有机化学概述市公开课获奖课件

1、有机化学主讲：许亮第1页第1页 教科书： 有机化学第二版 高占先编 高教出版社 1999. 主要参考书： 1) 大学有机化学基础 荣国斌等编 化学工业出版社 2）基础有机化学习题解答与解题示例 邢其毅等编 北京大学出版社 1998. 3）有机化学 上、下册 曾昭琼主编 高教出版社 1999. 第2页第2页有机化学成绩评估（理论课） 项目分(%) 1. 考勤 2. 作业、课堂练习 3. 课堂讨论 4. 期中考试 5. 期末考试510102550第3页第3页课前预习听课、记笔记整理、归纳、总结做习题（巩固） 非常主要！讨论及答疑学好有机化学几种主要环节切记：不要死记硬背 不要暂时抱佛脚第4页第4页

2、反应物产物学习中应注意几种方面有机化合物结构与反应反应性质结构有机反应与反应机理有规律反应特殊反应反应原理反应过程 机理反应规律有机反应应用有机合成简朴化合物多步反应复杂分子?反应物如何环节至少产率最好第5页第5页 第一章 绪论 一. 有机化合物和有机化学 1. 有机化合物 2. 有机化学 3. 有机化学发展与研究热点 二. 有机化合物结构特性 1.有机化合物结构式表示法 2. 共价键形成 3. 共价键基本属性 4. 诱导效应 三. 有机反应类型和试剂分类 1.有机反应类型 2.中间体概念 3.试剂分类 四. 溶剂分类和溶剂化作用 1.溶剂分类 2.溶剂化作用第6页第6页什么是化学？借用一位著

3、名化学家话：化学就是关于创造以前不存在新物质科学。这些新物质涵盖了从塑料到各种农药，药物，对人们日常生活有着极大影响。我们现在认为，要不是通过化学知识来合成，诸多当代化产品都不会存在。 尽管设计和合成新分子是化学关键，分析这些新物质以及研究这些反应为何会发生，如何发生是化学研究另一主要方面，它揭示我们周围世界分子复杂性及其与我们和其它生命有机体精妙关系。第7页第7页对有机化学通常定义是：有机化学就是关于碳元素及其化合物科学，这些化合物被称作有机分子。有机分子是生命体化学大厦砌块。第8页第8页有机化学?第9页第9页 有机化学（Organic Chemistry） 研究有机化合物结构和性质科学 有

4、机化合物 碳氢化合物及其衍生物HCNOFPSClBrISiB有机化合物中常见元素第10页第10页有机化学与人类健康合成药物肺炎、脑膜炎、败血症等30年代中后期第11页第11页杜马克(GerhardDomagk),这也是一位德国科学家。他第一例临床试验是在他女儿身上进行。他女儿由于针刺引起链球菌感染，百浪息多使她神奇得到康复。以后巴黎巴斯德研究所医学家发觉百浪多息对链球菌作用是通过其分子中苯磺酰胺部分发挥作用，从而创造了磺胺类药物。 第12页第12页青霉素抗菌素青霉素发觉是一个更为广泛传颂故事。弗来明（AlexanderFleming）是英国伦敦圣玛丽医院细菌学家，他在1928年发觉了青霉素，但

5、他没有办法把它提纯，因此，他也没有办法应用到临床中去。直到20世纪30年代，一位英国科学家和一位澳大利亚科学家做了大量工作，以后又跑到美国去寻求基金会资助，最后他们终于把青霉素提纯成晶体。到了1943年，青霉素正式用于临床。那时候正值第二次世界大战，青霉素应用挽救了成千上万人生命。以后科学家又从土壤微生物中发觉了链霉素，这是很了不得事件，由于当初肺结核病非常普遍，并且没办法治疗，被称为“白色瘟疫”。由于链霉素治疗肺结核十分有效，它发觉者在1952年取得了诺贝尔奖。第13页第13页抗癌药物紫杉醇第14页第14页聚烯烃: 世界产量：8800万吨 年中国产量：839.8万吨, 市场消费1579.8万

