质子酸碱和路易斯酸碱理论有机化学是课件

1、学什么？怎么学？能够学到什么？（？+？）学有机化学有什么用？有机化学是？生命科学中的化学问题是未来有机化学发展的重要资源和推动力A. 重要作用 理论基础、研究工具、阐明本质生物代谢复杂生物分子 小分子复杂生物分子（反应物）：糖，脂，蛋白质，核酸，酶，药物分子等。酶催化多步骤分解反应生命科学中的化学问题是未来有机化学发展的重要资源和推动力B. 在大分子和超分子水平上，生命科学与有机化学将在更广阔范围和更深层次上相互渗透，全面互补。有机化学 小分子复杂分子大分子超分子生命科学 生物个体组织细胞亚细胞超分子大分子结构单元分子有机化学与生命科学的密切结合，是现代科学发展的必然结果和需要。http:/w

2、ww.ch.kcl.ac.uk/supramol/supramol.htm生命科学中的化学问题是未来有机化学发展的重要资源和推动力有机化学是从分子水平上研究物质世界最丰富多彩的部分 - 有机化合物。简单有机小分子化合物（组成、价键、结构、性质、鉴定、反应、合成）复杂有机化合物（结构、鉴定、合成） 大分子化合物（ 结构、鉴定、合成、相互作用） 超分子（分子识别、分子组装、功能）无处不在,无时不在生命科学中的化学问题是未来有机化学发展的重要资源和推动力C. 化学家和生物学家面临的诸多挑战挑战之一：人类健康和生活素质 资源短缺 环境恶化 新的疾病 药物副作用和耐药性解决途径之一 化学技术与生物技术的

3、密切结合课程说明课时:64h 成绩评定 平时成绩(30%)5-6分钟课堂提问作业期中测验(30%)期末考试(40%)其他？Aspartame (Nutrasweet)阿斯巴甜章节安排含氮有机物 含硫和含磷有机物 杂环及生物碱（案例）碳水化合物 氨基酸蛋白质（案例）油脂和类脂化合物（案例+自学 ）有机波谱法（案例+自学 ）专题讲解（机动）绪论 有机物命名体系（教改）烷烃烯烃和炔烃环烃（芳香烃研讨 ）旋光异构（案例）卤代烃 醇、酚、醚 醛、酮、醌 羧酸、羧酸衍生物（案例）基本内容认有机物IUPAC命名和结构书写结构和性质(性能)构性相关各类基本有机物的典型结构特征理化性质的基本规律典型化学反应本质

4、制备与合成定性鉴定实验？学习要求基础理论知识掌握共价键理论；正确理解有机分子结构的含义，掌握结构式书写原则和各类结构式表示方法；命名和结构掌握有机物的命名法（包括立体异构）；熟悉各类有机物官能团结构及官能团分类；掌握有机物结构和性质相关规则，并进行相关分析；掌握常见异构现象，构型和构象等基本知识；掌握含12个手性碳原子化合物的旋光异构现象及标记方法；了解杂环化合物的结构及萜类和甾族化合物的基本骨架；学习要求反应、机理与性质了解各类有机化合物的主要物理性质及其规律；掌握基本有机物的主要化学性质，并与化合物转化相联系；掌握自由基反应、亲电取代反应、亲核取代反应、亲电加成反应、亲核加成反应、消除反应

5、和重排反应等主要类型的反应机理；掌握诱导效应和共轭效应等电子效应的一般理论及其应用；掌握有机化学中一些常见的反应规律，如马尔柯夫尼柯夫定则，查依采夫规律，取代苯的定位规律等；生物分子的结构与特殊性质学习目标培养理解和欣赏能力。有机分子的结构和化学转化。有机物的基本概念和应用。 获得电子结构的基本概念，并用于解决有机化学各领域的问题。 进步。 改进学习策略，提高批判性思维和解决问题的技能。学习方法提前预习 做好课堂笔记多交流，勤查阅有关资料课后作一定量的题及时总结整理动手做实验课后答疑时间：随时主要参考资料付建熙主编，有机化学（3版），高教出版社王俊儒等主编，有机化学学习指导（2版），高教出版社

