(2024年)北京大学有机化学课件9

北京大学有机化学课件912024/3/26有机化学基本概念与原理烃类化合物卤代烃及醇酚醚类化合物醛酮醌类化合物羧酸及其衍生物含氮化合物contents目录22024/3/2601有机化学基本概念与原理32024/3/26研究有机化合物结构、性质、合成与反应机理的科学。有机化学定义从早期的生命力论到现代有机化学的建立，经历了漫长而曲折的过程。发展历程有机化学定义及发展历程42024/3/26原子核与核外电子构成，电子排布遵循洪特规则、泡利原理和能量最低原理。原子结构分子结构分子性质原子间通过化学键连接而成，分子形状和大小由键长和键角决定。包括物理性质和化学性质，如熔点、沸点、溶解度、酸碱性等。030201原子、分子结构与性质52024/3/26共价键离子键金属键配位键化学键类型及其特点原子间通过共用电子对形成的化学键，具有方向性和饱和性。金属原子间通过自由电子形成的化学键，具有导电性和延展性。正负离子间通过静电作用形成的化学键，无方向性和饱和性。一方提供孤对电子，另一方提供空轨道形成的化学键，具有特殊的空间构型和反应活性。62024/3/26

立体化学基础手性分子不能与其镜像重合的分子，具有旋光性和对映异构现象。构型与构象构型指分子中原子或基团在空间的相对位置关系；构象指由于单键旋转而产生的不同空间排列方式。顺反异构与对映异构顺反异构指双键两端连接的基团在空间排列方式不同；对映异构指手性分子与其镜像不能重合的现象。72024/3/2602烃类化合物82024/3/26物理性质随分子量的增加，烷烃的熔沸点逐渐升高，密度逐渐增大。结构特点碳原子间以单键相连，其余价键被氢原子饱和。化学性质烷烃分子中的碳氢键较为稳定，不易发生化学反应。但在特定条件下，如高温、高压、催化剂存在下，可发生裂解、卤代等反应。烷烃结构与性质92024/3/2603化学性质烯烃分子中的碳碳双键较为活泼，可发生加成、氧化、聚合等反应。01结构特点含有碳碳双键，其余价键被氢原子饱和。02物理性质烯烃的物理性质与烷烃相似，但双键的存在使得烯烃的熔沸点略低于同碳数的烷烃。烯烃结构与性质102024/3/26含有碳碳三键，其余价键被氢原子饱和。结构特点炔烃的物理性质与烷烃和烯烃相似，但三键的存在使得炔烃的熔沸点略低于同碳数的烷烃和烯烃。物理性质炔烃分子中的碳碳三键非常活泼，可发生加成、氧化、聚合等反应。此外，炔烃还可与卤素、氢卤酸等发生加成反应。化学性质炔烃结构与性质112024/3/26结构特点01含有苯环或其他芳香环系的烃类化合物。物理性质02芳香烃的物理性质与烷烃、烯烃和炔烃有所不同，其熔沸点较高，密度较大。化学性质03芳香烃分子中的苯环较为稳定，不易发生加成反应。但在特定条件下，如催化剂存在下，可发生取代反应。此外，芳香烃还可发生氧化、还原等反应。芳香烃结构与性质122024/3/2603卤代烃及醇酚醚类化合物132024/3/26命名卤代烃的命名遵循系统命名法，以烃基为母体，卤素作为取代基进行命名。结构卤代烃分子中，卤素原子与烃基通过共价键连接，形成单键。物理性质卤代烃多为无色或浅色液体，部分具有刺激性气味。它们不溶于水，但易溶于有机溶剂。随着分子中碳原子数的增加，卤代烃的沸点逐渐升高，密度逐渐增大。