大学基础课程有机化学绪论PPT学习教案

1、会计学1大学基础课程有机化学绪论大学基础课程有机化学绪论(4) 键的极性和诱导效应1.4.3 共价键的断裂和有机反应的类型1.5 分子间相互作用力1.5.1 偶极-偶极相互作用1.5.2 van der Waals 力1.5.3 氢键1.6 酸碱的概念1.6.1 Brnsted 酸碱理论1.6.2 Lewis 酸碱理论1.6.3 硬软酸碱原理1.7 有机化合物的分类1.7.1 按碳架分类1.7.2 按官能团分类1.8 有机化合物的研究程序第1页/共31页1.1 有机化合物和有机化学 有机化合物的组成 基本元素：C 其它元素： H, N, O, X, S, P, Si 等有机化合物为碳氢化合物及

2、其衍生物有机化学是研究 C 化合物的化学有机化合物 性质的变化规律性质有机反应结构与反应性之间的关系 组成结构 有机化学的研究内容： 第2页/共31页1.2 有机化合物的特性 共价键结合 有机化合物数量庞大，异构现象普遍 易燃烧 熔点较低 难溶于水，易溶于有机溶剂 反应速率一般较小 1.3 分子结构和结构式分子(molecules): 组成的原子按一定的排列顺序，相互影响相互作用而结合在一起的整体分子结构(molecular structures): 原子排列的顺序和相互关系第3页/共31页分子式(molecular formulas ):表示组成分子的原子种类和数目C2H6OCH3CH2OH

3、CH3OCH3乙醇二甲醚分子结构式(molecular structural formulas):表示分子中原子连接的顺序表示方式：短线式(dash formulas):缩简式(condensed formulas):键线式(bond-line formulas): CH3CH2CH2CH3OCHHHH第4页/共31页1.4 共价键有机化合物中典型的化学键：共价键有机化合物的共同结构特征：共价键结合1.4.1 共价键的形成离子键(ionic bonds)： 一个或更多的电子从一个原子转移到另一个原子形成离子时产生的键。 它是带有相反电荷的质体(species)间的吸引力。Na (气气)Na(气

4、气 ) + eCl(气气) + eCl(气气)Na (气气 )+Cl(气气 )Na Cl(气气 )第5页/共31页共价键(covalent bonds)：由两个原子间共用一对电子产生的化学键C4 H+CHHHHCHHHHKecul 价键式Lewis 结构式惰性气体构型八隅体规则(octet rule)最外层电子：H: 2 电子其它原子: 8 电子类似于氖的稳定结构乙烯：CHHCHHCCHHHH乙炔：CHC HHCCH第6页/共31页(1) 价键理论(valence bond theory)共价键的形成：是成键原子的原子轨道 (电子云)相互交盖的结果(2) 轨道杂化C :1s2 2s2 2px1

5、 2py1 2pz0碳原子在基态时的电子构型：HH+HH=氢原子 轨道交盖 氢分子图1.1 氢原子的 s 轨道交盖形成氢分子第7页/共31页杂化轨道理论(hybrid orbital theory) :基态2p2s1s激发态2p2s1ssp3 杂化态1ssp3杂化杂化：混合后再重新分配能量相等(a) 碳原子轨道的sp3杂化(b) 碳原子轨道的sp2杂化(见第三章)(c) 碳原子轨道的sp杂化(见第三章)电子跃迁有机化合物的结构特征：C原子为4价第8页/共31页(3) 分子轨道理论(molecular orbital theory) 分子轨道(MO)：电子在整个分子中运动的 状态函数()成键轨道

6、反键轨道+-节面*+图1.2 氢分子轨道形成示意图121 2线性组合第9页/共31页 1* 2分子轨道原子轨道原子轨道能量图 1.3 氢原子形成氢分子的轨道能级图 原子轨道组成分子轨道必须满足的条件： 能级相近 交盖程度越大，形成的键越稳定 对称性(位相)相同第10页/共31页+-xyxy+-+图 1.4 原子轨道的交盖与对称性共价键键长/nm共价键键长/nmCCCHCNCO0.1540.1090.1470.143CClCBrCCCC0.1770.1910.1340.120表1.1 一些共价键的键长1.4.2 共价键的属性(1)键长(bond lengths)键长： 成键原子的原子核间的平均距

7、离第11页/共31页(2)键能 (bond energy) 键能反映了共价键的强度，键能越大则键越牢固。表1.2 一些共价键的键能共价键键能/kJmol-1共价键键能/kJmol-1CCCHCNCOCF347414305360485CClCBrCCCCCI339285218611837形成共价键时体系释放的能量,或断裂共价键时体系吸收的能量。键能：第12页/共31页(3) 键角(Bond angles) 两价以上的原子在与其它原子成键时，键与键之间的夹角。键角：CHHHH109.5O104CO121118HH甲烷 乙醚 甲醛键角反映了分子的空间结构(4) 键的极性和诱导效应共价键的类型：非极性

8、共价键(nonpolar covalent bonds)： 两个相同的原子成键, 电子云对称分布在两个原子之间。 第13页/共31页HHClCl极性共价键(polar covalent bonds): 不同的原子成键时，由于原子的电负性不同，使电负性较强原子一端的电子云密度较大。HCl共价键的极性大小是用偶极矩()来度量的。= q.dq: 电荷d: 正负电荷之间的距离:单位为Cm (库仑米) = 3.57 10-30 Cm HCl第14页/共31页诱导效应(Inductive effect)：CH3CH2CH2CH2Cl1234详见第十二章 12.6.1 由于分子内成键原子的电负性不同，而引起

