大学化学原理19

1、 第六节 分子间作用力和氢键一、分子的极性二、分子间作用力三、氢键一、分子的极性 分子中都含有带正电荷的原子核和带负电荷的电子，由于原子核所带正电荷与电子所带负电荷相等，因此分子是电中性的。设想分子中有一个“正电荷中心”和一个“负电荷中心”，如果分子的正、负电荷中心重合，则为非极性分子；如果正、负电荷的中心不重合，则为极性分子。 分子的极性的大小常用分子电偶极矩来衡量。分子电偶极矩等于正电荷中心 (或负电荷中心) 的电量q 与正、负电荷中心间的距离d 的乘积： 分子电偶极矩越大，分子的极性就越大；分子电偶极矩越小，分子的极性就越小；分子电偶极矩为零的分子是非极性分子。一些分子的分子电偶极矩与分

2、子空间构型H2N2CO2CS2CCl4CH4H2SH2ONH3 0 0 0 0 0 0 3.63 6.17 4.29直线形直线形直线形直线形正四面体正四面体角形角形三角锥形SO2CHCl3COO3HFHClHBrHIBF3 5.28 3.63 0.33 1.67 6.47 3.60 2.60 1.27 0角形四面体直线形角形直线形直线形直线形直线形平面正分子分子分子空间构型分子空间构型三角形二、分子间作用力 分子中的电子和原子核都在不停运动着，在运动过程中它们之间会发生瞬时的相对位移，在一瞬间分子的正、负电荷中心不重合，产生瞬时偶极。当两个非极性分子充分接近时，两个分子的正、负电荷中心同时处于

3、异极相邻的状态而产生吸引作用。这种由非极性分子的瞬时偶极产生的吸引作用称为色散力。虽然瞬时偶极存在时间极短，但是这种情况不断重复，因此色散力始终存在着。(一) 色散力 由于在极性分子中也会产生瞬时偶极，因此不仅非极性分子之间存在色散力，而且非极性分子与极性分子之间及极性分子之间也存在色散力。(二) 诱导力 当极性分子与非极性分子充分接近时，在极性分子固有偶极的影响下，非极性分子原来重合的正、负电荷中心发生相对的位移而产生诱导偶极，在极性分子的固有偶极与非极性分子的诱导偶极之间产生静电作用力。这种极性分子固有偶极与非极性分子的诱导偶极产生的作用力称为诱导力。 当极性分子充分接近时，在固有偶极的相

4、互影响下，每个极性分子的正、负电荷中心的距离被拉大，也产生诱导偶极，因此诱导力也存在于极性分子之间。(三) 取向力 极性分子的正、负电荷中心不重合，分子中存在固有偶极。当极性分子充分接近时，极性分子的固有偶极间同极相斥、异极相吸，在空间的运动循着一定的方向，而处于异极相邻的状态。这种由于极性分子的偶极定向排列产生的静电作用力称为取向力。取向力的本质是静电作用，显然，极性分子的分子电偶极矩越大，取向力就越大。 综上所述，在非极性分子之间，只存在色散力；在极性分子与非极性分子之间，存在色散力和诱导力；在极性分子之间存在色散力、诱导力和取向力。对于大多数分子来说，色散力是主要的；只有当分子的极性很大

5、时，取向力才比较显著；而诱导力通常很小。三、氢键 当氢原子与电负性大、半径小的 X 原子(X=F，O，N) 以共价键结合后，共用电子对偏向于X 原子，氢原子几乎变成了 “裸核” 。“裸核” 的体积很小，又没有内层电子，不被其他原子的电子所排斥，还能与另一个电负性大、半径小的 Y 原子 (Y= F，O，N) 中的孤对电子产生静电吸引作用。这种产生在氢原子与电负性大的元素原子的孤对电子之间的静电吸引称为氢键。 氢键具有方向性和饱和性。氢键的方向性是指形成氢键 时，X，H，Y 原子尽可能在同一直线上，这样可使 X 原子与 Y 原子之间距离最远，两原子间的斥力最小。但形成分子内氢键时，由于结构的限制，

6、X，H，Y 往往不能在同一直线上。氢键的饱和性是指一个X-H 分子只能与一个 Y 原子形成氢键，当 分子与一个Y 原子形成氢键 后，如果再有一个 Y 原子接近时，则这个原子受到 上的 X，Y 原子的排斥力远大于 H 原子对它的吸引力，使 中的 H 原子不可能再与第二个 Y 原子形成第二个氢键 。 氢键可分为分子间氢键和分子内氢键两种类型。一个分子的 键与另一个分子中的 原子形成的氢键称为分子间氢键； 一个分子的键与该分子内的Y原子形成的氢键称为分子内氢键。 氢键通常用 表示，其中X 和Y 代表 F，O，N 等电负性大、半径小的非金属元素的原子； 代表氢键。Y 形成分子间氢键时，使分子之间产生了