6、吨聚乙烯: 世界产量： 5000万吨 中国产量: 354万吨, 市场消费809.5万吨中国聚乙烯消费量:3.4公斤/人,年世界聚乙烯人均消费量:6.2公斤/人,年有机化学与材料第15页第15页 一架飞机需橡胶 600 Kg （上万个零件） 一艘35,000吨轮船 需橡胶 60 T 生产1,000 T年 橡胶： 天然橡胶 占地3万亩，种树300万株，工人5,000 6,000人返回 合成橡胶 占地10亩，工人几十人。 第16页第16页F.Sherwood Rowland & Mario Molina 1995 Nobel Prize有机化学与环境第17页第17页第18页第18页构成除C、H以外，

7、只含有O、N、S、P、X等少数元素。有机物数目繁多(400万/70万)结构原子间通常以共价键方式结合；同分异构现象普遍。性质易燃、易爆；热稳定性差；熔、沸点低；难溶于水；反应速度慢。例：HOAc: m.p 16.1 b.p 116; NaCl: m.p 800 b.p 1440 有机化合物特性第19页第19页 一. 有机化合物和有机化学 1. 有机化合物（organic compound）：碳化合物、碳氢化合物及其衍生物。特点：挥发性，熔点低，易燃，转化速率低常伴副反应，普通以共价键相连。 2. 有机化学（organic chemstry）：研究有机化合物起源、制备、结构、性能、应用 以及相关

8、理论、改变规律和办法学科学。 三项内容：分离、结构、反应和合成 分离 从自然界或反应产物通过蒸馏、结晶、吸附、萃取、 升华等操作孤立出单一纯净有机物。 结构 对分离出有机物进行化学和物理行为理解，阐明 其结构和特性。 反应和合成 从某一有机化合物(原料)通过一系列反应转 化成一已知或新有机化合物(产物)。第20页第20页3. 有机化学发展及其研究热点。“有机”(Organic) “有机体”(Organism) 起源从天然产物中得到：舍勒（Scheele）：草酸，酒石酸，柠檬酸等拉瓦锡（Lavoisier）：最初粗略定义有机化合物第21页第21页 生命论与早期有机化学（1828年之前）有机化合物

9、最早有机化合物来自于动植物体（有机体）生命论(Vitalism)认为：有机化合物只能由有机体产生。无机化合物则存在于无生命矿藏中，同时也可由有机体产生。生命力学说阻碍了有机化学发展20多年，人们放弃了人工合成有机物想法第22页第22页1845年，柯尔伯(H.kolber) 制得醋酸；1854年，柏赛罗(M.berthelot)合成油脂类化合物；尔后，布特列洛夫合成了糖类化合物；. 1828年，德国化学家维勒(Whler,F.)制尿素：（试验室制备） 有机物可起源于生物体也可由无机物转化而来。 迄今已知化合物超出万(主要通过人工合成 )，其中绝 大多数是有机化合物。第23页第23页1858年，化

10、学家凯库勒提出碳四价学说，揭示了有机物结构 。相继库珀，布特列洛夫分别提出有机化合物结构学说，对有机化学发展起来很大推动作用。第24页第24页范托夫开创建体化学研究路易斯用电子正确办法阐明化学键形成休克尔用量子化学办法研究不饱和化合物和芳香化合物结构英戈尔德揭示饱和碳上取代反应机理第25页第25页红外（IR）、核磁共振（NMR）、紫外（UV）、质谱（MS）等波谱技术增进了有机化学研究第26页第26页 有机化学是一门快速发展学科 19011998年，诺贝尔化学奖共90项，其中有机化学方面 化学奖55项，占化学奖61%第27页第27页 当代有机化学发展一个主要趋势：与生命科学结合。 1980年(D

11、NA) 1997年(ATP)与生命科学相关化学诺贝尔奖 八项； 有机化学以其价键理论、构象理论、各种反应及其反应机理成 为当代生物化学和化学生物学理论基础； 在蛋白质、核酸构成和结构研究、顺序测定办法建立、 合成办法创建等方面，有机化学为分子生物学建立和发展 开辟了道路； 拟定DNA为生物体遗传物质, 是由生物学家和化学家共同完毕； 人类基因组“工作框架图”组装后基因组计划序列基因 (Sequence Genomics)结构基因(Structural Genomics)第28页第28页 功效基因(Functional Genomics)。 有机化学尤其是生物有机化学参与研究项目： 研究信息分子

