有机化学第一章课件

有机化学佘志刚中山大学化学与化学工程学院有机化学研究所有机化学定义：研究有机化合物来源、制备、结构、性能、应用以及有关理论、变化规律和方法学科学。有机化学是化学专业的专业课；是药学、医学、生物学相关专业的专业基础课；是环境、预防医学等专业的公共基础课。有机化学（90学时）教材有机化学，古练权，汪波，吴云东等编新教材：

在多年教学实践基础上,编写出了新教材。经过5年的使用和修改，已经成为正式教材。教学内容体系本课程将采用全新的教学内容体系。《有机化学》内容和结构《有机化学》包括四个部分第一部分：有机化合物的结构和性质第二部分：有机化学反应第三部分：生物有机化合物第四部分：专题讨论

第一和第二部分是基础；第三和第四部分是有机化学的深化、发展和应用。教学参考书

邢其毅等编，基础有机化学（第二版），高教出版社，1998有机化学，胡宏纹，高等教育出版社，1990有机化学，RT莫里森，科学出版社。1992GrahamSolomons,OrganicChemistry,seventhedition,JohnWiley&Sons,Inc.JohnMcMurry,OrganicChemistry,6thEd.,2004,Brooks/Cole

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有机化学网络课程－立体化教材体系

有机化学学习方法初步方法1.课前预习，课后复习，学会听课，及时发问，提高学习效率。2.必要的记忆：如命名原则、某些重要的反应等。通过必要的记忆，可以熟悉反应，发现规律，活跃思维，提高兴趣。3.及时总结，把握主线——结构与性能的关系。4.多做练习，发现问题与同学和老师讨论。5.重视实验，巩固知识，发现问题。

关键：兴趣考试及成绩评定平时分数（课堂测验、小结10%）。期中考试（35%）。期末考试（55%）。联系方式:佘志刚：（用于辅导）Phone:Email:

第一章有机化合物分子的结构基础第一章重点讲解问题一.有机化合物和有机化学(发展及定义)二.有机化合物的特性三.价键理论四.杂化轨道理论与有机化合物结构特点五，分子轨道理论六.有机化合物的基本骨架和官能团七.有机化合物的结构与性质的关系

(1)共价键(2)非共价作用(3)结构异构一.有机化学和有机化学

什么是有机化合物？什么是有机化学？1.有机化合物（1）最初的有机物是从植物内取得的，如：糖酒，染料，醋，含义有“有生机之物”。我国很早利用有机物：《周礼》记载有“染人”，管理染色，制酒工业，周王时代已经使用胶，汉代造纸。

汉末的“神农本草经”记载了365种药物，其中大部分为植物，是世界上最早的一部药典。此时所使用的有机化合物是“混合物”。（2）有机化合物的纯化在长期实践中，人们掌握了有机化合物的纯化方法。1773年，由尿液中－－－尿素1769年，由葡萄汁内－－酒石酸柠檬汁内－－－柠檬酸尿－－－尿酸酸牛奶－－－乳酸等1805年鸦片－－－吗啡（3）有机物组成分析

有了纯的有机化学，人们要问，有机化合物有什么组成的？我们知道有机化合物是可以燃烧的，但当时燃烧是有什么引起的，还不清楚，当时认为空气是纯净物。为了解释燃烧过程，科学家提出“燃素学说”。正是这种理论阻碍了有机物分析方法的发展。直到Lavoisier首次阐明物质的燃烧的本质－物质与空气中的氧反应的结构，推翻了“燃素学说”，建立了有机化学的分析方法。从而证明有机化合物主要是由碳和氢组成的。（4）人工合成有机化合物

1806年J.Berzelius首先使用“有机化学”名词，他认为有机物在动植物体内细胞中受特殊力量的作用而产生的，这种力量叫“生活力”。因此人工合成是不可能的。

1828年．F.Wohler从无机氰酸铵NH4CNO转化为尿素CO(NH2)2（有机物）告诉Berzelius，他说“我合成尿素不需要人或动物的肝或肾”。但当时一些权威的科学家认为Wohler的合成不是全合成。认为尿素是动物排泄物，易分解为CO2和NH3，是有机物和矿物之间的联系环节。Organic