7、较大的吸引力，因此化合物的熔点、沸点升高。如果溶质分子与溶剂分子之间形成氢键，将使溶质与溶剂分子之间的结合力增强，导致溶质的溶解度增大。而形成分子内氢键时，常会使化合物的熔点、沸点降低。若溶质分子生成分子内氢键，则在极性溶剂中的溶解度减小，而在非极性溶剂中的溶解度增大。有机化学Organic Chemistry 1828年维勒（F.Whler）在实验室用NH4Cl处理AgOCN时合成出了氰酸铵(NH4OCN)，把氰酸铵溶液蒸发发现很容易得到从哺乳动物尿中分泌得到的尿素(NH2CONH2),这一无意中的发现惊动了化学界，化学家从生命力论的禁锢中解放了出来，开始人工合成有机化合物的研究。 1845

8、年柯尔伯（Kolbe）合成了醋酸；1854年，柏赛罗(M.berthelot)合成油脂类化合物等。定义有机化合物：就是碳的化合物。因为所有的有机化合物都是以碳为主要组成元素，并以碳为骨架形成的。有机化学：就是研究有机化合物的组成、结构、性质、合成、应用及其变化规律的一门科学。二、有机化合物的特性（1）数目庞大 1999年12月，美国的化学文摘收录的自然界得到的和人工合成的化合物数目已经达到2230万种，其中90%为有机化合物。 原因：与碳原子能自相结合成键有密切的关系，其形成的碳链可以是开的，也可以是环状的，而且碳链还能相互交联，并且碳原子又可以和其他原子（O、H、N、S、X、P）等元素及金属

9、形成键。（2）结构复杂 无机化合物多数由几个原子所形成，而有机化合物则复杂得多.（3）可以燃烧,绝大多数有机物都可以燃烧，而一般的无机化合物不容易燃烧，可燃烧后的有机化合物都生成二氧化碳，碳氢化合物则生成水和二氧化碳，有些有机化合物是气体，有些挥发性很大，闪点低，这些就要求我们在处理有机化合物要注意安全。（4）熔点低 许多有机化和物在常温下是气体，液体，常温下是固体的有机化和物熔点也比较低，通常小于400，而固体无机化合物则很高，通常在千度左右。 熔解：是结晶的粒子从有规则排列变成无规则排列，并且呈现液体样流动特征的过程，当温度上升到粒子的热运动能克服晶体内粒子之间的作用力时 就出现了熔解，达

10、到熔点（5）难溶解于水，容易溶解于有机物 水分子极性很强，而有机化合物一般极性比较弱（6）反应速率慢，而且反应的副产物多 大多数的有机化合物的反应是很慢的，通常一小时来计算，某些反应极慢，例如乙醇和乙酸在无催化剂的条件下要60年才可以达到平衡，当然也有例外的，例如有机炸药的爆炸。 有机化合物发生反应时，通常伴随副反应发生，化学反应就其本身而言是一个旧键的断裂和一个新键的生成的过程，有机化合物通常含有多个共价键，而且键的断裂程度又差不多，因此，当有机化合物与另外一种试剂反应时，就往往有可能在几个不同的部位按不同的趋向同时进行。结果造成产物复杂，主产物产量降低，一个有机反应，产率要是能达到60%-

11、70%，就算是比较满意的 了。选择最佳条件，减少副产物，来提高产率是化学工作者的重要使命之一。二、同分异构现象化合物具有相同的分子式，但具有不同结构的现象，叫做同分异构现象；具有同分异构现象的化合物互称同分异构体。现在已学的同分异构包括三种类型：类别异构（如丁二烯与丁炔）碳链异构（如丁烷与异丁烷）位置异构（如1-丁烯与2-丁烯C4H8的同分异构现象3.有机化合物的分类定义：在有机化学中，常把只含有碳、氢两种元素的化合物看做母体，称做烃(hydrocarbon)，如烷烃、烯烃、炔烃、芳烃等。而把母体中一个或几个氢原子被其它原子或原子团取代后的生成物叫做烃的衍生物。这些取代的原子或原子团叫做官能团

12、。对于基本的烃类，按照碳链的结合方式不同可分为以下几类：3.有机化合物的分类(续)3.有机化合物的分类(续)(4)杂环化合物：可看做是相应芳香环上的碳原子被杂原子取代后的生成物。如：(5)天然有机化合物：是指从自然界的动植物中提炼出来的有机化合物。如：碳水化合物、蛋白质、油脂等。4.有机化学的重要性有机化合物遍布自然界，人们的衣食住行都与有机物密切相关。即使我们的身体也是由蛋白质、核酸、脂肪等复杂的有机物组成。因此，了解有机化学的过程就是认识人的自身、认识自然、征服自然的过程。刚开始，人们只能从自然界的动、植物中分离一些简单的有机物，随着对有机物的深入了解和有机合成的迅速发展，到今天，人们已能