卤代烃命名、结构及物理性质142024/3/26醇酚醚命名、结构及物理性质醇、酚、醚多为无色或浅色液体，具有不同的气味。它们可溶于水，也易溶于有机溶剂。随着分子量的增加，它们的沸点逐渐升高，密度逐渐增大。物理性质醇、酚、醚的命名遵循系统命名法，以醇、酚、醚为母体，其他取代基作为前缀或后缀进行命名。命名醇分子中羟基与烃基相连；酚分子中羟基与芳环直接相连；醚分子中氧原子连接两个烃基。结构152024/3/26卤代烃的反应主要包括亲核取代反应、消除反应和还原反应等。其中，亲核取代反应是卤代烃最为常见的反应类型，其机理涉及亲核试剂对卤素原子的进攻和离去基团的离去。反应机理卤代烃的合成方法主要有加成法、取代法和还原法等。加成法是通过烯烃与卤素或卤化氢的加成反应制备卤代烃；取代法是通过烃类与卤素在光照或加热条件下的取代反应制备卤代烃；还原法是通过醛、酮等羰基化合物的还原反应制备卤代烃。合成方法卤代烃反应机理及合成方法162024/3/26VS醇、酚、醚的反应主要包括氧化反应、酯化反应和醚化反应等。其中，氧化反应是醇和酚最为常见的反应类型，其机理涉及氧化剂对羟基的氧化和离去基团的离去；酯化反应是醇和羧酸在酸性条件下的酯化反应；醚化反应是醇与醇或酚在碱性条件下的脱水缩合反应。合成方法醇、酚、醚的合成方法主要有还原法、酯化法和缩合法等。还原法是通过醛、酮等羰基化合物的还原反应制备醇；酯化法是通过羧酸与醇在酸性条件下的酯化反应制备酯类化合物；缩合法是通过两个羟基化合物在碱性条件下的脱水缩合反应制备醚类化合物。反应机理醇酚醚反应机理及合成方法172024/3/2604醛酮醌类化合物182024/3/26醛酮醌的命名根据IUPAC命名法，醛和酮的命名主要基于其羰基碳原子所连接的烃基，而醌的命名则涉及到羰基的位置和数量。醛和酮都含有羰基(C=O)，但醛的羰基碳连接一个氢原子，而酮的羰基碳连接两个烃基。醌类含有两个羰基，它们可以位于同一环上或不同环上。醛和酮通常是液体或固体，具有特殊的香味。它们多数不溶于水，但可溶于有机溶剂。醌类化合物多为固体，颜色从黄色到红色不等，具有共轭体系的醌类往往有颜色。结构特点物理性质醛酮醌命名、结构及物理性质192024/3/26加成反应醛和酮的羰基可以进行加成反应，如与醇反应生成半缩醛或半缩酮，与亚硫酸氢钠反应生成加成产物。氧化和还原醛可以被氧化为羧酸，酮在某些条件下也可被氧化。相反，醛和酮也可以通过还原反应生成相应的醇。缩合反应如Aldol缩合和Claisen-Schmidt缩合，是合成复杂醛酮化合物的重要方法。醛酮反应机理及合成方法202024/3/26123醌类化合物可以发生1,2-加成或1,4-加成反应，生成相应的醇或二醇衍生物。加成反应醌类可以被还原为相应的酚类或二醇类化合物。还原反应某些共轭醌类可以作为Diels-Alder反应的亲双烯体，与烯烃反应生成环加成产物。Diels-Alder反应醌类化合物反应机理及合成方法212024/3/2605羧酸及其衍生物222024/3/26选取含有羧基的最长碳链为主链，从羧基碳开始编号。羧基位于1号碳上，用“羧酸”命名，并用阿拉伯数字标明碳原子数。命名羧酸分子中的羧基（-COOH）与烃基相连，形成一类有机化合物。根据烃基的不同，羧酸可分为脂肪族羧酸和芳香族羧酸。结构低级脂肪酸具有刺激性气味，高级脂肪酸无味。