华南理工大学本科生《有机化学》 第1章ppt课件

1、第一章第一章 绪绪 论论1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学1.2 有机化合物的特性有机化合物的特性1.3 分子结构和结构式分子结构和结构式1.4 共价键共价键1.4.1 共价键的形成共价键的形成(1) 价键理论价键理论(2) 轨道杂化轨道杂化(3) 分子轨道理论分子轨道理论1.4.2 共价键的属性共价键的属性(1) 键长键长(2) 键能键能(3) 键角键角1(4) 键的极性和诱导效应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共价键的断裂和有机反应的类型1.5 分子间相互作用力分子间相互作用力1.5.1 偶极偶极-偶极相互作用偶极相互作用1.5.2 van der

2、Waals 力力1.5.3 氢键氢键1.6 酸碱的概念酸碱的概念1.6.1 Brnsted 酸碱理论酸碱理论1.6.2 Lewis 酸碱理论酸碱理论1.6.3 硬软酸碱原理硬软酸碱原理1.7 有机化合物的分类有机化合物的分类1.8 有机化合物的研究程序有机化合物的研究程序21.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学 有机化合物的组成有机化合物的组成 基本元素：基本元素：C 其它元素：其它元素： H, N, O, X, S, P, Si 等等有机化合物为碳氢化合物及其衍生物有机化合物为碳氢化合物及其衍生物有机化学是研究有机化学是研究 C 化合物的化学化合物的化学 有机化合物有机化合物 性质

3、的变化规律性质的变化规律性质性质有机反应有机反应结构与反应性之间的关系结构与反应性之间的关系 组成组成结构结构 有机化学的研究内容：有机化学的研究内容： 31.3 分子结构和结构式分子结构和结构式分子分子(molecules): 组成的原子组成的原子 一定的排列顺序一定的排列顺序 相互影响相互影响相互作用相互作用 结合的整体结合的整体分子结构分子结构 原子排列的顺序和相互作用原子排列的顺序和相互作用1.2 有机化合物的特性有机化合物的特性分子式分子式 表示组成分子的原子种类和数目表示组成分子的原子种类和数目C2H6OCH3CH2OHCH3OCH3乙醇乙醇二甲醚二甲醚4分子结构式分子结构式 表示

4、分子中原子连接的顺序表示分子中原子连接的顺序表示方式：表示方式：短线式短线式缩简式缩简式键线式键线式CH3CH2CH2CH3CHHHHO51.4 共价键共价键 有机化合物中典型的化学键：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 共价键的形成共价键的形成离子键的形成：离子键的形成： 一个或更多的电子从一个原子转移到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。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间的吸引力。它是带有相反电荷的质体间的吸引力。Na (气气)Na(气气 ) + eCl

5、(气气) + eCl(气气)Na (气气 )+Cl(气气 )Na Cl(气气 )6 共价键的形成：共价键的形成： 由两个原子间共用一对电子产生的化学键由两个原子间共用一对电子产生的化学键C4 H+CHHHHCHHHH价键式价键式Lewis 结构式结构式八隅体规则八隅体规则最外层电子：最外层电子： H 2 电子电子其它原子其它原子 8 电子电子类似于氖的稳定结构类似于氖的稳定结构乙烯：乙烯：CHHCHHCCHHHH乙炔：乙炔：CHC HHCCH7(1) 价键理论价键理论 共价键的形成：是成键原子的原子轨道共价键的形成：是成键原子的原子轨道 (电子云电子云)相互交盖的结果相互交盖的结果 (2) 轨

6、道杂化轨道杂化C :1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0碳原子在基态时的电子构型：碳原子在基态时的电子构型：HH+H H=氢原子氢原子 轨道交盖轨道交盖 氢分子氢分子图图1.1 氢原子的氢原子的 s 轨道交盖形成氢分子轨道交盖形成氢分子8杂化轨道理论杂化轨道理论:基态基态2p2s1s激发态激发态2p2s1ssp3 杂化态杂化态1ssp3杂化杂化杂化：混合后再重新分配杂化：混合后再重新分配能量相等能量相等(a) 碳原子轨道的碳原子轨道的sp3杂化杂化(b) 碳原子轨道的碳原子轨道的sp2杂化杂化(c) 碳原子轨道的碳原子轨道的sp杂化杂化电子电子跃迁跃迁有机化合物的结构特征：有机化合物的

7、结构特征：C原子为原子为4价价9共价键共价键键长键长/nm共价键共价键键长键长/nmCCCHCNCO0.1540.1090.1470.143CClCBrCCCC0.1770.1910.1340.120表表1.1 一些共价键的键长一些共价键的键长成键原子的原子核间的平均距离成键原子的原子核间的平均距离(3) 分子轨道理论分子轨道理论1.4.2 共价键的属性共价键的属性（1）键长）键长10(2)键能键能 键能反映了共价键的强度，键能越大键能反映了共价键的强度，键能越大则键越牢固。则键越牢固。表表1.2 一些共价键的键能一些共价键的键能共价键共价键键能键能/kJmol-1共价键共价键键能键能/kJm

