医用有机化学--chapter01-introduction.ppt

1、王 微 宏,医用有机化学,课程要求,有机化学分为有机化学理论课和有机化学实验课两门课，共104学时，理论课56学时，实验课48课时，分别单独考试。 有机化学理论课成绩由两部分组成：期末考试约占70%，平时成绩约占30%。平时成绩：出勤，作业和课堂讨论,医用有机化学,推荐参考书目,1.医科大学化学（下册）陈启元，梁逸曾主编，化学工业出版社 2004 2.有机化学魏俊杰. 高等教育出版社, 2003 3.有机化学陆阳. 科学出版社, 2004 4.有机化学复习指南与习题精选芦金荣主编，化工出版社 2007,医用有机化学,有机化学的学习方法,1 做好预习 2 认真听课，适当笔记 3 课后练习 4 掌

2、握规律,课程网址： China/yjhx/index.html E-mail: Keyword: chemistry,The Golden Rules of Organic hemistry,Your goal should be to understand, not memorize organic chemistry. The following 7 Golden Rules should be learned at the beginning of this semester. These simple ideas explain a very large number of thing

3、s about the way organic molecules interact. Thus, understanding the 7 Golden Rules will allow you to develop an intuitive feel for organic chemistry, and things will make sense!,1. Atoms prefer filled valence shells,The Golden Rules of Organic hemistry,2. The most important question in chemistry is

4、“Where are the electrons?”,3. Nature hates unpaired electrons,4. Nature hates localized charges,5. Most reactions involve nucleophiles (molecules with a location of particularly high electron density) attacking electrophiles (molecules with a location of particularly low electron density). When in d

5、oubt, transfer a proton!,The Golden Rules of Organic hemistry,6. Steric interactions (atoms bumping into each other) can prevent reactions by keeping the reactive atoms away from each other.,7. Pi electrons prefer to be delocalized over as many adjacent sp2 hybridized atoms (or sp1 hybridized atoms

6、in some cases) as possible, and aromaticity is the most stable form of pi electron delocalization.,The Golden Rules of Organic hemistry,How to Think About Reactions,A good way to think about chemical reactions is that they are like crimes. Both crimes and chemical reactions need motive and opportuni

7、ty to take place.,Motive For reactions, the motive refers to the thermodynamic driving force. In other words, a reaction can be thought of as having a motive (thermodynamic driving force) if the products are more stable than the reactants.,If the reaction does have a motive (thermodynamic driving fo

8、rce), it is said to be thermodynamically favorable and it will occur if given the opportunity. Reactions will have a favorable motive (thermodynamic driving force) if G for the process is negative (G = HTS). The G = HTS equation can be hard to apply to new situations, but the following rules of thum

9、b can be helpful.,How to Think About Reactions,1. Reactions will usually have a motive (thermodynamic driving force) if stronger bonds are made than are broken in going from starting materials to products. This is primarily a H effect.,How to Think About Reactions,2. In reactions involving proton tr

10、ansfers, the reaction will generally have a motive (thermodynamic driving force) if the products represent the weaker acid and/or weaker base. Recall that equilibrium favors formation of the weaker acid/weaker base in an acid-base reaction. This is primarily a H effect.,How to Think About Reactions,

11、3. Reactions will usually have a motive (thermodynamic driving force) if a greater number of smaller molecules are created from fewer larger molecules, especially if a small gaseous molecule such as CO2, N2 or HCl is produced as a product. This is primarily a S effect.,How to Think About Reactions,O

12、pportunity,Even if reactions have a motive (thermodynamic driving force), they can only occur if given the opportunity for the atoms and electrons to rearrange into the product. This rearrangement of atoms and electrons is what we refer to as the mechanism of the reaction.,How to Think About Reactio

13、ns,For a reaction to have an opportunity to react, the reaction cannot have an energy barrier that is too large. In other words, the mechanism cannot have any species (i.e. transition state) in it that is too high in energy (too unstable) to be formed at a given temperature.,How to Think About React