6、邢其毅等主编，基础有机化学，高教出版社有机化学精品课程网址:2011省级精品课程 /2013省级共享课程：/eol/jpk/course/layout/page/index.jsp?courseId=2000MIT 中文 /cocw/mit/Chemistry/courses/chemistry/5-13-organic-chemistry-ii-fall-2006/courses/chemistry/5-12-organic-chemistry-i-spring-2003/index.htm科学网 /bbs/showforum.aspx?forumid=87第 1 章 绪论有机化学简介；有机

7、物特性；基本骨架和官能团；化学键理论；结构与性质的关系酸碱理论：质子酸碱和路易斯酸碱理论有机化学是？第1节 有机化学简介Organic Chemistry is the science of carbon compounds the chemistry of the compounds of carbon“the chemistry of living things”许多基本概念都是围绕碳的特性建立起来的Unique property of carbonBond to one another in a virtually limitless number of arrangementsUniq

8、ue property of carbon煤烟, 烟灰1. 有机化学简史History(1)利用 公元770-780年，人们开始利用来自动植物体内的物质，例如：烧酒、糖、染料和药物。 (2)提取In 1770, Swedish chemist Torberm Bergman was the first to express the difference between “organic” and “inorganic”substancesOrganic derived from living organism Originally, Study of compounds extracted f

9、rom living organisms and their natural products1. 有机化学简史History1773年：尿素1773-1785年：柠檬酸，乳酸，酒石酸，吗啡元素测定生活力学说有机化学神秘莫测的力Vital force theory: Compounds such as sugar, urea, starch, waxes, and plant oils were considered “organic” people believed thatOrganic compounds needs a “vital force” to create them1. 有机

10、化学简史History(3)合成 19世纪中叶：用无机物氰酸铵（NH4CNO）首次合成尿素乙酸，油脂生活力学说被否定 In 1828, Fridrich Wohler（魏勒） convert the “inorganic” salt ammonium cyanate into the “organic” substance urea氰酸铵1. 有机化学简史HistoryWohlers synthesis led to the realization that molecules found in nature can be described, handled, and synthesized

11、 in the same way as minerals and metals. What an astounding insightthat atoms and molecules move freely between the living and nonliving worlds, that the living and nonliving share fundamental attributes that can be studied. With this discovery, organic chemistry was born.1. 有机化学简史History(4)有机物的结构一维

12、二维三维(5)有机化学的近代发展 借助于近代物理学的进展，有机化学得到长足的发展，不仅在实验室里分离和提取了一系列天然有机产物，而且还合成出一些自然界未曾发现的化合物，并逐步兴起了有机合成化学工业，尤其以染料和制药工业最为突出。20世纪30年代，随着石油等天然资源的开发和利用，世界进入了合成高分子材料的新时代。目前，随着结构理论和化学反应理论以及计算机、激光、磁共振和重组DNA技术等新技术的发展，有机化学对分子水平的掌握日益得心应手，能够按照某种特定需要，在分子水平上设计结构和进行制备。2. 有机化学的定义 DefinationL Gemlin(葛美林)Organic Chemistry is

13、 the Chemistry of Carbon Compounds Schrlemmer C(薛勒迈尔)Organic Compounds are Hydrocarbons and Their DerivativesQuestion 1 Why is an entire branch of chemistry devoted to the study of carbon-containing compounds?Organic Chemistry is the Chemistry of Carbon CompoundsThe answer is Carbon-containing compo

14、unds make life possibleUnlike most other elements, carbon forms strong bonds to other carbon atoms and to a wide variety of other elements. Chains and rings of carbon atoms can be built up to form an endless variety of molecules. It is this diversity of carbon compounds that provides the basis for l

15、ife on Earth. Living creatures are largely composed of complex organic compounds that serve structural, chemical, or genetic functions.Organic Chemistry is the Chemistry of Carbon CompoundsStill, not all carbon compounds are organic compounds. We need carbon-containing compounds in nature for our fo

16、od, medicines, clothing, and energy。We depend on millions of synthetic carbon-contaning compounds in our daily life。More Questions What makes carbon so special?Why are there so many carbon-containing compounds?3. 地位和作用有机化学是现代科学技术的重要基础学科有机化学研究的对象及研究内容有机化学是从分子水平上研究物质世界最丰富多彩的部分 - 有机化合物。简单有机小分子化合物（组成、价键

