有机化学第一章

有机化学绪论沈征武什么是化学定义和历史变革什么是化学化学是在原子层次上研究物质的组成、结构、性质、及变化规律的自然科学，这也是化学变化的核心基础。化学的特点：化学是重要的基础科学之一，是一门以实验为基础的学科，在与物理学、生物学、地理学、天文学等学科的相互渗透中，得到了迅速的发展，也推动了其他学科和技术的发展。例如，核酸化学的研究成果使今天的生物学从细胞水平提高到分子水平，建立了分子生物学。化学的核心—元素周期表小贴示：点击键盘上下方向键也可进行翻页元素周期表元素周期表是元素周期律用表格表达的具体形式，它反映元素原子的内部结构和它们之间相互联系的规律。元素周期表有7个周期，有16个族和4个区。元素在周期表中的位置能反映该元素的原子结构。周期表中同一横列元素构成一个周期。同周期元素原子的电子层数等于该周期的序数。同一纵行（第Ⅷ族包括3个纵行）的元素称“族”。现代化学的元素周期律是1869年俄国科学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫（DmitriIvanovichMendeleev）首先整理.他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一行，就是元素周期表的雏形。利用周期表，门捷列夫成功的预测当时尚未发现的元素的特性（镓、钪、锗）。化学发展的阶段萌芽时期（1500BC）从远古到公元前1500年，人类学会在熊熊的烈火中由黏土制出陶器、由矿石烧出金属，学会从谷物酿造出酒、给丝麻等织物染上颜色。丹药时期（1500

BC到公元1650年）为求得长生不老的仙丹或象征富贵的黄金，炼丹家和炼金术士们开始了最早的化学实验，但他们在炼制长生不老药的过程中，在探索“点石成金”的方法中实现了物质间用人工方法进行的相互转变，积累了许多物质发生化学变化的条件和现象，为化学的发展积累了丰富的实践经验。炼丹家在实验过程中发明了火药，发现了若干元素，制成了某些合金，还制出和提纯了许多化合物。化学发展的阶段燃素时期（公元1650-1775）