14、ions,第1章 绪 论Introduction,有机化合物和有机化学的概念。 碳的sp3、sp2、sp杂化轨道；有机酸碱的概念 共价键的性质。 有机化合物的分类和结构表示方法。 共价键的断裂方式和有机化学反应的类型。 研究有机化合物的方法和步骤,本章主要内容,第1章 绪 论,本章重点： 共价键的性质 碳的sp3、sp2、sp杂化轨道 有机酸碱的概念 共价键的断裂方式和有机化学反应的类型。,第1章 绪 论,1.1 有机化学和有机化合物,有机化合物的认识过程“生命力说” 魏勒（1828，合成尿素） 有机化合物(organic compound)：含碳的化合物或碳氢化合物及其衍生物。 有机化学(o

15、rganic chemistry)：研究含碳化合物的化学。,第1章 绪 论,有机化合物的特点,1、分子组成复杂 ，同分异构现象极为普遍。 2、容易燃烧 。 大多数有机化合物容易燃烧，产生二氧化碳和水，同时放出大量的热。 3、熔点、沸点低。许多有机物在室温下呈气态或液态，呈固态的有机物其熔点也低，一般不超过400。C。 4、难溶于水而易溶于有机溶剂。 5、反应速率比较慢；反应复杂、副反应多。,1.2 有机化学与生命科学的关系,有机化学（organic chemistry)是医学课程中的一门重要的基础课，也是生命科学学科不可缺少的化学基础。医学的研究对象是组成成分复杂的人体，而组成人体的物质除水和

16、一些无机盐以外，绝大部分是有机化合物。,2001 work on chirally catalysed reactions 手性催化研究 2002 Development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules 生物大分子 2003 Discoveries concerning channels in cell membranes 细胞膜通道 2004 Discovery of ubiquitin-mediated protein degradation 蛋白质降解,No

17、bel prize in chemistry during 2001-2009,1.2 有机化学与生命科学的关系,2005 Development of the metathesis method in organic synthesis 有机合成复分解 2006 Reveal the Eukaryotic Transcription on Molecular Basis 在分子基础上展示真核转录过程 2008 Discovery and development of green luorescence protein 绿色荧光蛋白质的发现 2009 Studies of the struct

18、ure and function of the ribosome 对核糖体结构和功能的研究,1.2 有机化学与生命科学的关系,1.3 有机分子结构与共价键,有机化合物分子结构的基本含义包括:分子的构造(constitution) 、构型(configuration)和构象(conformation) （见教材P3） 共价键（covalent bond）是原子间通过共用电子对相互结合而形成的。 八隅体电子结构 易斯(Lewis)结构式,现代共价键理论,基本要点： 1、两个形成共价键的电子，必须自旋方向相反。 2、元素原子的共价数等于该原子的未成对的电子数。,1.3 有机分子结构与共价键,3、原子

19、轨道重叠越多，形成的键越强。成键的两个原子轨道必须按一定方向重叠，以满足最大程度的重叠，形成稳定的共价键。 4、能量相近的原子轨道可以杂化，杂化轨道的数目等于参与杂化的原子轨道的数目，并包含原原子轨道的成分。杂化轨道的方向性更强，成键能力增大。,1.3 有机分子结构与共价键,1. 共价键的类型,按共用电子对的数目共价键可分为：单键、双键和叁键，双键和叁键也叫做重键。 按轨道的重叠方式，共价键可分为键和键。,1.3 有机分子结构与共价键,pi (p) bonds,sigma (s) bonds,1.3 有机分子结构与共价键,键和键的主要特点,键 可单独存在。 成键轨道“头碰头”重叠，键较稳定 电