17、、结构、性质、鉴定、反应、合成）复杂有机化合物（结构、鉴定、合成） 大分子化合物（ 结构、鉴定、合成、相互作用） 超分子（分子识别、分子组装、功能）无处不在,无时不在3. 地位和作用生命科学（生物化学，分子生物学等）医药学（中药，药物化学，病理学，生化分析等）农业（农业化学，农用化学品等）石油（石油化工等）材料科学（高分子化学，功能材料等）食品（食品化学，营养学，添加剂等）日用化工（染料，涂料，化装品等）资源与环境Organic chemicals make upFoods and foodstuff食料Flavours and fragrancesMedicinesMaterials, po

18、lymers, plasticsPlant, animal and microbial matter; natural productsA vast range of manufactured goodspharmaceuticals, foods, dyestuffs, adhesives, coatings, packaging, lubricants, cosmetics, films & fibres, etc. etc.Some organic chemicalsDNAEssential oilsMedicinesActive Pharmaceutical IngredientsEx

19、cipients赋形剂MaterialsFuelsPigmentsAlmost everything you see in this picture is made of organic chemicalsOrganic chemistry is the chemistry of carbon compounds.胭脂虫 cochineal insects棘刺梨 (扇状) 仙人掌 prickly pear cactus玫瑰果 Rose hipsTobacco contains nicotine, an addictive alkaloid. Rose hips contain vitamin

20、C, essential for preventing scurvy. The red dye carmine comes from cochineal insects, shown on a prickly pear cactus. Opium poppies contain morphine, a pain-relieving, addictive alkaloid.AspirinMillions of aspirin tablets are sold in the world each year.An extract from willow bark, a precursor to mo

21、dern aspirin, was used in the 1800s.前体Taxol Taxol was first isolated (1962) from the bark of the Pacific yew tree（短叶紫杉）.It is produced today by semisynthesis from a precursor found in abundance in the needles and twigs嫩枝.Taxol or paclitaxel used to treat breast and ovarian cancers.Taxol blocks the d

22、ivision of the mitotic spindle resulting in the arrest of cell replication and cell death.有丝分裂纺锤体紫杉醇，红豆杉醇第2节 有机物特性（P2）数目多，组成复杂，异构现象频繁，但组成元素种类少溶沸点低，易挥发，易燃烧不导电，难溶于水，易溶于有机溶剂溶解慢，结晶析出慢化学反应速度慢，副反应多有机物的数量组成元素：C, H, O, N 以及卤素。Over 50 million carbon-containing (organic) compounds are known so far. In additio

23、n,90% of the new compounds discovered or synthesized each year are also organic.It shares electrons with other carbon atoms It shares electrons with several kinds of atomsC-C single, double and triple bondchain, or cyclo-links Isomerism phenomenon顺反异构（几何异构）旋光异构（光学异构）构象异构碳链异构 正丁烷和异丁烷官能团异构 乙醇和二甲醚位置异构

24、1-丁烯和2-丁烯互变异构构造异构立体异构同分异构同分异构（现象/类型）烷烃构造异构烷烃构造异构体数量甲烷1乙烷1丙烷1丁烷2戊烷3己烷5癸烷75十五烷4347二十烷366,319三十烷，蜂花烷44 x 109(C30H62)All knownC63H90N14PCoP335 Vitamin B12 VB12 动物肝脏中 分到红色结晶 定出结构, X衍射 9 个C*, 29512立体异构体 人工全合成，最复杂的非高分子化合物1965 R B Woodward ,Ronald Hoffmann (Harvard Univ), Nobel Prize溶沸点低，易挥发，易燃烧。无机物： 正负离子间静

25、电吸引作用力固体（晶体）分子间作用力强有机物：分子极性小或没有极性weak Van der Waals forces分子间相互束缚弱易摆脱液相束缚而逸散出来多数易燃烧难溶于水，易溶于有机溶剂相似相溶原理溶解/析出速度慢化学反应速度慢，副反应多旧共价键断裂，新键生成部位多能量引发过渡态稳定性条件：Cat，T，P，Sol，h，Microwave，Ultrasonic wave 有机化学反应位置总是发生在官能团上以及官能团所能影响到的位置上第3节 基本骨架和官能团基本骨架 由碳碳键和碳氢键构成烷烃，烯烃，炔烃，脂环烃，芳香烃Alkanes, Alkenes, Alkynes, Alicyclic h