——derivedfromlivingorganismVitalforcetheory——Organiccompoundsneedsa“vitalforce”tocreatethem1828，FriedrichWohler

1845年，柯尔柏合成了醋酸（CH3COOH）之后，不断有有机物被人工合成，如石蜡烃、醇、脂肪酸、甘油、苹果酸、甲醛糖、毒芹碱和尿酸等特别是在1854年，贝特罗合成了脂肪这一发现引起巨大轰动，因为脂肪是细胞组织内的物质，它的人工合成意味着

“生命力论”被彻底推翻。后来更多的有机化合物被合成出来：有机化合物定义从来源定义：人工合成有机物扩大有机物的范围，至此把从动植分离出的有机物和人工合成的物质都叫有机物。从组成定义：自从Laooisier等创造了有机化学合物分析方法后，对其组成就有新的认识，通过分析发现，绝大多数有机物含有碳和氢，少数还含有氮、氧、硫、卤素等。因此1848年L.Gmelim把有机化学叫“碳的化学”，有机物“含碳的化合物”，但这不科学。我们今天把有机物看作是碳氢化合物（烃）及其衍生物。

2.有机化学人们使用有机物历史源远流长，但有有机化学作为一门科学是近代的事。①十九世纪初至五十年代，有机化学才形成独立学科。当时，人们可以合成有机化合物，对有机物的来源，组成，合成及性质方面有初步了解。“有机化合物结构是怎样的？”②碳原子的四价学说：—建新有机物结构理论1857年Keküle和Couper收集丰富的资料，研究许多碳化合物，两人独立地提出两个原则：碳是四价的：碳在有机物中保持四价，无论多复杂的分子，碳原子和其它原子保持一定比例。CH3CHCl2等。碳原子可以互相成键:

因此可以组成长链和复杂的化合物。他们的观点建立了有机结构（平面结构）理论基础。

③有机分子的立体结构的建立1874年由VantHoff和LeBel分别提出碳的四面体构型的学说（不是平面结构），建立了有机化学立体结构概念。奠定了立体有机化学基础。碳原子的四价理论和有机分子面四面体结构的建立，使有机化学成为完整的独立的学科。“可见人们对有机化合物和有机化学认识经过了漫长历史阶段，冲破了重重障碍和阻力，才得以形成现代的系统、科学的有机化学。”④现代有机化学的发展上世纪初，有物理学等一系列新发现的推动下，建立价键理论。上世纪三十年代量子化学引入，使有机化学有了理论指导，有理论基础。阐明了化学键的微观本质。上世纪六十年代起，现代物理方法的应用（X一光线，四大光谱，计算机），使有机物结构测定就很方便，有机化学面貌焕然一新。而今有机化学已经发展为许多分支，天然有机化学，高等有机化（理论有机），有机合成化学，有机分析化学等，和其它学科形成多种边缘科学：金属有机化学，生物有机化学，量子有机化学等。我国是最早的文明古国，古代对天然有机物的利用（中草药），有卓越的成就，为人类作了贡献。1965年我国首次成功的用化学方法合成了具有生物活性的蛋白质——牛胰岛素的全合成，现在可以合成多种复杂的具有生理活性的天然物质。

有机化学是一门迅速发展的学科

1901~2002年，诺贝尔化学奖共94项，其中有机化学方面的化学奖57项，占化学奖61%2008年诺贝尔化学奖瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会今天宣布,美籍华裔科学家钱永健和美国科学家马丁·沙尔菲、日本科学家下村修获得2008年度诺贝尔化学奖,因为他们发现和研究了绿色荧光蛋白。钱永健：对研究绿色荧光蛋白发光机理,发明了多色荧光蛋白标记技术,可用各种颜色来标识不同的蛋白和细胞,为细胞生物学和神经生物学发展带来一场突破。

下村修：首位从水母中分离出绿色荧光蛋白的科学家。

马丁·沙尔菲：他的成就在于将绿色荧光蛋白表达到其他生物体,绿色荧光蛋白能够作为各种生物现象的亮光基因标签,他的贡献巨大。有机化学的定义ModernDefinitionofOrganicChemistry——OrganicChemistryistheChemistryofCarbonCompounds

（Hydrocarbonsandderivates)有机化学

研究有机化合物来源、制备、结构、性能、应用以及有关理论、变化规律和方法学科学。自然界中碳的循环

二.有机物的特性1.分子组成复杂：如：B12C63H90N14O14PCo2.对热不稳定、可燃烧，可用以区别有机物和无机物；除少数有机物外，绝大部分有机物可燃性：如酒精、糖、汽油、棉花、木材。有的有机物加热到一定温度易分解。

3.