8、ol-1CCCHCNCOCF347414305360485CClCBrCCCCCI339285218611837形成共价键时体系释放的能量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。或断裂共价键时体系吸收的能量。 键能：键能： 11(3) 键角键角 键角：键与键之间的夹角。键角：键与键之间的夹角。 CHHHH109.5O104CO121118HH甲烷甲烷 乙醚乙醚 甲醛甲醛键角反映了分子的空间结构键角反映了分子的空间结构 (4) 键的极性和诱导效应键的极性和诱导效应共价键的类型：共价键的类型： 非极性非极性共价键共价键： 两个相同的原子成键两个相同的原子成键, 电子云对称分电子云

9、对称分 布在两个原子之间。布在两个原子之间。 H HCl Cl12极性共价键极性共价键: 不同的原子成键时，由于原子的电负性不同的原子成键时，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不同，使电负性较强原子一端的电子云密度较大。较大。HCl共价键的极性大小是用偶极矩共价键的极性大小是用偶极矩()来度量的。来度量的。 = q.dq: 电荷电荷d: 正负电荷之间的距离正负电荷之间的距离:单位为单位为Cm (库库仑仑米米) = 3.57 10-30 Cm HCl13 诱导效应：诱导效应： 由于分子内成键原子或基团的电负性由于分子内成键原子或基团的电负性不同而引起分子内成键电子云向电负性

10、较大不同而引起分子内成键电子云向电负性较大(或电负性较小或电负性较小)的原子团方向偏移的电子效的原子团方向偏移的电子效应，就称为应，就称为诱导效应诱导效应( I )。 这种影响沿分子链静电诱导地传递下去：这种影响沿分子链静电诱导地传递下去：CH3CH2CH2CH2Cl1234（-I） 诱导效应产生的原因诱导效应产生的原因成键原子的电负性不同。成键原子的电负性不同。 诱导效应的传递诱导效应的传递逐渐减弱逐渐减弱,传递不超过五个原子。传递不超过五个原子。 CH3CH2CH2CH2O（+I）14底物底物 试剂试剂 产物产物 溶剂溶剂CCl4CC+ BrBrCCBr Br1.4.3 共价键的断裂和有机

11、反应的类型共价键的断裂和有机反应的类型 有机反应：有机反应：反应物反应物15共价键断裂的方式：共价键断裂的方式： 异裂：异裂： 均裂：均裂： R LR + L自由基自由基 C LC+ LC+ L碳正离子碳正离子 碳负离子碳负离子 有机反应活性中间体：有机反应活性中间体： 碳正离子、碳负离子、自由基碳正离子、碳负离子、自由基 161.5 分子间相互作用力分子间相互作用力 1.5.1 偶极偶极偶极相互作用偶极相互作用偶极偶极偶极相互作用：偶极相互作用： 一个极性分子带有部分正电荷的一端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与另一个分子带有部分负电荷的一端之间的吸引作

12、用。的吸引作用。-HCl HCl -HCl ClH 极性分子之间的一种相互作用极性分子之间的一种相互作用 17-1.5.2 van der Waals 力力非极性分子之间存在的吸引力非极性分子之间存在的吸引力van der Waals (范德华范德华)力：力： 瞬间偶极和诱导偶极之间相反电荷的瞬间偶极和诱导偶极之间相反电荷的区域彼此吸引。区域彼此吸引。1.5.3 氢键氢键HY (Y: N,O,F等等原原子子) )Y: 电负性很强，原子半径较小电负性很强，原子半径较小18H3COHOCH3H 两个甲醇分子之间形成的氢键：两个甲醇分子之间形成的氢键： 分子间作用力大小顺序为：分子间作用力大小顺序为

13、： 氢键氢键 偶极偶极-偶极吸引力偶极吸引力 van der Waals力力 191.6 酸碱的概念酸碱的概念1.6.1 Brnsted 酸碱理论酸碱理论 Brnsted 定义：定义： 酸：给出质子的分子或离子。酸：给出质子的分子或离子。 碱：接受质子的分子或离子。碱：接受质子的分子或离子。H2O+NH3.OHNH4+CH3COOHNH3.CH3COONH4OHNH2ONH3酸碱共轭酸共轭碱20有机酸特征有机酸特征含有活性氢官能团，官能团含有活性氢官能团，官能团 中含有电负性大的中含有电负性大的O、N原子原子 与氢相连。如：与氢相连。如： CH3COOH、ArOH、ROH强酸强酸的共轭碱是的共