26、ydrocarbons, Arenes官能团（Functional Groups)：The atom or group of atoms that defines the structure of a particular family of organic compounds and, at the same time determines their properties 官能团: 有机分子中比较活泼，易发生化学反应的原子或原子团官能团: 赋予有机物一类特征结构并决定其性质的原子或原子团Page 22表24第三节 基本骨架和官能团官能团（Functional Groups)：A funct

27、ional group determines all of the following properties of a molecule: Bonding and shape Chemical reactivity Type and strength of intermolecular forces Physical properties Nomenclature烷烃烯烃炔烃芳香烃二烯烃脂环烃卤代烷烃卤代芳烃第3节 基本骨架和官能团含氮化合物 Containing Nitrogen: 胺 Amines: RNH2, R2NH, R3N, （R4N+X-） 亚胺 Imines: -C=NH, -

28、C=NR; 腈 Nitrile: RCN (-CN, cyano group ) 硝基 Nitro compounds R-NO2 亚硝基 Nitroso compounds R-NO偶氮和重氮化合物 N=N，N三N第3节 基本骨架和官能团含氧化合物 Containing Oxygen 醇、酚、醚、醛、酮、醌Alcohols R-OH；Phenols Ar-OH； Ethers R-O-R；Aldehydes, Ketones ,Quinones R(H)C=O, R2 C=O羧酸、酯、酰胺、酸酐、酰卤Carboxylic Acids and their DerivativesAcid chl

29、orides; Acid Anhydrides; Amides; Esters RCOOH, RCOOR, RCONR2, RCOX第3节 基本骨架和官能团Containing halogen Alkyl Halides +R-X - R+ + X-Containing Sulfur磺酸 SO3H；硫醇Thiols ，硫酚 ThiophenolSHContaining PhosphorusContaining BoronContaining SiliconOther compounds:Heterocyclic compounds ,Fats,LipidsCarbohydrates Amino

30、 acids; peptides; Proteins第4节 化学键理论原子轨道和核外电子排布化学键： 离子键；共价键共价键理论价键理论；杂化轨道理论；分子轨道理论1、原子轨道和核外电子排布1、原子轨道和核外电子排布(1) The aufbau priciple（奥福宝结构规则）The closer the orbital is to the nucleus, the lower its energy1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5pSP1SP2SP3PC、Hybridization of other carbon speciescarbocations: sp2 (trigonal)

31、 geometry,planar, positive chargecarbanions: sp3 (tetrahedral) geometry,strong base, negative chargeradicals: sp2 (trigonal) geometry, generally planar, uncharged5.分子轨道理论分子轨道：电子在整个分子中运动的状态函数 成键电子不再定域于两个成键原子之间，而是在整个分子内运动离域每个分子轨道具有一定的能级分子中的电子，根据能量最低原理、Pauli原理和Hund规则逐级排列在分子轨道中组成分子的各个原子的原子轨道线性组合，形成分子轨道（

32、P？）。第5节 有机物结构与性质关系结构决定性质，性质又为结构的探索和确定提供线索和依据。有机化学核心问题之一就是研究和掌握有机物的结构特征及结构与性质的关系。结构决定性质反映近代结构理论官能团的种类分子中官能团之间的相互影响分子中直连、不直连原子间相互影响各类有机物性质以及同类有机物中性质的差异第5节 有机物结构与性质的关系1、元素电负性、键极性与分子极性Electronegativity:H: 2.1 B: 2.0 C: 2.5 N: 3.0 O: 3.5F: 4.0 Cl: 3.0 Br: 2.8 I: 2.5Li: 1.0 Mg: 1.2CH3Cl共价键的键参数键参数：用来表征共价键性

33、质的物理量 （1）.键长以共价键结合的两个原子核之间的平衡距离键长。键长共价键强度（2）.键角分子中某一原子与另外两原子形成的共价键在空间的夹角键角。键长和键角决定了分子的立体形状。例如：109.5 121.4 180 117.3 108 共价键的键参数（3）.键能在一个大气压和25下，将1mol气态双原子分子每个分子离解为两气态中性原子所需要的能量离解能。双原子分子：离解能 = 键能，两个不同原子组成的多原子分子：键能 = 共价键的平均离解能。键能共价键强度。 （4）.键的极性A.电负性 原子成键时，对成键电子的吸引能力。吸引能力原子的电负性。两成键原子的电负性差别键的极性。常见原子电负性大