12、和受体辨认机制; 发觉自然界中分子进化和生物合成基本规律; 作用于新生物靶点新一代治疗药物前期基础研究; 发展提供结构多样性分子组合化学; 对于复杂生物体系进行静态和动态分析新技术，等等。 有机化学中，有机合成占有独特关键地位。 1989年美国Harvard大学kishi专家等完毕海葵毒素(palytoxin) 全合成。第29页第29页第30页第30页 Woodward等完毕VB12全合成第31页第31页树脂糖苷(Tricolorin)及高抗癌活性甾体皂甙(OSW-1)： 从20世纪下半叶起，化学主要任务不再是发觉新元 素，而是合成新分子，尤其是人们感兴趣明星分子。 一徐光宪一第32页第32页

13、 21世纪，要实现“抱负”合成法。强调实用、环境友好、 资源可持续利用。 简朴原料、温和条件，通过简朴环节，快速、高选择性、高效 地转化为目的分子。 绿色合成 诺贝尔化学奖 “手性催化氢化反应”、“手性催化氧化反应” 独特功效分子（各种性能材料、生理活性分子、天然产物） 全合成。 计算机技术引入，结构测定、分子设计和合成设计。第33页第33页 有机新材料(分子材料)化学。 1. 化学结构种类多； 2. 能够有目的地改变功效分子结构， 进行功效组合和集成；3. 能够在分子层次上组装功效分子， 调控材料性能。 当前研究热点领域： 1. 含有潜在光、电、磁等功效有机分子合成和组装 2. 分子材料中电

14、子、能量转移和一些快速反应过程研究； 3. 研究分子结构、排列方式与材料性能关系，发展新分子 组装办法，探讨产生特殊光电磁现象机制； 4. 摸索新型分子材料在光电子学和微电子学中应用等 第34页第34页二. 有机化合物结构特性1. 有机化合物结构式表示办法分子中原子间互相连接顺序叫做分子结构。表示分子结构化学式叫做结构式。分子式只包括分子中含原子种类和数目（C4H10）第35页第35页第36页第36页1)短线式（蛛网式） 2)普通式（结构简式） 3)键线式1C、H 原子不写，写出其它原子或基团；2线与线之间夹角120o ,叁键两边碳用直线表示。注意第37页第37页 讨论 1）将普通式改写成键线

15、式 2）将键线式改写成普通式第38页第38页知识回顾：原子结构示意图第39页第39页2. 共价键概念lewis电子结构式 原子电子配对成键，形成稳定电子构型。 共价结合价电子表示电子结构式为lewis结构式。 表示出未共用价电子结构式 lewis电子结构式第40页第40页 凯库勒(kekul)结构式写出下列化合物lewis电子式Lewis电子式中价电子数之和应等于所有单个原子价电子数之和。第41页第41页讨论下列 lewis电子式假如带电荷，请在该原子上标明： 不带电荷 中性 形式电荷数=价电子数1/2成键电子数非成键电子数 第42页第42页 C、H结合：化合价应为2价， 键角应为900， 形

16、成化合物为CH2 。 实际为4价，键角随C原子形成不同分子而 不同。 由共价键理论分析 C、H原子形成份子第43页第43页 C、H结合：化合价应为2价， 键角应为900， 形成化合物为CH2 。 实际为4价，键角随C原子形成不同分子而 不同。 由共价键理论分析 C、H原子形成份子第44页第44页二、有机化合物分子中化学键 （bond of Org. Chem） （一）碳原子结构： 1、碳原子原子结构示意图： 电子层数 K L M 各层亚层数 s s p s p d第45页第45页2、电子排布式：1s22s22p23、轨道表示式：C核外电子云图电子云概念：形状：d电子云：第46页第46页P 轨道