在水中溶解度一般较小，易溶于有机溶剂。“相似相溶原理”；有机物多数极性小，按相似相容原理，只溶于极性小的溶剂中，如乙醇、苯、乙醚中，难溶于极性强，介电常数大的水，当然少数一些极性较大的有机物，如乙醇、乙酸等也与水混溶。

4.溶点低——400℃以下。有机物在室温下常为气体、液体或低熔点的固体。有机物分子是共价键组成的，分间作用较小，熔点低，熔点也是有机化合物的重要物理常数一，鉴别和判断有机化合物的纯度。5.反应速度慢有机反应很慢，有些反应几小时，几天甚至几十天才能完成。像煤、石油经过几亿万年才形成的。原因：有机反应是分子间的反应，需要分子间的有效撞头，只有那些能量较高分子才能发生有效碰撞，因此有机反应常需要加热，光照以增加能量，增加催化剂降低活化能，搅拌增加分子的碰撞机会。6.反应复杂——副反应多，产率低。有机分子组成复杂，反应常常在多个部位发生，产生不同的产物，以致主产物的产率较低。因此有机合成常需要选择最佳的反应条件；反应后产物中混合杂质较多，需要进行分离提纯。7、同分异物质的现象普遍无机物有几万种，而由碳组成的有机物大约几百万种，这是由同分异物现象造成的。例C14H30，十四烷就有1858个异构体。Question:——Whatmakescarbonsospecial?——Whyaretheresomanycarbon-containingcompounds?

Answer：

物质性质是由结构决定的!

三，价键理论ValenceBondTheory

共价键的形成看成是原子轨道的重叠或电子配对的结果。两个原子的未成对电子，若自旋相反，就能配对。

共价键具有方向性共价键具有饱和性最大重叠原理

共价键的饱和性和方向性决定了共价键分子的基本组成：H2,Cl2，H2O,HCl等。Question：为什么碳原子核外只有两个未成对的单电子，但是能形成四个化学键？如：CH4,C2H6，不是平面结构，而且是四面体结构，键角在109.5o左右？

这是价键理论无法解释的。于是科学家提出了杂化轨道理论。四、杂化轨道理论HybridizationC1s22s22p2——2s22px12py12pz0

N1s22s22p3——2s22px12py12pz1O1s22s22p4——2s22px22py12pz1

如果C、N、O与氢成键使用原子轨道p轨道，则H-C-H、H-NH2和H-O-H的键角应该是900事实上，分子的键角并不等于原子轨道间的夹角因此提出了杂化轨道理论，认为C、N、O在与氢原子成键时使用的是s

与p

轨道的杂化轨道C1s22s22p2

2s22px12py12pz02s12px12py12pz1

1s+1px+

1py+

1pz

4

sp3eachorbitalhasoneelectron1.

sp3Hybridizationpromotionhybridization杂化轨道：能量相近的原子轨道经能量均化的过程（重新组合）所形成的能量相等的轨道。1.

sp3HybridizationToformaTetrahedronCarbonBondinginMethane1.sp3HybridizationConfigurationisomers

——enantiomersachiralcarbon——acarbonlinkedwithfourdifferentkindsofatoms1.

sp3HybridizationBondinginEthaneC—C键：

s

键（sp3-sp3）C—H键：

s

键（1s-sp3）Conformationisomer

——ethaneC1s22s22p22s22px12py12pz02s12px12py12pz1

1s+1px+1py+1pz

3

sp2+1

pzeachorbitalhasoneelectronpromotionhybridization2.

sp2Hybridization2.sp2HybridizationToformaplanercarbonBondinginEtheneC=C键：1s

键（sp2–sp2）

+1p

键（p–p）C—H键：

s

键（1s–sp2）2.