34、小次序： FClBrI，FONC极性共价键/非极性共价键H3C Cl+ -共价键的键参数B. 键偶极矩 矢量，大小：=qd， 方向： 键的极性C.分子偶极矩 键偶极矩的矢量和，分子的极性。D.极性分子 分子中正负电荷中心不重合，0，存在固有偶极。例如：值0 6.4710 -30 3.2810-30 C m 共价键的键参数(5).键的可极化度键的极化：外电场诱导下产生的偶极诱导偶极 引起键的极化 键极性改变的能力键的可极化度。成键原子半径 共价键的可极化度。键的极性和可极化度是决定有机物性质的重要因素。Polarity of BondsCH3FCH3Li第5节 有机化合物结构与性质的关系2. 共

35、价键的结构与性质关系 Key Part of Organic Chemistrye.g. 1. Hydrocarbons Alkanes, Alkenes, Alkynes and AromaticCH3CH3, CH2=CH2, CH=CH, Substitute Reaction, Addition Reaction,C6H6 - Addition, difficult; Substitution, easy 第5节 有机物结构与性质关系Eg. 2 C=O, C=C addition reaction but mechanism are differentEg. 3 RH, ROH, RC

36、OOH acidity increase from left to rightEg. 4 Compounds containing O or N, comparing with C, have lone pair of electron, so they often work as Lewis base. 3. 非共价力与性质的关系非共价力包括： 氢键 Hydrogen Bond 范德华作用力 （吸引力和斥力） 偶极-偶极作用力等（见下表）作用于分子间和分子内影响化合物的物理性质和化学性质 熔点、沸点、溶解性能 酸碱性、反应速度和反应方向分子间作用力取向力 极性分子与极性分子极性分子固有偶极分

37、子定向排列静电引力取向力。分子极性，分子间距离取向力。诱导力 极性分子与极性分子，极性分子与非极性分子极性分子的固有偶极诱导另一个极性分子或非极性分子产生诱导偶极，极性分子间、极性分子和非极性分子间固有偶极与诱导偶极之间的静电引力诱导力。分子极性、被诱导分子的变形性、分子间距离诱导力。分子间作用力色散力 极性分子与极性分子，极性分子与非极性分子，非极性分子与非极性分子分子中的电子及各原子的原子核的运动 瞬时偶极，极性分子间、极性分子和非极性分子间、非极性分子间通过瞬时偶极产生的作用力色散力。分子的变形性、分子间距离、分子间接触表面积 色散力。氢键(1)定义 (2)形成氢键的条件： XHYR(3

38、)氢键的特点：方向性和饱和性(4)氢键的种类：分子间氢键和分子内氢键非共价力及其强度InteractionsStrength Ion-Ion interactioncomparable to covalent bondingIon-dipole50200 kJ/molDipole-dipole550 kJ/molHydrogen bonding4120 kJ/molCation- interactions580 kJ/mol- stacking050 kJ/molVan der Waals forces 5 kJ/mol, variableHydrophobic effects第6节 酸碱理论

39、质子酸碱理论路易斯酸碱理论1、酸碱概念的发展1663年 （英）Boyle, R. 酸具有酸味，能使蓝色石蕊变红 碱具有苦涩味，能使红色石蕊变蓝18世纪后期，从物质内在性质认识酸碱1781年 （法）Lavoisier, A. L. 酸是一类含氧化合物，氧酸素19世纪初，HCl，HI等被发现 1811年 Davy, D. P. 提出“氢是酸的基本元素”的论点1、酸碱概念的发展19世纪后期，近代酸碱理论开始形成A、1889年 Arrhenius, S. A. 水-离子论20世纪 B、 Franklin, F.C. 溶剂论C、Bronsted, J. N.Lowry, T. M. 质子论D、Lewis, G. N. 电子论E、Pearson, R. G. 软硬酸碱理论酸碱概念的发展Arrihenius 离子论 在水溶液中能电离出氢离子的物质称为酸；能电离出氢氧根离子的物质称为碱局限性：不能解释非水体系和非溶剂体系的问题2、Bronsted