化学借燃素说从炼金术中解放出来。燃素说认为可燃物能够燃烧是因为它含有燃素，燃烧过程是可燃物中燃素放出的过程，尽管这个理论是错误的，但它把大量的化学事实统一在一个概念之下，解释了许多化学现象。通过对燃烧现象的精密实验研究，建立了科学的氧化理论和质量守恒定律，随后又建立了定比定律、倍比定律和化合量定律，为化学进一步科学的发展奠定了基础。发展期（1775年到1900年）1775年前后，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，开创了定量化学时期。19世纪初，道尔顿提出近代原子学说，突出地强调了各种元素的原子的质量为其最基本的特征，其中量的概念的引入，是与古代原子论的一个主要区别。近代原子论使当时的化学知识和理论得到了合理的解释，成为说明化学现象的统一理论。意大利科学家阿伏加德罗提出分子概念。自从用原子-分子论来研究化学，化学才真正被确立为一门科学。俄国化学家门捷列夫发现元素周期律。德国化学家李比希和维勒发展了有机结构理论，这些都使化学成为一门系统的科学，也为现代化学的发展奠定了基础。19世纪下半叶，热力学等物理学理论引入化学之后，不仅澄清了化学平衡和反应速率的概念，而且可以定量地判断化学反应中物质转化的方向和条件。相继建立了溶液理论、电离理论、电化学和化学动力学的理论基础。发现了许多新元素，加上对原子分子学说的实验验证，经典性的化学分析方法也有了自己的体系。草酸和尿素的合成、原子价概念的产生、苯的六环结构和碳价键四面体等学说的创立、酒石酸拆分成旋光异构体，以及分子的不对称性等等的发现，导致有机化学结构理论的建立，使人们对分子本质的认识更加深入，并奠定了有机化学的基础。伏打电池（1800）拉瓦锡研究发酵产生气体的装置（1789）拉瓦锡研究水银氧化的装置（1789）玻义耳真空泵（1660）戴维安全灯（1818）李比锡有机物元素分析装置（1837）现代时期–化学是一门建立在实验基础上的科学现代化学发展的趋势：由宏观向微观、由定性向定量、由稳定态向亚稳定态发展，由经验逐渐上升到理论，再用于指导设计和开拓创新的研究。一方面，为生产和技术部门提供尽可能多的新物质、新材料；另一方面，在与其它自然科学相互渗透的进程中不断产生新学科，并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展。化学包括了七大分支学科。生物化学、有机化学、高分子化学、核化学和生物化学、物理化学、无机化学等七大类共80项。无机化学元素化学、无机合成化学、无机高分子化学、无机固体化学、配位化学（即络合物化学）、同位素化学、生物无机化学、金属有机化学、金属酶化学等。有机化学普通有机化学、有机合成化学、金属和非金属有机化学、物理有机化学、生物有机化学、有机分析化学。物理化学结构化学、热化学、化学热力学、化学动力学、电化学、溶液理论、界面化学、胶体化学、量子化学、催化作用及其理论等。分析化学化学分析、仪器和新技术分析。包括性能测定、监控、各种光谱和光化学分析、各种电化学分析方法、质谱分析法、各种电镜、成像和形貌分析方法，在线分析、活性分析、实时分析等，各种物理化学性能和生理活性的检测方法，萃取、离子交换、色谱、质谱等分离方法。高分子化学天然高分子化学、高分子合成化学、高分子物理化学、高聚物应用、高分子物理。核化学放射性元素化学、放射分析化学、辐射化学、同位素化学、核化学。生物化学一般生物化学、酶化学、微生物化学、植物化学、免疫化学、发酵和生物工程、食品化学、煤化学等。其它与化学有关的边缘学科还有：地球化学、海洋化学、大气化学、环境化学、宇宙化学、星际化学等。化学的分支一、有机化学的研究对象二、化学键理论三、有机分子的结构表示四、酸碱理论五、分子极性和分子间作用力六、官能团和有机化合物的分类有机化学一、有机化学的研究对象什么是有机化学？为什么要学习有机化学？古代人们认为有机化合物就是：植物中蒸馏得到的精油或

树木中用酸得到的生物碱。典型的例子：荷兰薄荷中得到的薄荷醇，茉莉花中的茉莉酮16世纪最著名的生物碱是南美金鸡纳树中的奎宁基督教徒用来治疗发热和疟疾。什么是有机化学----碳化合物的化学起源于从前根据来源将化合物分为无机和有机。无机物是从矿物中得到的化合物x有机物是从生物体中得到的化合物x

一、有机化学的研究对象19世纪初，主要化学品的来源是煤。煤的蒸馏得到煤气（H2和CO）用于加热剩余的煤焦油富含芳香化合物:酚类由Lister用于外科的杀菌剂胺类成为染料工业的基础。

FriedrichWohler在1828年发现由无机物“氰酸铵”可以合成有机物“尿素”，从此生命力学说被动摇。LeadcyanateWaterAmmonia20世纪初，石油代替煤成为主要化学品的来源。简单的碳氢化合物如天然气，丙烷等成为燃料化学家们开始从新的来源如真菌，细菌，珊瑚中寻找新的化合物，因而形成了两类新的化学工业：大化工（BulkChemical)---颜料，染料，塑料，产量以吨计精细化工（FineChemical）---药物，香料等，利润更高。到目前为止，已知的有机化合物约1600万个。各种类型的分子以各种形态存在。

一、有机化学的研究对象

有机化合物的存在形式-色，香，味立方体的片状结晶针状结晶黄色爆炸性气体绿色棱柱体深蓝色液体深蓝色气体，凝固成紫色固体有机化合物的颜色有机化合物的气味

有机化合物的存在形式-色，香，味有机化合物的气味大马酮玫瑰的芳香烟草甲壳虫性信息素

1.5mg/65000beetles日本甲壳虫性信息素有机化合物的滋味0.1ug/tonofwater1.有机化学给我们带来光明当你注视这个页面的时候，你的眼睛正使用一种有机化合物来将光转变成神经刺激，让你知道见到什么。神经刺激视觉CisTransRhodopsinMetarhodopsinⅡhν2.有机化学使世界色彩斑斓红橙黄绿蓝紫3.有机化学和我们的健康