13、从简单的有机原料合成出许多结构复杂的有机物，甚至能合成出比天然物性能更优异的有机物和合成材料。在有机化学指导下发展起来的化学工业，正在生产着越来越多的生活用品和工业材料，有机化学工业在发展国民经济和现代科学技术过程中，起着极其重要的作用。(1) 有机化学使世界五彩缤纷(2) 有机化学保护我们的健康(1)喹啉(Quinine)又称金鸡纳碱 。用于治疗和预防各种疟疾。美登素(Maytansine)1972年Kupchan报道的第一个新型抗癌含氮大环化合物 美登素喹啉当归(2) 有机化学保护我们的健康(2)弗莱明1945年获诺贝尔奖(2) 有机化学保护我们的健康(3)抗癌药物紫杉醇VB12的分子结构

14、图其关键中间体有9个不对称碳原子, 应有512个异构体, 共需95步反应VB12: 100位科学家历时11年完成红霉素（Erythromycin）C37H68O12N18个C*218=262144种立体异构体但只有一个是正确的.这还不包括构造异构.被Woodward称为“绝望的化合物”1982年被Woodward的小组合成海葵毒素有64个手性碳和7个骨架内双键(Z、E),异构体数为271个(近乎阿佛加德罗常数！),是目前已发现的最复杂的化合物, 但也已被合成. (1989年经8年之久由哈佛大学的Kishi领导24名博士和博士后完成.)(3) 有机化学为生命提供能源（碳水化合物）葡萄糖直链淀粉蔗

15、 糖(4) 有机化学是研究生命科学的基础蛋白酶模型 生命遗传物质DNA1953年，25岁的沃森和35岁的克里克发现DNA的双螺旋结构。他们的发现照亮了整个遗传学领域，指引着人们去探究生命本质的奥秘。(5) 有机化学与人民生活紧密相关(6) 有机化学与环境污染淮河上游被化工厂排出物污染 美国化学文摘CAS登录的化合物前45年增加1倍后60年增加80倍近6年，平均每年增加980万种 有机化合物分子结构式的表示方法1. 电子对代替价键表示分子结构的式子叫电子式2. 用价键将分子中各原子相互连接起来表示分子结构的 式子叫结构式3. 简化了的结构式称为结构简式注意的问题： 1.每个原子的化合价正好饱和

16、2.必须对应唯一的一种结构 更简单的表示式是采用键线式，即碳和氢原子都不必标出，只需要表明分子中的官能团。例如：有机化合物的分类 一、按碳架分类 1.链状化合物的（也称开链化合物或脂肪族化合物） 2.碳环化合物 3.杂环化合物 二、按官能团分类1.官能团的含义2.常见的官能团及所属类别举例 官能团 化合物类别 化合物举例烯 炔 卤素 -X 卤代烃 羟基 -OH 醇或酚 醚 醛 酮 羧酸酯 羧酸 氨基 -NH2 胺 硝基 -NO2 硝基化合物 氰基 -CN 腈 有机化合物的命名一、 烃类的命名1. 烷烃的命名 普通命名法一、普通命名法： 普通命名法是有机化学早期对有机化合物的命名方法。 普通命名

17、法是以分子中所含碳原子的数目，用“天干”甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和中国数字十一、十二等命名的；而对碳链异构体则以正、异、新、伯、仲、叔、季等形容词区分之；对烃的衍生物还可将碳链从与官能团相连的碳原子开始依次用 、等希腊字母来表示取代基的位置，再加上官能团的名称而命名的。 伯、仲、叔、季碳原子和伯、仲、叔氢原子 烷基 CnH2n+1丙基异丙基有机化合物的俗名和简称： 所谓俗名(trivial name)就是化学工作者根据化合物的来源、制法、性质或采用人名等加以命名的。23 衍生物命名法 该法是按照化合物由简到繁的原则，规定每类化合物以最简单的一个化合物为母体，而将其余部分作为取代基

18、 基的命名 一个化合物从形式上去掉一个或几个原子或基团剩余的部分称为“基” 。 一价基： 二价基 亚基： 三价基次基： 三苯甲烷 二苯酮 三苯甲醇 苯二氯甲烷24 系统命名法241 关于有机化合物取代基的位次编号和列出顺序 一、关于“最低系列” ： 所谓“最低系列”是指当碳链以不同方向编号，得到两种或两种以上不同的编号序列时，则顺次逐项比较各序列的不同位次，首先遇到位次最小者，定为“最低系列”。 例如： 当一个分子中同时含有双键和叁键时，则会有两种不同的情况： （1）双键和叁键处于不同的位次：按最低系列原则给 双、叁键以尽可能低的位次编号。 (2)双键、叁键处在相同的位次：选择给双键以最低的位

