHCH2-allyl丙烯基CH3CH=CH-propenal苯基C6H5-Phenyl 芳基 Ar-第16页/共34页1.3 有机化合物的命名原则1 绪论1.3.1 有机化合物的系统命名法 1.3.1.2 化合物书写1 书写时根据主链碳原子数目的多少进行命名.当主链碳原子数在10以

15、内时,分别用甲,乙,丙,丁,戊,己,庚,辛,壬,癸表示,而当主链碳原子数超过10时,则直接用中文数字表示.2 母体官能团所在位置用阿拉伯数字标明,放在母体名前面.数字与母体名称用连子符连结.如果母体编号为1, 则1”字省略不写.3 取代基书写和命名时,放在母体名称的前面.取代基与表明母体官能团位置的阿拉伯数字之间用连字符连结;取代基在主链上的位置用阿拉伯数字标明,阿拉伯数字与取代基名称用连字符连结.4 如果在一个主链上同时连有多个取代基,应分别按取代基次序逐个标明.书写时,按取代基优先顺序书写. 如果在主链上有多个相同取代基,可合并书写.其位置数字应分别用阿拉伯数字表明,取代基个数用中文数字标

16、明.中文数字放在取代基名称前面.CH3CHOHCH2CHCH3CH34-甲基-2-戊醇CH3CH2CHCH3CHCH2CH3CHCH3CH2CH2CH2CH33,5-二甲基-4-乙基壬烷123456789第17页/共34页1.3 有机化合物的命名原则1 绪论1.3.1 有机化合物的系统命名法 1.3.1.2 化合物书写取代基优先顺序确定的原则: 与主链相连的原子质量(原子序数)越大,排的顺序越优先;如果与主链相连的第一个原子质量相同,则逐个向下比较;如果取代基为不饱和基团,应把双键或叁键原子看作是它以单键和多个原子相连接.取代基优先顺序如下: -H, -D, -CH3, -CH2CH3, -C

17、H2CH2CH3, -CH2(CH2)2CH3, -CH2(CH2)3CH3, -CH2(CH2)4CH3, -CH2CH2CH(CH3)2, -CH2C(CH3)3, -CH2C6H5, -CH(CH3)2, -CH=CH2, -C(CH3)3, -CCH, -C6H5, -CH2OH, -CHROH, -CR2OH, -CHO, -COR, -COOR, -COCl, -Ccl3, -NH2, -NHR, -NHCOR, -NR2, -NO2, -OH, -OR, -OOCR, -F, -SH, -SR, -SO2R, -Cl, -Br, -I CHCH2C1(C,C,H) C2(C,H,

18、H)CCHC1(C,C,C) C2(C,C,H)1 21 2当作当作C2C1(C)(C)(C)(C)HC2C1HH(C)(C)H第18页/共34页1.3 有机化合物的命名原则1 绪论1.2.5 有机化合物的其它命名法1.2.5.1 习惯命名法 1.2.5.2 衍生命名法 1.2.5.3 音译法 第19页/共34页1.3 有机化合物的命名原则1 绪论用系统命名法命名下列化合物 COOHCH3NO2CH3CH2CHCH3CHCH2CH3CHCH2CH2CH3CH2CH2CH2CH3第20页/共34页1.4 现代物理分析方法1 绪论1.4.1 紫外光谱 bcIIA0lgA10.5200 250 30

19、0 / nm紫外光谱测定有机化合物中双键结构的一种重要方法 随着共轭双键的增加，吸收带迅速向波长增加的方向移动，这种现象叫红移 有机化合物分子中的共轭效应，无论是吸电子共轭效应还是供电子共轭效应，都使max和max增加。增加化合物分子中的共轭双键，或是对双键共轭作用有利的结构因素，都将使max和max增加。随着共轭链长度的增加，max和max都增加。如果分子中处于共轭体系的原子或原子团由于空间障碍而不能处于同一平面时，共轭作用减弱或消失，在紫外吸收光谱上表现为吸收波长蓝移和吸收强度减弱。 第21页/共34页1.4 现代物理分析方法1 绪论1.4.2 红外光谱 红外光谱是一种振动光谱, 它表现出

20、分子内部原子之间某些振动方面的信息。 10004000 3000 2500 2000 1500 1000 800 700 625波数(v /cm-1)50波长(/m)2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16T%)11(2121MMKCKXMMMMKv1303)(130321212121MMMM折合质量 有机化合物中的官能团在某一区域出现吸收谱带, 总的相对位置恒定, 不受或很少受分子中其它部位影响, 这种谱带称为相应官能团的特征吸收。 官能团特征吸收峰出现较多的部分是38001350cm-1之间, 这个区域叫官能团区, 1350cm-1以下部分的吸收受整个分

21、子结构影响较大, 它反映整个分子结构特征, 所以称为指纹区。 第22页/共34页1.4 现代物理分析方法1 绪论1.4.2 红外光谱 影响有机分子中化学键红外光谱吸收频率的因素有化学键键力常数K和参与振动的原子或原子团质量M1和M2。影响分子键力常数的主要结构因素有：共轭效应、诱导效应、立体效应和氢键。 例如，羰基化合物中存在下面的共振结构平衡：CRO+X-(1)CXROCXRO+-(2) (3) 结构式(1)中是三键结构，结构式(2)中是双键结构，而结构式(3)中是单键结构，三键的键力常数大于双键的键力常数，双键的键力常数大于单键的键力常数。 如果化合物分子中存在有利于稳定结构式(3)的因素