sp2Hybridizationanotherkindofstereo-isomer——

GeometricIsomerization--cis,transC1s22s22p2

2s22px12py12pz0

2s12px12py12pz1

1s+1px+1py+1pz

2sp+1

py+

1pzeachorbitalhasoneelectron

promotionhybridization3.

spHybridization3.

spHybridizationToformalinearcarbonBondinginEthyneC≡C键：

1s

键（sp2–sp2）

+2p

键（p–p）C—H键：

s

键（1s–sp）3.

spHybridizationOpticalActivityinAllenes4.有机分子lewis电子结构式和凯库勒(kekulé)结构式

原子的电子配对成键，形成稳定的电子构型。这种用电子对表示共价键结构的化学式称为lewis结构式。

表示出未共用电子对的

lewis电子结构式和kekulé结构式凯库勒(kekulé)结构式是用键线表示化学键5.有机化合物异构现象Isomerism5.有机化合物异构现象Isomerism

Isomers

ConstitutionalisomersStereoisomersConfigurationalisomersConformationalisomersOpticalisomersGeometricisomersEnantiomersDiastereomers具有相同分子式，而分子中原子或基团连接的顺序不同的，称为构造异体。在分子中原子的结合顺序相同，而原子或原子团在空间的相对位置不同的，称为立体异构。构造异构又分为（碳）链异构、位置异构和官能团异构。立体异构又分为构象和构型异构，而构型异构还分为顺反异构和旋光异构（对映异和非对映异构体）。

6.共价键的属性1)键长

成键两原子核之间的距离。单位：nmorpm,同类型化学键的键长估计化学建的稳定性。2)键角两个共价键之间的夹角。反映一个分子的立体结构3)键能

形成共价键过程中体系释放的能量或共价键裂解成原子时体系吸收的能量。

C-H键键能=415kJ/mol

键能反映共价键的强度，键能愈大则键愈稳定。4)键的极性：键的极性是由于成键原子的电负性不同而引起的非极性共价键极性共价键

H-HCl-ClH-Clδ+δ-

δ+

部分正电荷δ-部分负电荷偶极矩()有方向性箭头由正端指向负端、指向电负性更大的原子。净偶极矩指向多原子分子的偶极矩,是各键偶极矩的向量和。(分子的形状)=e·d

单位：DThevectorsumofthemagnitudeandthedirectionoftheindividualbonddipoledeterminestheoveralldipolemomentofamolecule

MolecularDipole5）键的极化度在外电场作用下，共价键的极性发生变化称做键的极化性。键的极化性用极化度来度量，它表示成键电子被成键原子核电荷约束的相对程度。极化度与成键原子的体积、电负性、键的种类以及外电场的强度有关。例如：

小结共价键的键能和键长反映了键的强度，即分子的热稳定性；键角反映了分子的空间形象；键的偶极矩和键的极化性反映了分子的化学反应活性和它们的物理性质。

五、MolecularOrbitals

Molecularorbitalsbelongtothewholemolecule

sbond:formedbyoverlappingoftwosorbitalsBondstrength/bonddissociation:energyrequiredtobreakabondorenergyreleasedtoformabondIn-phaseoverlapformsabondingMO;out-of-phaseoverlapformsanantibondingMOSigmabond(s)isformedbyend-onoverlapoftwoporbitalsAsbondisstrongerthanapbondPibond(p)isformedbysidewaysoverlapoftwoparallelporbitals六、有机分子的基本骨架和官能团基本骨架

——

由碳-碳键和碳-氢键构成六、有机分子的基本骨架和官能团有机分子的官能团官能团：有机分子中具有一定性质的部分原子的集合。含官能团的有机化合物：可看作是碳氢化合物中氢被各种不同官能团取代后的产物，即烃的衍生物。有机化合物按官能团分为：烯烃、炔烃、卤代烃、醇/酚、醚、醛/酮、羧酸及其衍生物、胺、腈、硝基化合物、磺酸等。（1）FunctionalGroupsContainingHalogen卤代烃AlkylHalides

ð+R-Xð-R++X-StructuralFeatures:X:ns2np5halogen-----electronegativityisbiggerthancarbonPolarCovalentBond（2）FunctionalGroupsContainingOxygen