14、轭碱是弱碱弱碱： H2SO4HSO4+ H+强酸强酸 弱碱弱碱弱酸弱酸的共轭碱是的共轭碱是强碱：强碱： CH3COOHCH3COO + H+弱酸弱酸 强碱强碱21 勃朗斯台特酸都是勃朗斯台特酸都是Lewis酸的一部分；酸的一部分； 勃朗斯台特碱就是勃朗斯台特碱就是Lewis碱。碱。有机碱特征有机碱特征含有孤电子对饱和含有孤电子对饱和O、N原子原子 官能团。如：官能团。如：+CH3CH2OCH2CH3+HICH3CH2OCH2CH3 IHCH3CH2OHH2SO4CH3CH2OH2 HSO4CH3CH2NH2CH3COOHCH3COO NH3CH2CH3.ROH、RNH2、RC NH2O有些有机

15、物既是有些有机物既是酸酸也是也是碱碱：221.6.2 Lewis酸碱酸碱电子酸碱理论电子酸碱理论 Lewis酸酸碱碱定义：定义： 能接受电子对的分子或离子为酸。能接受电子对的分子或离子为酸。 能给出电子对的分子或离子为碱。能给出电子对的分子或离子为碱。Lewis酸酸碱碱特点特点： Lewis酸酸一定是含有空轨道原子的分子或一定是含有空轨道原子的分子或 离子。如：离子。如：AlCl3 。 Lewis碱碱一定是含有孤电子对原子的分子一定是含有孤电子对原子的分子 或离子。如：或离子。如：ROR 。+CH3CH2CH3CH2OAlCl3CH3CH2OCH3CH2.AlCl323H+ Li+ Na+ K

16、+ Mg2+ Ca2+ Al3+BF3 AlCl3 SO3 CO2HX1.6.3 硬软酸碱原理硬软酸碱原理 硬酸硬酸接受电子的受体原子较接受电子的受体原子较小小，带正，带正 电荷程度电荷程度高高，对外层电子抓得，对外层电子抓得 紧紧；硬酸；硬酸价电子层价电子层没没未共用电子未共用电子 对对。例如：。例如：+CH3CH2CH3CH2OCH3CH2OCH3CH2.BF3BF3ROH+ROH24软酸软酸接受电子的受体原子较接受电子的受体原子较大大，带正电，带正电 荷程度荷程度弱弱，对外层电子抓得，对外层电子抓得松松；软；软 酸价电子层酸价电子层有有未共用电子对。例：未共用电子对。例：RX 、Cu+

17、、Br+ 、 BrBr.硬碱硬碱给出电子的原子电负性给出电子的原子电负性高高，可极化，可极化 性性小小，对外层电子抓得，对外层电子抓得紧紧。如：。如：OH 、 F （Br不为硬碱）、 NH3、 ROH软碱软碱给出电子的原子电负性给出电子的原子电负性低低，可极化，可极化 性性大大，对外层电子抓得，对外层电子抓得松松。如：。如：CN、 SH、 RSH25硬酸硬酸硬碱硬碱外层电子抓得紧外层电子抓得紧 软酸软酸软碱软碱外层电子抓得松外层电子抓得松 “硬硬”、“软软” 是用来描述酸碱抓电子是用来描述酸碱抓电子的松紧程度。的松紧程度。26 酸碱结合成络合物的稳定规律：酸碱结合成络合物的稳定规律： 硬亲硬，

18、硬亲硬，软亲软软亲软 都得稳定化合物。都得稳定化合物。Cu+CNCuCN软软酸酸 软软碱碱 （稳定）（稳定） H+OHH2O硬硬酸酸 硬硬碱碱 （稳定）（稳定） H+CNHCN硬硬酸酸 软软碱碱 （不稳定）（不稳定） 271.7 有机化合物的分类有机化合物的分类 1.7.1 按碳架分类按碳架分类有有机机化化合合物物(1)开链化合物开链化合物(脂肪族化合物脂肪族化合物) C原子连接成链状原子连接成链状 (2) 脂环脂环(族族)化合物化合物 C原子连接成环状原子连接成环状 (3) 芳香族化合物芳香族化合物 含有芳环结构含有芳环结构 (4) 杂环化合物杂环化合物 含有由含有由C原子和其它原子原子和其

19、它原子(如如 O, N,S)连接成环的化合物连接成环的化合物28CH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CCHCH3CH2OH开链化合物：开链化合物： 脂环化合物：脂环化合物：OH环己烷环己烷 环戊二烯环戊二烯 环辛烯环辛烯 环己醇环己醇 芳香族化合物：芳香族化合物： OHCl苯苯 萘萘 苯酚苯酚 氯苯氯苯 杂环化合物：杂环化合物： 四氢呋喃四氢呋喃 噻吩噻吩 吡啶吡啶 糠醛糠醛 SONOCHO291.7.2 按官能团分类按官能团分类容易发生反应的原子或基团称为官能团。容易发生反应的原子或基团称为官能团。 化合物类型化合物类型 化合物化合物 官能团构造官能团构造 官能团名称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,C6H5OHC2H5OC2H5CH3CHOCH3CCH3OCH3COHOCH3