17、方向有：x、y、z（二）共价键理论 （VB，valence bond theory）含有单电子两个原子，当其电子自旋方向相反（）时能够配对（原子轨道重叠）形成共价键（covalent bond）HHHH1s1sH H氢原子原子轨道重叠氢分子第47页第47页定域性：自旋反平行两个电子绕核做高速运动，属于成键原子共同所有。电子对在两核之间出现几率最大；1、价键理论三个要点：原子轨道有一定伸展方向(s,p,d)，要实现最大重叠才干形成稳定共价键。因此一个原子与周围原子形成共价键有一定角度。方向性：+xy最大重叠+xy不是最大重叠+xy不是最大重叠第48页第48页原子轨道重叠情况示意图第49页第49页

18、成键方向对分子 空间立体结构影响线型锥型104027第50页第50页饱和性：每个原子成键总数（或以单键连接 原子数目）是一定。原子中成单电子数决定成键总数；如HCl，不能形成HCl2；如H2O，不能形成HO+第51页第51页 C、H结合：化合价应为2价， 键角应为900， 形成化合物为CH2 。 实际为4价，键角随C原子形成不同分子而 不同。 由共价键理论分析 C、H原子形成份子第52页第52页1931年，鲍林（Pauling L）提出原子轨道杂化理论（hybrid orbital theory）原子在成键时，其s轨道和p轨道重新组合成新型轨道，这个新型轨道称为杂化轨道。其特点：更大方向性实现

19、最大重合；空间排列使杂化轨道间尽也许远离，斥力最小，形成更牢固化学键，更稳定分子。第53页第53页2、杂化轨道理论要点： 能量相近原子轨道能够重新组合（重新分派能量和电子云密度及空间取向）形成新轨道，即杂化轨道。原子轨道杂化后成键能力增强，重叠程度增大，形成键更稳定。碳原子三种杂化方式：sp3杂化、 sp2杂化、sp杂化 第54页第54页1）碳原子sp3杂化：1个2s电子激发到2pz轨道，用1个2s轨道和3个2p轨道重新组合，进行杂化，故称为sp3 杂化； 得到4个sp3杂化轨道。与基态轨道相比，其特点：第55页第55页 能量相等，成份相同 （1/4s轨道和3/4p轨道）；杂化轨道形状是一头大

20、一头小，电子云分布更集中，可使成键轨道间重叠部分增大，成键能力增强；杂化轨道电子云：sp3 杂化轨道在空间尽也许伸展，呈最稳定正四周体型，轨道间夹角（键角）为10928 sp3 杂化又称为正四周体杂化。第56页第56页键C-H键甲烷分子形成：第57页第57页2）碳原子sp2杂化： 由1个2s轨道和2个2p轨道杂化，形成3个 等同sp2 杂化轨道，另有1个2p轨道不参 与杂化； 杂化轨道成份：1/3s轨道和2/3p轨道； 成键能力较sp3杂化轨道弱，但比未杂化 轨道强；第58页第58页sp2杂化轨道呈平面三角形，夹角为120。未杂化2p轨道垂直于这一平面。键，键乙烯分子：第59页第59页3）碳原

21、子sp杂化： 由1个2s轨道和1个2p轨道杂化，形成2个等同 sp 杂化轨道，另有2个2p轨道不参与杂化； sp杂化轨道成份：1/2 s轨道和1/2 p轨道 成键能力比未杂化轨道强；杂化轨道呈直线型，夹角180 另2个未杂化2p轨道与这始终线两两垂直。第60页第60页键，键乙炔分子：第61页第61页小结：杂化与杂化轨道：杂化是指在形成份子时，因为原子间相互影响，若干不同类型而能量相近原子轨道混合起来，重新组合成一组新型轨道过程。所形成新轨道称为杂化轨道。孤立原子不可能发生杂化，只有在形成份子过程中才会发生。在杂化前后，原子轨道数目保持不变。条件不同，杂化轨道类型可能不同。第62页第62页（1）