弗莱明因发现青霉素而获得1945年诺贝尔奖，青霉素的发现开辟了一条新的治病途径，拯救了成千上万条命。3.有机化学保护我们的健康青霉素4.有机化合物为生命提供能源——碳水化合物（糖）

葡萄糖直链淀粉的结构5.有机化合物——作为生命遗传物质DNA传宗接代美国人沃森&英国人克里克提出DNA双螺旋结构6.现代文明的基础——有机化学和工业化学相关的公司遍布全球，只是规模不同，产量由公斤级到数千吨不等。*石油化工—Esso,Shell等，每天提炼超过1千万升的原油，主要用于燃料，*乙醇工业–主要由石油中乙烯水合得到，但在巴西主要是甘蔗的废料发酵生产。*塑料和高分子工业：BASF,

Dupond,Amoco,Monsanto,Laporte,Hoechst,ICI

硬塑料—用于家用产品，家具，化纤（2400万吨/年)

弹性高分子—用于车胎；气泡填充高分子—用于包装

全球年产量一亿吨！！*日用化工–Unilever,Procter&Gamble，肥皂，洗涤剂，牙膏，洗发精等日用品。

6.现代文明的基础——有机化学和工业有机化学和工业*胶黏剂，密封剂，喷涂剂工业—Ciba-Geigy,Dow,Monsato,Leporte等，现代的飞机是用环氧树脂胶黏的。而超级胶水号称可以将任何物体粘接起来。*颜料，染料工业–ICI,AkzoNobel用于家纺，彩色塑料，彩纸，墙壁涂料等。ICI在该领域年销售额〉20亿英镑。有机化学和工业*香精香料工业—InternationalFlavoursandFragrances，Givaudan-Roure

*甜味剂工业–Monsanto.每年1万吨有机化学和制药工业从生老病死到衣食住行都离不开有机化学。环境的污染，说明对化学知之甚少，与自然和谐相处，必须学好有机化学。

在重视生命科学的今天，也是有机化学大放光芒的时代。因为分子生物学中的分子就是有机分子，生物化学就是要研究有机化学反应在生命体内如何进行。当今生命科学的重大问题如生命的起源，重大疾病如癌症、艾滋病的治疗、都离不开对有机化合物的研究。

尽管人类运用自己的聪明才智可以合成各种各样的有机化合物，但所用的最基本、最原始的原料主要来自石油和煤——最初还是属于生命体的东西；最经济、最温和、效率最高的有机反应还是生命体内的有机反应。7.什么是有机化学？为什么要学习有机化学？多学科药物发明价值链的贡献不同有机化合物的结构不同有机化合物的结构1.库仑力——从简单的角度理解成键每个原子都由一个原子核和围绕在原子核外的电子组成。原子核包含电中性的中子和带正电荷的质子。周围的电子则带和原子核等量的负电荷，因此原子所带的净电荷为零。二、化学键理论当两个原子接近时，第一个原子的原子核吸引第二个原子的电子。同样第二个原子的原子核也吸引着第一个原子的电子。这种结合方式可以用“库仑定律”来表述：异性电荷间的引力与两电荷距离的平方成反比。Coulomb’sLaw这种引力导致原子间成键释放出能量。该能量称为“键能”。当两原子接近至一定程度，不再释放能量。这时两原子间的距离称为“键长”。离子键：两个带异性电荷的离子通过静电吸引。2.离子键和共价键——八电子规则共价键：两个原子间共用电子对。八电子规则（TheoctetRule）： 在一般情况下，原子互相结合生成键时，其外层电子数应达到8或2。在离子键中，成键原子通过转移电子形成八电子体。在共价键中，成键原子通过共用电子对形成八电子体。例如：离子化合物NaCl的生成，Na失去一个电子给Cl，Na、Cl外层电子数都达到了八，满足八电子规则。当两原子间电子转移所需能量很高而难以形成离子键，则通过共用电子对的方式形成八电子体。例如：H2，HCl，Cl2。大多数有机物分子两成键原子的原子核对电子的 吸引力不同，电子对并不是平等的被两成键原子 共用，因此形成极性共价键。离子键和非极性共价键是化学键的两种极端形式。3.有机分子的路易斯结构：用成对的点或短线表示化学键。路易斯结构的画法规则：写出分子构架计算出可用的价电子数CH44H1C4×1e=4e1×4e=4eTotal8eC2H44H2C4×1e=4e2×4e=8eTotal12eC2H22H2C2×1e=2e2×4e=8eTotal10eCH2O2HC2×1e=2e4e;O6eTotal12e画出所有的共享电子对4.原子轨道量子理论：原子中电子的运动状态叫做原子轨道，用波函数ψ来表示。原子轨道的形状可以用界面划出一个区域来表示，电子在这个区域内出现的几率很大，这是形象的表示原子轨道的另一种方法。