20、子云呈柱状，极化度小。 成键两原子可沿键轴“自由”旋转。,键 不能单独存在。 成键轨道“肩并肩”重叠，键不稳定。 电子云呈块状，极化度大。 成键原子不能沿键轴“自由”旋转,1.3 有机分子结构与共价键,杂 化 轨 道,杂化轨道：在共价键形成过程中，由于原子间的相互影响，同一个原子中参与成键的几个能量相近的原子轨道可以重新组合，重新分配能量和空间方向，组成数目相等的，成键能力更强的新的原子轨道。,1.3 有机分子结构与共价键,碳的三种杂化轨道,1.3 有机分子结构与共价键,sp杂化碳,sp3杂化碳,sp2杂化碳,碳的三种杂化轨道的构型,1.3 有机分子结构与共价键,杂化轨道小结,类型 S成分 形

21、 状 立体构型 键 角 sp3 1/4 葫 芦 正四面体 109.5。 sp2 1/3 稍胖葫芦 平面三角 120。 sp 1/2 胖 葫 芦 直 线 180。,杂化轨道和杂化轨道重叠形成键。杂化轨道与s或p轨道重叠也形成键 。,1.3 有机分子结构与共价键,思考题,2. 对于乙腈分子：CH3CN, 两个碳原子各处于什么杂化状态？N原子上的未成键电子对处于什么轨道？,1.3 有机分子结构与共价键,1. 上述三种杂化轨道的碳原子分别能形成多少个键和键？,2. 共价键的基本性质,（1）键长（bond length） 键长是指成键原子核间的距离,（2）键角（bond angle） 键角是指两个共价键

22、之间的夹角。,1.3 有机分子结构与共价键,（3）键能（bond energy）和键离解能（bond dissociation energy）,气态的原子A和原子B结合成气态的AB分子时所放出的能量，通常称键能；而气态的AB分子离解为气态的A和B原子时所吸收的能量则称键的离解能。,1.3 有机分子结构与共价键,（4）键的极性和极化（polarity and polarization of bond）,当两个不同原子成键时，由于两种元素的电负性不同，成键电子云发生不对称的分布，即正、负电荷中心不能重合，产生了极性。,1.3 有机分子结构与共价键,电负性较大的原子带部分负电荷，另一原子带部分正电荷

23、，分别用和表示。,两个成键原子的电负性相差越大，键的极性越强。,1.3 有机分子结构与共价键,偶极矩是指正、负电荷中心间的距离d与电荷值q的乘积。 = qd 单位为库伦米（cm） 偶极矩是一个向量，具有方向性，通常用表示，箭头指向负电荷一端。 分子的极性,双原子分子的极性,多原子分子的极性,键的极性常用偶极矩(键矩)来表示。,1.3 有机分子结构与共价键,对于双原子分子来说，键的偶极矩就是分子的偶极矩。但多原子分子的极性不只决定于键的极性，还决定于分子的空间构型，分子的偶极矩是各键矩的向量和。,1.3 有机分子结构与共价键,在外界电场（极性试剂或极性溶剂）作用下，共价键的极性发生改变的现象，称

24、为键的极化。,键的极化难易程度简称为极化度。键的极化度主要决定于成键电子云的流动性大小。,CX键的极化度顺序是： CICBrCClCF,碳碳共价键中，键比键容易极化。,1.3 有机分子结构与共价键,键的极性和极化度是共价键的重要性质之一,键的极性是固有的 键的极化是暂时的,1.3 有机分子结构与共价键,分子的极性影响化合物的沸点、熔点和溶解度等。,下列各化合物哪些有极性？并指出其偶极矩方向。 （1）I2 （2） HBr （3）CH3Cl （4）CH3OCH3,思考题1-2,1.3 有机分子结构与共价键,1.4 有机化合物的分类与结构表示,1.4.1 有机化合物的分类 根据组成有机化合物的碳架和

25、其分子结构中的官能团来分,1.按碳的骨架分类,(1)链状化合物,由于它们最早是从有长链结构的脂肪酸和脂肪中分离出来的。所以开链化合物又称为脂肪族化合物。,分子中的碳连接成环状，根据碳环的特点又可分为以下两类：,(2)碳环化合物,1.4 有机化合物的分类与结构表示,A.脂环族化合物,B.芳香族化合物,1.4 有机化合物的分类与结构表示,C杂环化合物,分子中含有由碳原子和其它原子如氧、氮、硫等组成的环状结构。环上的非碳原子称为杂原子。,1.4 有机化合物的分类与结构表示,2.按官能团分类,能决定化合物基本化学性质的原子或原子团叫官能团（functional group） 含有相同官能团的化合物的化