22、键：两原子轨道沿轨道对称轴方向以头碰头方式重叠形成键。 3、共价键类型 共价键含有方向性。按成键方向不同，分为键和键。两个杂化轨道构成键电子称为电子。一个键包括两个电子。第63页第63页键成键特点： “头碰头”成键，电子云近似圆柱形分布；键能够旋转；键较稳定，存在于一切共价键中。因而，只含有键化合物其性质是比较稳定（烷烃）。 原子轨道重叠程度最大，形成共价 键最牢固。由于原子轨道是立体对称 ，原子轨道绕轴旋转不影响成键， 因而，形成键是能够自由旋转。第64页第64页 2. 价键理论 共价键形成在于成键原子原子轨道互相交盖。 共价键含有方向性。共价键含有饱和性。（电子配对）杂化轨道概念四个SP3

23、杂化轨道： 价键理论，电子定域第65页第65页E基态激发态SP3杂化第66页第66页第67页第67页第68页第68页第69页第69页（2）键：未杂化p轨道以“肩并肩”平行重叠形成键，构成键电子叫做电子。两个未杂化p轨道第70页第70页键成键特点： “肩并肩”成键；电子云重叠程度不及键，较活泼；键必须与键共存；键不能自由旋转。因此，含有键化合物性质较活泼（烯烃、炔烃等）。第71页第71页 键特点 键特点形成： 沿键轴 垂直于键轴重叠方式： “头碰头” “肩并肩”重叠程度： 大 小键能： 大 小电子云分布： 呈圆柱状 呈块柱状 轴对称 平面对称小旋转性： 能“自 由”旋转 不能存在形式： 能够独立

24、 不能比较第72页第72页小结杂化轨道理论：sp3 杂化：正四周体型杂化，4个杂化轨道，能形成4个键， 键稳定，可自由旋转；sp2 杂化：3个杂化轨道共平面，能形成3个键，未杂化p轨道可形成键，形成键后，双键均不能自由旋转；sp 杂化：2个杂化轨道成直线，能形成2个键，未杂化p轨道可形成键，形成键后，三键均不能自由旋转。第73页第73页3. 分子轨道理论 电子在整个分子中运动状态。波函数成键原子原子轨道互相靠近、互相作用，重新组合成整体分子轨道。 组合时：轨道数目不变, 原子轨道数目等于分子轨道数目。 轨道能量改变: 低于、高于、等于两原子轨道能量。 1 2* (* )第74页第74页 1 2

25、 () =1-2 *=1+2 原子轨道组合成份子轨道必备条件：能量相近、电子云最大重叠、对称性相同。 分子轨道理论，电子离域。第75页第75页第76页第76页4. 共价键属性1) 键长 成键原子原子核之间平均距离。nm。2) 键角两个共价键之间夹角。3)键能形成共价键过程中体系释放能量或共价键断裂过程中体系吸取能量。第77页第77页 C-H键键能 = 415kJ/mol 键能反应共价键强度，键能愈大则键愈稳定。第78页第78页4) 键极性非极性共价键 极性共价键 H-H Cl-Cl H-Cl+ - + 部分正电荷 - 部分负电荷偶极矩()有方向性箭头由正端指向负端、指向电负性更大原子。净偶极矩

26、指向多原子分子偶极矩，是各键偶极矩向量和。第79页第79页 5）分子间作用力 (1) 偶极-偶极作用力极性分子间互相作用力。- + + - + + - - + + -一分子偶极正端对另一分子偶极负端互相吸引作用。(2) 色散力瞬时偶极. 大小与分子极化率、分子接触面积相关。例：卤代烷极化率 RI RBr RCl RF第80页第80页(3) 氢键较小原子半径、电负性强、有未共用电子对原子。氢键用虚线表示： XH-Y氢键键能与元素电负性及原子半径相关。元素电负性越大、原子半径越小，形成氢键越强。氢键含有方向性、饱和性。 分子间力大小顺序：氢键 偶极偶极作用力 色散力第81页第81页思考题1. 解释

27、以下物质沸点为何不同？ CH3CH2CH3 、CH3CH2CH2OH和CH3CH2CH2F 分子量靠近，CH3CH2CH3为非极性分子，沸点最低；CH3CH2CH2OH和CH3CH2CH2F两者皆为极性分子，但CH3CH2CH2OH能形成氢键，则分子间作用力不小于CH3CH2CH2F，因此，前者沸点高于后者。第82页第82页5诱导效应（与极性密切相关）1诱导效应涵义和特性 在有机化合物分子中，因为电负性不同取代基影响沿着键链（单链或重链）传递，致使分子中电子云密度，按取代基相对氢电负性所决定方向而偏移效应，叫诱导效应（I）。表示以下： - + + + + - - - 吸电子诱导效应:-I；给电