通过量子化学计算，存在四种原子轨道：s、p、d、f。每种轨道都有自己独特的形状。s，p轨道在有机化学中最重要s轨道是球形，原子核位于球心P轨道是哑铃形，原子核位于两瓣中间原子轨道和电子层随着能量的增大，原子轨道组成不同的电子层每个原子轨道最多可容纳两个电子第一电子层包括一个s轨道，拥有两个电子第二电子层包括1个s轨道和3个p轨道，拥有8个电子第三电子层包括1个s轨道、3个p轨道和5个d轨道，拥有18个电子例如：C原子的电子排布如下

所以C原子有4个价电子(2s2sp2)，可以形成4个化学键。碳原子位于周期表的第二周期第Ⅳ族，是第Ⅳ族中最小的原子，外层电子少，带正电的原子核对这些电子的控制较强一些。这两个特点使碳原子在所有化学元素中表现有十分特殊的本质，能够形成一个庞大的碳化合物体系。5.杂化轨道(hybrid

orbital)

原子在化合成分子的过程中，根据原子成键的要求，在周围原子影响下，将原有的原子轨道进一步线性组合成新的原子轨道。这种在一个原子中不同原子轨道的线性组合，称为原子轨道的杂化。杂化后的原子轨道称为杂化轨道。杂化时，轨道的数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改变。

能量相近的原子轨道可进行组合，形成能量相等的杂化轨道。

C的电子构型是(1s)2(2s)2(2p)2，吸收一定能量后，一个2s电子被激发到2p轨道。sp3杂化轨道

1个2s轨道和3个2p轨道进行线性组合，形成相同的4个sp3杂化轨道，指向正四面体的四个顶角与4个氢原子键合成CH4分子，H-C-H键角为109.5°。sp3sp3sp3sp3sp2杂化轨道