醚（Ethers）

R-O-R

醇（Alcohols）

R-OH

酚（Phenols）

Ar-OH

醛（Aldehydes）R(H)C=O

酮（Ketones）

R2

C=O

羧酸及其衍生物（CarboxylicAcidsandtheirDerivatives）

RCOOH,RCOOR’,RCONR’2,RCOX（2）FunctionalGroupsContainingOxygenThestructureFeatures:O:(1s2)2s22p4

sp3,sp2hybridization

C-Osingle,doublebond4orbitals,but6electronsinanatomsthereistwolonepairsofelectrons（2）FunctionalGroupsContainingOxygenThestructureFeatures:

PolarCovalentBondHydrogen-Bond(3)FunctionalGroupsContainingNitrogen

胺（Amines）:RNH2R2NHR3N

季铵盐（R4N+X-）

亚胺（Imines）:-C=NH,-C=NR;

腈（Nitrile）:RCN(-CN,cyanogroup)(3)FunctionalGroupsContainingNitrogenThestructureFeatures:N:(1s2)2s22p3

sp3,

sp2,

sphybridization

C-Nsingle，

double,triplebond4orbitals,but5electronsinanatomsthereisalonepairofelectrons(3)FunctionalGroupsContainingNitrogenThestructureFeatures:PolarCovalentBondHydrogen-Bond七、有机化合物的结构与性质的关系

均裂

自由基反应（A：BA•+B•）亲电加成

亲电反应有机反应亲电取代(旧键的断裂离子型反应

消去反应和新键形成）（A：BA++B-

）亲核加成异裂

亲核反应亲核取代协同反应——1.共价键的结构与性质关系（1）C-H键键能较高，其断裂一般是通过游离基反应（A：BA•+B•）（1）共价键的结构与性质关系(2)极性共价键，如C-X，C-OTs等，取代反应更多是通过亲核方式进行1.共价键的结构与性质关系(3)不饱和键可以发生加成反应，并且因为键的特性不同反应的历程不同——1.共价键的结构与性质关系(4)诱导效应与消去反应诱导效应（inductiveeffect）—

某一原子或基团的电负性或极性使得电子沿着σ键传递，导致共享电子对发生偏移的作用。消去反应——1.共价键的结构与性质关系(5)氧化还原反应氧化反应——加氧或脱氢反应还原反应——加氢和脱氧的反应——1.共价键的结构与性质关系常见官能团中碳的氧化态——1.共价键的结构与性质关系

01234e.g.1.Hydrocarbons

Alkanes,Alkenes,AlkynesandAromaticCH3CH3,CH2=CH2,CHCH,SubstituteReaction,AdditionReaction,C6H6--Addition,difficult;Substitution,easy——1.共价键的结构与性质关系e.g.2UnsaturatedCompounds

C=O,C=Cadditionreactiondifferentmechanism——1.共价键的结构与性质关系e.g.3Acidity

RH,ROH,RCOOH

acidityincreasefromlefttoright——1.共价键的结构与性质关系e.g.4LewisBaseCompoundscontainingOorN,comparingwithC,havelonepairofelectron,sotheyoftenworkasLewisbase.——1.共价键的结构与性质关系——2.非共价作用与性质的关系非共价力包括：

氢键HydrogenBond

偶极-偶极作用力范德华作用力（吸引力和斥力）等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、反应速率和反应方向非共价力及其强度InteractionsStrengthIon-IoninteractioncomparabletocovalentbondingIon-dipole50~200kJ/molDipole-dipole5~50kJ/molHydrogenbonding4~120kJ/molCation-πinteractions5~80kJ/molπ-πstacking0~50kJ/molvanderWaalsforces<5kJ/mol,variableHydrophobiceffects(1)氢键的饱和性和方向性饱和性

当A－H中的氢原子与一个B原子结合形成氢键后，另一个电负性大的原子B’则难以接近氢原子了，因为B、A的负电荷将排斥原子B’靠近，因此一个氢原子只能与一个杂原子形成氢键。

——2.非共价作用与性质的关系方向性

1.只有当A-H…B在同一直线上时最强；

2.氢键的方向和未共用电子对的对称轴一致，这样可使原子B中负