28、子诱导效应：+I特点：1. 起源于电负性； 2是一个静电作用，在键链中传递只包括到电子云密度分布改变，即主要是键极性改变，且极性改变普通是单一方向； 3传递有一定程度，经过三个碳原子以后，已极微弱（短程）第83页第83页2.影响取代基诱导效应相对强度相关原因：1周期律 同周期中，电负性随元素族数增长，故-I效应自左至右增长。 -I: -CR3 -NR2 -OR -Cl -Br -I -OR -SR2电荷 带正电荷基团比同类型不带电荷基团吸电子能力强得多；而带负电荷基团比同类型不带电荷基团给电子能力强得多。 I效应: -NR3+ -NR2+I效应: -O- OR同类基团电荷改变可改变诱导效应方向

29、或强度。 -COOH为另一-COOH吸电子基；电离后，变成-COO-，对另一羧基而言为给电子基。第84页第84页3饱和程度 与碳原子相连原子，若是同种原子但饱和程度不同，则不饱和程度高吸电子能力强。I效应： -CCR -CR=CR2 -CR2-CR3 =O -OR N =NR -NR2 （电负性：C SP C SP2 C SP3）静态诱导效应：未发生化学反应时分子中电子云密度分布情况改变，基态分子永久极性。动态诱导效应：外来试剂极性关键靠近反应分子时，尤其是试剂 对分子起始攻打而造成过渡态形成时，会引起分子中电子云密度分布状态改变，暂时极化效应。 在化学反应过程中，起主导作用。第85页第85页

30、4烷基诱导效应烷基：吸电子基：（电负性（不小于H）；化学位移（不小于H） 给电子基：（酸碱离解常数；氯代烷偶极矩） 1当烷基连在SP3杂化碳原子上或中性原子上，表现为吸电子基。 脂肪醇在气相中相对酸性顺序：(CH3)3COH (CH3)2CHOH CH3CH2OH CH3OH HOH2当烷基连在杂化碳原子或带正电荷氮或氧原子上，表现为给电子基。 CH3CH=CH2 ; ; CH3CCH 在多数情况下，烷基可看作给电子基。第86页第86页三.共价键断裂和有机反应类型1.均裂 成键一对电子平均分给两个成键原子或基团自由基（游离基）2.异裂成键一对电子完全为成键原子中一个原子或基团所有，形成正、负离

31、子。第87页第87页 有机反应活性中间体:自由基、碳正离子、碳负离子等。周环反应：经过环状过渡态进行反应。它不同于以上两类反应，反应过程中旧键断裂和新键生成同时进行，无活性中间体生成，这类反应称为周环反应。 第88页第88页 3、试剂分类自由基试剂:（均裂生成带单电子原子或原子团称为自由基）亲电试剂：在反应过程中接受电子或共用电子（这些电子原属于另一个反应分子）试剂。亲核试剂：能供应电子，攻打反应物中带部分正电荷碳原子试剂。Nu:+ E Nu:E亲电试剂与亲核试剂是相正确。第89页第89页如何判断亲核试剂和亲电试剂？亲核试剂：有较高电子密度、有未共用电子对、是极性键端、有CC键电子等；亲电试剂：能够取得更多电子、是极性键+端、缺电子体等；第90页第90页4. 酸碱概念1. 勃朗斯德(Brnsted)酸碱质子论 酸是质子予以体，碱是质子接受体第91页第91页 酸碱能够带正电荷或带负电荷或为中心分子, 在一个反应中是 酸，而在另一个反应中能够是碱。平衡主要趋向形成更弱酸和更弱碱。 酸碱强度表示： 酸或碱越强，其pK值越小（离解常数K值越大）。第92页第92页 酸性越强，解离出质子后共轭碱碱性越弱。如何判断化合物酸性强弱？主要取决于化合物离解出H+后负离子稳定性。负离子越稳定则本来化合物酸性越强。第93页第93页负离子稳定性与中