C原子的1个2s轨道和2个2p轨道进行线性组合，得到3个等同的sp2杂化轨道，它们的对称轴在同一平面内，彼此间夹角为120o。sp2sp2sp2psp杂化轨道

C原子的1个2s轨道和1个2p轨道进行线性组合，得到2个等同的sp杂化轨道，它们的对称轴之间的夹角为180o。spsppp6.分子轨道两原子轨道相互重叠，形成分子轨道。组成分子轨道的原子轨道，能量应大致相近，并能最大限度地重叠，这样组成的分子轨道能量最低。CHEMTV原子轨道的重叠，形成σ键和π键1s和1s、1s和2p、2p和2p、3p和3p沿轴向“头对头”重叠，形成σ键2p和2p垂直于轴“肩并肩”重叠，形成π键在乙烷中，2个sp3杂化轨道组成C-C键，其它sp3轨道与H原子形成σ键。乙烷中的每个H原子都能够被CH3或其它功能基替换，形成新的化合物。在乙烯(CH2CH2)分子中，两个碳原子以sp2杂化轨道相互重叠形成C-Cσ键，并以sp2杂化轨道分别与4个氢原子键合，生成的C-C和C-H键在同一平面内，彼此间的夹角为120o，未参与杂化的p轨道以肩并肩的方式重叠形成π键。在乙炔(CHCH)中，2个碳原子以sp杂化轨道互相重叠，形成C-Cσ键，并用另外的sp杂化轨道与氢原子键合，生成的C-C和C-H键在同一直线上，未参与杂化的2个p轨道以肩并肩的方式重叠形成π键。三、有机化合物分子的表示方法要点1：真实性*以Zig-Zag的形式表示碳链要点2：经济性去掉与C相连接的H，除非有特别的理由。去掉大写的C以代表碳原子。除非有特别的理由。三、有机化合物分子的表示方法末端代表C原子因为只显示一个键，因此该C原子一定连接三个氢原子这些C原子上一定连接一个氢，因为每个C上显示有三个键。这些C原子上一定连接两个氢，因为每个C上显示有两个键。每一个弯曲点代表一个C原子这个H原子必须要显示，因为该H不是连接在C上。该C原子上显示4个键。因此C上面没有H三要点，两例外：真实性，经济性以及清晰性1：以Zig-Zag模式画结构。2：去除C上的H，有特别理由的除外。3：去掉大写的C，以弯曲点代表C原子，

有特别理由的除外。第一个例外是表示三维结构时第二个例外是特殊场合，如表示反应时碳氢化合物的骨架1。链状化合物碳链的命名和缩写碳原子的数目基团的命名分子式缩写烷烃的命名甲烷乙烷丙烷葵烷壬烷庚烷己烷戊烷丁烷辛烷四、酸碱理论 用于有机化学中的酸碱理论有Brønsted酸碱理论和Lewis酸碱理论1.Brønsted酸碱理论

酸是质子的给予体，碱是质子的接受体：JohannNicolausBrönsted

1879-1947酸共轭碱碱共轭酸酸碱强度的计量

酸的强度，可以在很多溶剂中测定，但最常用的是在水溶液中，通过酸的离解常数Ka来测定的。酸性强度可用pKa表示，pKa=-lgKa。Ka>1，则pKa<0，为强酸；若Ka<10-4，pKa>4，为弱酸。溶液的酸性用pH表示。（pH=-lg[H+]）酸释放出质子后产生的酸根，即为该酸的共轭碱；碱与质子结合后形成的质子化合物，即为该碱的共轭酸，如：碱的强度可以类似地由碱的离解常数Kb来测定。碱的强度可用pKb=-lgKb表示。b有机酸碱反应：有机反应常常是酸碱反应，质子从Brønsted酸转移到Brønsted碱的过程非常迅速，而且常常伴随其它反应。b有机酸:从O-H键上失去质子的化合物，如甲醇，乙酸;从靠近C=O双键的C-H键上失去质子的化合物。有机碱：含有孤对电子可以和H+成键的化合物含氮的胺类化合物，是最普通的有机碱含氧化合物可作为碱和强酸反应，也可作为酸和强碱反应有机碱:2.Lewis酸碱理论Lewis酸：电子对的接受体，Lewis碱：电子对的给予体GilbertNewtonLewis

1875-1946一些Lewis酸一些Lewis碱Lewis酸碱反应第三节分子的极性和分子间作用力一、分子的极性分子中电荷分布不均匀，正、负电荷中心不能重合分子的极性用电偶极矩μ表示，单位C•m（库仑•米）或debye（德拜，D）。1D=3.336×10-30C•mμ=q×d双原子分子——分子的极性即键的极性多原子分子——分子的极性为各键极性的向量和μ=0(非极性分子)μ=1.87(极性分子)分子的极性越大，分子间相互作用力就越大，因此，化合物分子的极性大小直接影响其沸点、熔点、溶解度等物理性质和化学性质。分子的极化

polarization——外电场作用下键的极性发生变化的现象。极化的难易程度称为极化度。其大小取决于成键电子云流动性的大小。动态现象，当外电场消除，即恢复原来的极性。二、分子间的作用力有机化合物分子间的作用力主要是：偶极-偶极作用力

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