大多数羧酸为无色液体或固体，低级脂肪酸易溶于水，高级脂肪酸难溶于水。物理性质羧酸命名、结构及物理性质232024/3/26反应机理羧酸的化学性质主要由羧基决定。羧基中的羟基氧原子和羰基碳原子之间的电负性差异使得羧酸具有亲核加成、亲电取代和氧化还原等反应活性。合成方法羧酸可以通过多种方法合成，如醛的氧化、醇的氧化、烯烃的水合等。其中，烯烃的水合是制备羧酸的重要方法，涉及烯烃与水的加成反应和后续的重排过程。羧酸反应机理及合成方法242024/3/26命名羧酸衍生物包括酰卤、酸酐、酯和酰胺等。它们的命名以相应的烃基为基础，加上相应的官能团名称。例如，酰卤的命名是在烃基后加上“-酰卤”，酯的命名是在醇部分后加上“-酯”等。结构羧酸衍生物的结构中，羧基中的羟基被其他基团取代，形成不同的衍生物。这些衍生物在结构上具有多样性，但都具有共同的官能团——羰基。物理性质羧酸衍生物的物理性质因具体种类而异。一般来说，它们多为无色或浅色液体或固体，具有不同的熔点和沸点。一些衍生物具有特殊的气味或味道。羧酸衍生物命名、结构及物理性质252024/3/26反应机理羧酸衍生物的反应活性较高，可以发生多种类型的反应，如亲核取代、亲电取代、还原和氧化等。这些反应通常涉及羰基的加成或消除以及官能团的转化。合成方法羧酸衍生物可以通过多种方法合成。例如，酰卤可以通过羧酸与卤化试剂的反应制备；酸酐可以通过羧酸与脱水剂的反应制备；酯可以通过羧酸与醇的反应制备；酰胺可以通过羧酸与胺的反应制备等。这些合成方法在实际应用中具有广泛的应用价值。羧酸衍生物反应机理及合成方法262024/3/2606含氮化合物272024/3/26胺类化合物命名、结构及物理性质胺类化合物的命名通常包括氨基的位置和数目，以及取代基的名称和位置。例如，乙胺（ethylamine）、二乙胺（diethylamine）等。结构胺类化合物的结构通式为R-NH2，其中R为烷基或芳基。伯胺、仲胺和叔胺的结构差异在于氨基所连的碳原子上氢原子被取代的数目。物理性质低级胺具有刺激性气味，易溶于水，高级胺则难溶于水。胺的沸点比相对分子质量相近的烃高，但比醇或羧酸低。命名282024/3/26命名重氮化合物和偶氮化合物的命名通常包括重氮基或偶氮基的位置和数目，以及取代基的名称和位置。例如，重氮甲烷（diazomethane）、偶氮苯（azobenzene）等。结构重氮化合物的结构通式为R-N=N-R'，其中R和R'为烷基或芳基。偶氮化合物的结构通式为R-N=N-R"，其中R和R"为相同的烷基或芳基。物理性质重氮化合物和偶氮化合物通常具有颜色，并难溶于水。它们具有较高的化学稳定性，但可被还原剂还原成相应的胺。重氮和偶氮化合物命名、结构及物理性质292024/3/26含氮杂环化合物命名、结构及物理性质结构含氮杂环化合物的结构特点是在环中含有一个或多个氮原子。常见的含氮杂环化合物有吡啶、嘧啶、吡咯、咪唑等。命名含氮杂环化合物的命名通常包括杂环的类型、大小和取代基的名称和位置。例如，吡啶（pyridine）、嘧啶（pyrimidine）、吡咯（pyrrole）等。物理性质含氮杂环化合物通常具有芳香性，并难溶于水。它们的化学性质较为稳定，但可被氧化剂氧化成相应的羧酸或酮。302024/3/26含氮化合物的反应机理通常涉及亲核取代、亲电取代、氧化还原等反应类型。例如，胺与酰氯反应生成