有机化学浙江大学绪论.pptx

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1、第第1 1章章 绪论绪论本章内容本章内容1.1 有机化合物和有机化学1.2 有机化学的发展1.3 有机结构理论基础1.4 有机化合物的分类第1页/共53页1.1 1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学有机化合物的主要特征是它们都有碳原子，即都是碳化合物。碳化合物、碳氢化合物及其衍生物。有机化合物有机化合物第2页/共53页1.1 1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学有机化学有机化学 有机化学是化学的一个重要的分支，它是研究有机化 合物的化学。研究有机化合物来源、制备、结构、性能、应用以及 有关理论、变化规律和方法的科学。分离、结构、反应和合成分离、结构、反应和合成第3页/共

2、53页有机化学奠基于在18世纪中叶。19世纪初，1828年德国化学家武勒(FWhler)首先发现用公认的无机物氰酸氨(NH4OCN)，可在实验室中制造出有机化合物尿素(H2NCONH2)。原来尿素只能从人体排泄物尿中取得的。“生命力生命力”学说学说有机化学的建立有机化学的建立第4页/共53页 同分异构现象:指具有相同的分子式而结构不同的现象。容易燃烧。熔点低。难容于水,易溶于有机溶剂。稳定性差,易分解。反应慢,副产物多。有机化合物特点有机化合物特点第5页/共53页1.2 1.2 有机化学的发展有机化学的发展 有机化学是研究有机化合物的结构、性质、制备、功 能及应用的一门重要学科，它与人类生活以

3、及许多其他学科有着极为密切的关系。有机化学是一门迅速发展的学科。当代有机化学发展的一个重要趋势是与生命科学的结合。第6页/共53页有机化学是一门迅速发展的学科有机化学是一门迅速发展的学科 有机合成化学。天然有机化学。物理有机化学。金属有机化学和有机催化。生物有机化学第7页/共53页 1 1有机合成化学有机合成化学创造新物质的科学创造新物质的科学维生素B12(Woodward and Eschenmoser,Science,1997）)第8页/共53页1989年美国年美国Harvard大学大学kishi教授等完成海葵毒素教授等完成海葵毒素(palytoxin)的全合成的全合成第9页/共53页2.

4、2.天然有机化学天然有机化学紫杉醇紫杉醇第10页/共53页3 3物理有机化学物理有机化学 20世纪30年代，著名化学家L.Pauling（1954年获诺 贝尔化学奖）和物理学家J.C.Slater将量子力学的原理与化学的直观经验相结合，创立了价键理论。在经典化学中引入了量子力学理论和一系列新的概念，如 杂化、共振、键、键、电负性、电子配对等。第11页/共53页 4 4金属有机化学和有机催化金属有机化学和有机催化1901年法国化学家Grignard发现了一类重要的金属有机化合物-有机镁试剂，即Grignard试剂（简称格氏试剂）V.GrignardV.Grignard因发明格氏试剂因发明格氏试剂

5、而获得而获得19121912年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 第12页/共53页 5 5生物有机化学生物有机化学1953年J.D.Watson和H.C.Crick提出的DNA分子双螺旋结构模型，对于生命科学具有划时代的贡献，它为分子生物学和生物工程的发展奠定了基础，为整个生命科学带来了一场深刻的革命。WatsonWatson和和CrickCrick共获共获19621962年诺贝尔生理学或年诺贝尔生理学或医学奖医学奖第13页/共53页当代有机化学发展的一个重要趋势是与生命科学的结合当代有机化学发展的一个重要趋势是与生命科学的结合 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现代生物化学和

6、化学生物学的理论基础。在蛋白质、核酸的组成和结构的研究、顺序测定方法的建立、合成方法的创建等方面，有机化学为分子生物学的建立和发展开辟了道路。确定DNA为生物体遗传物质,是由生物学家和化学家共同完成。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)功能基因(Functional Genomics)。第14页/共53页 研究信息分子和受体识别的机制。发现自然界中分子进化和生物合成的基本规律。作用于新的生物靶点的新一代治疗药物的前期基础研究。发展提供结构多样性分子的组合化学。对于复杂生物体系进行静态和动态分析的

7、新技术等。有机化学特别是生物有机化学参与研究项目有机化学特别是生物有机化学参与研究项目第15页/共53页有机化学的拓展有机化学的拓展第16页/共53页结论结论 有机化学也就是碳氢化合物及其衍生物的化学。这一提法，体现了所有有机化合物在结构上的相互联系。也是有机化学的又一定义。第17页/共53页1.3 1.3 有机结构理论基础有机结构理论基础有机化合物分子中的化学键主要是共价键共价键，以共价键结合是有机化合物分子基本的、典型的结构特点 离子键是通过电子转移而形成离子键是通过电子转移而形成杂化理论杂化理论分子轨道理论分子轨道理论价键理论价键理论第18页/共53页价键理论（价键理论（电子配对理论电子