9、分子内电子云密度分布不均匀。这种影响沿分子链键静电诱导地传递下去，这种分子内原子间相互影响的电子效应诱导效应(I)第15页/共31页产物(product)溶剂底物(substrate)试剂(reagent) 有机反应的本质： 旧键的断裂和新键的生成反应物(reactants) CC+ BrBrCCBr BrCCl41.4.3 共价键的断裂和有机反应的类型有机反应(organic reactions):第16页/共31页共价键断裂的方式：异裂(heterolytic bond cleavage):C LC+ LC+ L均裂(homolytic bond cleavage):R LR + L自由基

10、(radicals)碳正离子(carbocation)碳负离子(carbanion)有机反应活性中间体： 碳正离子、碳负离子、自由基第17页/共31页1.5 分子间相互作用力1.5.1 偶极偶极相互作用偶极偶极相互作用： 一个极性分子带有部分正电荷的一端与另一个分子带有部分负电荷的一端之间的吸引作用。-HCl HCl -HCl ClH 极性分子之间的一种相互作用第18页/共31页-1.5.2 van der Waals 力非极性分子之间存在的吸引力van der Waals (范德华)力： 瞬间偶极和诱导偶极之间相反电荷的区域彼此吸引。1.5.3 氢键(hydrogen bonds)HY (Y

11、: N,O,F等等原原子子) )Y: 电负性很强，原子半径较小第19页/共31页H3COHOCH3H两个甲醇分子之间形成的氢键：分子间作用力大小顺序为：氢键 偶极-偶极吸引力 van der Waals力 1.6 酸碱的概念1.6.1 Brnsted 酸碱理论 Brnsted 定义：酸：给出质子的分子或离子碱：接受质子的分子或离子H2O +NH3OH+HNH3酸 碱 碱 酸共轭碱 共轭酸 第20页/共31页弱酸的共轭碱是强碱：CH3COOHCH3COO + H+强酸的共轭碱是弱碱：H2SO4HSO4+ H+弱碱强酸弱酸强碱1.6.2 Lewis 酸碱理论Lewis 定义：Lewis 酸(Lew

12、is acids)： 能够接受未共用电子对的分子或离子第21页/共31页酸碱络合物电子给予体电子接受体Lewis 碱(Lewis bases)： 能够给出电子对的分子或离子ClH+OHHOHHH+ClFBFF+OCH2CH3CH2CH3FBFFOCH2CH3CH2CH3Lewis 酸：具有空轨道原子的分子或离子 HClCH3COOHOHCH3CH2OHLi+ Mg2+ R+ Ag+AlCl3 BF3 TiCl4 SnCl2 FeCl3 ZnCl2第22页/共31页Lewis 碱：具有未共用电子对原子的分子 或离子H2O NH3 CH3NH2 CH3OH CH3OCH3XOHCNNH2RRO1.

13、6.3 硬软酸碱原理影响酸碱反应难易程度的因素：离子的大小 电荷的多少 电负性Pearson 将 Lewis 酸碱分为：硬酸：接受体的原子小，带正电荷多， 价电子层没有未共用电子对H+ Li+ Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Al3+BF3 AlCl3 SO3 CO2HX第23页/共31页软酸：接受体的原子大，带正电荷少， 价电子层里有未共用电子对RX ROTSCu+ Ag+ Hg2+ RS+Br+ I+ Br2 I2硬碱：给予体的原子电负性高，可极化性低， 不易被氧化FClAcOSO42-NO3NH3 RNH2H2O HOROH ROR RO第24页/共31页软碱：给予体的原子电负性低，可

14、极化性高， 易被氧化RSHSISCNC2H4 C6H6 R HRSH RSRR3PCN硬酸硬碱外层电子抓得紧软酸软碱外层电子抓得松 “硬”、“软” 是用来描述酸碱抓电子的松紧程度。第25页/共31页1.7 有机化合物的分类1.7.1 按碳架分类有机化合物(1)开链化合物(脂肪族化合物) (aliphatic compounds)C原子连接成链状(2) 脂环(族)化合物(cyclic compounds)C原子连接成环状(3) 芳香族化合物(aromatic compounds)含有芳环结构(4) 杂环化合物(heterocyclic compounds)含有由C原子和其它原子(如 O,N,S)

15、连接成环的化合物第26页/共31页CH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CCHCH3CH2OH乙烷 1丁烯 丙炔 乙醇开链化合物：脂环化合物：OH环己烷 环戊二烯 环辛烯 环己醇芳香族化合物：OHCl苯 萘 苯酚 氯苯杂环化合物：四氢呋喃 噻吩 吡啶 糠醛 SONOCHO第27页/共31页1.7.2 按官能团分类官能团(functional groups):容易发生反应的原子或基团第28页/共31页表1.3 一些常见的重要官能团化合物类型 化合物 官能团构造 官能团名称烯烯烃烃炔炔烃烃卤卤代代烃烃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硫醇醇磺磺酸酸H2CCH2HCCHCH3XC2H5OH,C6H5OHC2H5OC2H5CH3CHOCH3CCH3OCH3COHOCH3CNCH3NH2CH3NO2C2H5SHC6H5SO3HCCCCXOHCOCCHOCOCOHOCNNH2NO2SHSO3H碳碳碳碳双双键键碳碳碳碳三三键键卤卤基基( (卤卤原原子子) )羟羟基基醚醚键键醛醛基基酮酮基基( (羰羰基基) )羧羧基基氰氰基基氨氨基