19、次编号。 二、关于取代基的列出顺序“较优基团后列出” ： 1.确定“较优基团”的依据次序规则： (1)取代基或官能团的第一个原子，其原子序数大的为“较优基团” ；对于同位素，质量数大的为“较优基团”。 (2)第一个原子相同，则比较与之相连的第二个原子，依此类推。 (3)取代基为不饱和基团，可分解为连有两个或三个相同的原子。 2. “较优基团后列出”的应用： 当主碳链上有几个取代基或官能团时，这些取代基或官能团的列出顺序将遵循“次序规则”，指定“较优基团”后列出。 如:242 烃的命名 一、烷烃 主碳链的选择当有两个以上的等长碳链可供选择时，其选择顺序为： 例1：选择支链多的碳链为主碳链。 例2

20、：选择支链位号较小的为主碳链。 二、开链不饱和烃 要点： 选择含双键（或叁键）尽可能多的最长碳链为主碳链，从靠近不饱和键的一端开始编号。三、脂环烃 1. 单环烃： 芳烃 1. 单环芳烃： 苯环上连有多个烃基时，以苯基为母体，并遵循“最低序列”和“优先基团后列出”的原则命名。 当复杂基团或不饱和基团与苯环相连时，则以苯环作取代基。 2多环芳烃 联苯类： 稠环类： 243 烃衍生物的命名一、单官能团化合物的命名 单官能团化合物是指：除碳碳不饱和键外，分子中只含一种官能团的化合物。 1.卤代烃： 命名时，以烃为母体，卤原子作取代基。 2. 醇 选长链含羟基； 编位次羟基始。 3. 酚： 编号：一般情

21、况下，应使羟基的编号尽可能的小。 4. 醚： 结构比较简单的醚：“烃基名称 + 醚字” 注意：优先基团写在后面。 结构比较复杂的醚：通常把“烃氧基”作为取代基。 环状醚通常称“环氧某醚”，或按杂环化合物命名。 5. 硫醇、硫酚、硫醚： 命名与醇相似,只是在相应的母体前面加一个“硫”字. 6. 醛、酮 选长链：含羰基； 编位次：羰基始。83 7. 羧酸及其衍生物 羧酸：命名方法与醛、酮相似。 羧酸衍生物： 酰卤和酰胺： 根据相应的酰基命名。 酸酐：根据相应的羧酸命名。 酯：根据相应的酸和醇命名，称为“某酸某酯”。244 复合官能团化合物的命名 分子中含有两种或两种以上官能团的化合物成为复合官能团

22、化合物（或称混合官能团化合物）。 命名时，首先按官能团优先顺序确定母体，并遵循最低系列和次序规则命名之。 官能团的优先次序为：排在前面的官能团选做主要官能团。 练习： 命名下列化合物： 烯基的名称： 3. 脂环烃的命名 单环烃的系统命名与脂肪烃基本相同，只是以碳环为母体，母体的名称是在相应脂肪烃的名称前冠以“环”字。不饱和脂环烃母体环的编号，以重键位次最小为原则，环烷烃中环的编号,仍按最低系列原则编号。 4.芳香烃的命名 命名有两种方法，一种是以芳香环作为母体，将其他烃基看作芳香环上的取代基；另一种是将芳香环看作烃的取代基来命名。3-环戊基丁烯二、 烃的衍生物的命名 烃分子中的氢原子被其他原子

23、或官能团取代后生成的化合物叫做烃的衍生物，其命名与烃的命名相似。 1. 脂肪族衍生物的命名 对简单的衍生物，首先区分化合物的类别（醇、卤代烃、醛、羧酸等），然后按照碳原子的数目和烃基的名称命名。 结构复杂的烃的衍生物，采用系统命名法 2. 芳香族衍生物的命名 芳香族衍生物的命名基本上与脂肪烃命名相同。通常，当环上有硝基（-NO2）、卤素（-X）时，把芳环当作母体；含有其他官能团如：羟基（-OH）、氨基(-NH2)、醛基(-CHO)、羧基(-COOH)等时 ，把芳环当作取代基进行命名。 3 . 杂环化合物的命名 目前主要采用音译法进行命名。一般在同音汉字的左边，加上一个“口”旁。 有机反应 有机反应的类型也多种多样，根据反应物和生成物之间的关系，我们在这里介绍裂化反应、取代反应、氧化还原反应、加成与加聚反应、缩合及缩聚反应等。一、 裂化反应 裂化反应是在一定条件下，把相对分子质量大的烃断裂为相对分子质量小的烃的过程。裂化反应