22、，将使共振结构式(3)的含量增加，并导致羰基振动频率vC=O降低。反之，如果化合物分子中存在有利于稳定结构式(1)的因素，将使共振结构式(1)的含量增加，并导致羰基振动频率vC=O增加。 第23页/共34页1.4 现代物理分析方法1 绪论1.4.3 核磁共振谱(NMR) 1、信号的数目：提供分子中质子类型信息2、信号的位置：提供质子的电子环境信息3、信号的强度：提供质子的个数4、信号分裂情况：提供这个质子周围相邻质子的种类及个数的信息 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 /ppm 溴乙烷的1HNMRNMR的研究对象是有机化合物中原子序数为单数的原子。 它反映质子周围的电子环境。 质子

23、周围的电子密度越大, 化学位移值越小。 值变化规律如下:（1）值从R-CH3 R2CH2 R3C-H依次增加。 （R连在饱和碳原子上, -I效应）（2）值随邻近原子电负性的增加而增加（3）值随H原子与电负性基团距离的增大而减小（4）值从烷基、烯基、芳基依次增加: 值: RCH =CH ArH第24页/共34页1.4 现代物理分析方法1 绪论1.4.3 核磁共振谱(NMR) 1.4.3.1 核磁共振现象 氢原子核（质子）的自旋有两种取向：+1/2和-1/2, 质子两个自旋态的能量相等。两种取向的质子会产生两种不同取向的磁矩。在外加磁场H0中, 两种取向质子能量不同，与外磁场相同的取向能量较低。两

24、个能级之差为E、E与外磁场强度H0成正比: 02HhrE r为核常数, 称为磁旋比, h为普朗克常数。若质子受到一定频率的电磁波辐射, 当辐射所提供的能量恰好等于质子两种取向的能级差E时，即： hHhr02质子就会吸收电磁辐射的能量, 从低能级跃迁到高能级, 这种现象叫核磁共振。在NMR仪器中，把物质放入一个辐射频率（v）恒定的电场中而改变磁场（H0）的强度，获得一个核磁共振谱。 第25页/共34页1.4 现代物理分析方法1 绪论1.4.3 核磁共振谱(NMR) 1.4.3.2 化学位移 1.4.3.2.1 化学位移的形成 H原子周围的电子云形成电子环流。在外加磁场中，电子环流产生与外加磁场方

25、向相反的感应磁场，要抵消一部分外加磁场的强度。质子所感受到的磁场强度会低于外加磁场的强度。一般小于百万分之几, 即ppm。 这时, 我们说质子受到了屏蔽效应。不同类型质子周围电子环流所产生的感应磁场不一样。在质子周围的电子云密度越大, 屏蔽效应也越大, 质子必定在更高的外磁场强度下才发生共振。质子由于受到不同屏蔽效应而产生不同磁场强度的共振叫化学位移。化学位移的单位可以用Hz表示（频率单位）在NMR中会出现不同位置的信号, 这样, 化学位移的大小, 直接反映了质子周围的电子环境。第26页/共34页1.4 现代物理分析方法1 绪论1.4.3 核磁共振谱(NMR) 1.4.3.2 化学位移 1.4

26、.3.2.2 化学位移的表示 化学位移值, 是有机化合物的重要物理常数。)(610610)()(ppmTMSMHzHz仪器频率样品仪器所用频率观察到的位移NMR测定中, 采用与标准物质(CH3)4Si（TMS）比较的方法。在用Hz表示化学位移时, 必须说明核磁共振仪所用的频率。通常使用的核磁共振仪有60, 90, 100, 220, 450 MHz。TMS的为0的大小在NMR谱图中, 由右至左逐渐增加, 与扫场的顺序相反（=0, 对应于高场）第27页/共34页1.4 现代物理分析方法1 绪论1.4.3 核磁共振谱(NMR) 18轮烯：环外质子=8.2ppm；环内质子值为负值(=-1.99ppm

27、)。1.4.3.2 化学位移 1.4.3.2.2 化学位移的表示 C=C, CC，PhH中电子产生感应磁场的方向: ：CCH =CH ArH双键和苯上的H原子, 正落在感应磁场方向与外加磁场H0方向相同的区域, 这样使质子受到的屏蔽效应减小, 值增加, 这种作用叫去屏蔽作用。第28页/共34页1.4 现代物理分析方法1 绪论1.4.3 核磁共振谱(NMR) 1.4.3.3 NMR谱图中峰的强度与数目 1.4.3.3.1 峰的数目代表化学不等价质子种类（氢原子种类） 判断两个质子是否是化学等价的方法是将它们分别用相同的原子Z取代, 如两个质子被取代后得到同一结构, 或者是对映异构体, 这两个质子就是化学等价质子, 化学位移相同。 CH3CH3： 6个H是化学等价质子 C CHaHbClBrHa