26、学性质基本相似，所以可以把官能团作为主要标准对有机化合物进行分类。,1.4 有机化合物的分类与结构表示,有机化合物的常见官能团,类 型 官能团 实 例 英文名称后缀 烷烃 无 CH4 -ane 烯烃 C=C CH2=CH2 -ene 炔烃 CC H-CC-H -yne 卤代烃 -X CH3CH2Cl chloro- 醇 -OH CH3CH2OH -ol 醚 R-O-R CH3-O-CH3 ether 醛 -CHO CH3CHO -al 酮 -CO- CH3COCH3 -one 羧酸 -COOH CH3COOH -oic acid 胺 -NH2 CH3CH2NH2 -amine,1. Lewis

27、结构式,1.4.2 有机化合物构造式的表示方法,1.4 有机化合物的分类与结构表示,2. 实线式,将分子中原子间的一对价电子用一条短线表示的式子，称实线式（Kekule式）。,1.4 有机化合物的分类与结构表示,3. 键线式,将化合物分子中的碳原子和氢原子及碳氢键省略不写，仅用短线表示碳碳键的式子，称为键线式（或骨架式）。如：,1.4 有机化合物的分类与结构表示,化学反应过程中反应物转化为产物所经历的过程，即反应历程（也称反应机理，reaction mechanism） 按反应时键的断裂方式，有机反应主要可分为自由基反应、离子型反应和协同反应等几类。,1.5 有机化学反应类型及条件,共价键的断

28、裂方式：均裂和异裂 1. 自由基反应（共价键的均裂） 共价键断裂后，两个成键原子共用的一对电子由两个原子各保留一个，这种断裂方式称为均裂(homolysis)。,1.5 有机化学反应类型及条件,均裂往往在较高的温度或光的照射下发生。,由均裂生成的带有未成对电子的原子或原子团叫自由基或游离基（free radical）。通过共价键的均裂而发生的反应叫做自由基反应（free radical reaction）。,1.5 有机化学反应类型及条件,2. 离子型反应（共价键的异裂） 共价键断裂后，其共用电子对只归属于原共价键的某一原子，产生了正、负离子。这种键的断裂方式叫做异裂(heterolysis)

29、。相应的反应称为离子型反应（ionic reaction) 它往往被酸、碱或极性溶剂所催化，一般在极性溶剂中进行。,1.5 有机化学反应类型及条件,碳与其它原子间的键断裂时，可得到碳正离子（carbonium ion或carbocation）或碳负离子（carbanion）,1.5 有机化学反应类型及条件,有机酸碱概念,A 勃朗斯德酸碱理论（酸碱质子理论） 凡能给出质子的物质都是酸以，能接受质子的物质都碱。,1.5 有机化学反应类型及条件,B 路易斯酸碱理论 酸是能接受一对电子形成共价键 的物质，碱是可以提供一对电子形成共价键的物质。即酸电子对的接受体，碱是电子对的给予体。 酸碱反应实际上是形成配位键的过程。或者说Lewis酸是亲电试剂；Lewis碱是亲核试剂。,1.5 有机化学反应类型及条件,常见的Lewis酸如H+、R+、Cl+、Br+、BF3、AlCl3等。 它们是缺少电子不满足八隅体（氢是二隅体）电子构型的正离子，或者含具有空轨道可接受电子对的原子。 在反应中总是进攻反应中电子云密度较大的部位，所以是一种亲电试剂。 碳正离子属于路易斯酸也是亲电试剂。,1.5 有机化学反应类型及条件,常见的Lewis碱有: I、OH、CN、R、H2O、NH3、ROH、烯烃和芳烃等。 它们是负离子，或者是具有未共用电子对的