8、配对理论）共价键形成共价键形成：价键的形成是原子轨道的重叠或电子配对的结果，如果两个原子都有未成键电子，并且自旋方向相反，就能配对形成共价键。共价键形成的基本要点共价键形成的基本要点：（1）成键电子自旋方向相反；（2）共价键有饱和性；（3）共价键有方向性。凯库勒结构式凯库勒结构式第19页/共53页方向性方向性两原子轨道必须沿某一方向（即原子轨道对称轴的方向）相互重叠时，重叠程度最大，形成的键最牢固。第20页/共53页 饱和性饱和性 两个原子的未成对电子自旋反平行配对后，再不能与第三个电子配对。根据价键理论的观点，成键电子只能在轨道重叠的区域内运动，是定域定域的的。价键理论能很好地解释共价键形成

9、的本质、成键规则、成键能力等，但不能解释空间构型问题。空间结构空间结构？问题问题第21页/共53页杂化轨道理论杂化轨道理论SP Pauling在对大量分子结构总结后提出杂化轨道理论。理论指出：能量相近的轨道才能发生杂化；根据碳原子不同的键合形式可分别以sp3、sp2、sp等杂化轨道成键。杂化轨道理论是有机化学结构理论的重要内容。第22页/共53页成键时，2s中的一个电子首先激发到2pz轨道中，然后四个原子轨道重新组合（即杂化），形成新的杂化轨道。杂化后形成的每一个spsp3 3杂化轨道杂化轨道的形状 四个四个sp3杂化杂化轨道形状轨道形状杂化理论杂化理论SP第23页/共53页 sp2杂化轨道杂

10、化轨道sp2杂化是由一个s轨道和两个p轨道参加的杂化。三个sp2杂化轨道在三维空间的空间形状为平面三角形，轨道与轨道之间的夹角为120，未参加杂化的p轨道垂直于sp2杂化轨道平面。第24页/共53页sp杂化轨道是由一个s轨道和一个p轨道参加杂化形成的。sp杂化轨道的空间形状为直线形，未参加杂化的两个p轨道彼此垂直且都垂直于sp杂化轨道对称轴。sp杂化轨道杂化轨道第25页/共53页分子轨道理论分子轨道理论 处理共价键和分子结构的另一种近似方法是分子轨道法。分子轨道法通常是采用原子轨道的线性组合来处理共价键。分子轨道理论认为，当任何数目的原子轨道重叠时，就可形成同样数目的分子轨道。成键电子的定域问

11、题成键电子的定域问题第26页/共53页例如：两个原子轨道可以线性的组合成两个分子轨道，其中一个比原来的原子轨道的能量低，叫成键轨道（由符号相同的两个原子轨道的波函数相加而成），另一个是由符号不同的两个原子轨道的波函数相减而成分子轨道能级图分子轨道能级图 第27页/共53页原子轨道组成分子轨道必须具备下列的条件原子轨道组成分子轨道必须具备下列的条件（1）只有对称性相同的原子轨道，即“对称匹配”，才能有 效成键。（2）只有能量相近的原子轨道，才能有效成键；如果两原 子轨道的能量相差太大，则成键轨道的能量与原子轨道 能量相比降低的少，不能形成稳定的分子轨道。（3）原子轨道重叠程度越大，形成的键越牢固

12、。对称匹配对称匹配/原子轨道的重叠具有方向性原子轨道的重叠具有方向性/能量相近能量相近 第28页/共53页 键：键：如果两个原子轨道是沿原子轨道对称轴方向相互叠加，即“头碰头”重叠，形成的键叫键键；成键轨道用表示，反键轨道用*表示。键和键和键键第29页/共53页成键电子不是成键电子不是“定域定域”在成键轨道中，在成键轨道中，而是在整个分子内运动，即是而是在整个分子内运动，即是“离域离域”的。这也是价键理的。这也是价键理论与分子轨道理论最根本的区别。论与分子轨道理论最根本的区别。如果两个原子轨道的对称轴相互平行相叠加，即“肩并肩”重叠，形成的键叫键键。成键轨道用表示，反键轨道用*表示。键键第30

13、页/共53页共价键参数共价键参数 共价键的属性共价键的属性键长键角（共价键方向性的物理量）键能 （键能与离解能的区别）。第31页/共53页共价键参数共价键参数1.1.键长键长 成键原子原子核之间的距离，称为键长。同一类型的共价键，在不同化合物中它的键长也可能稍有不同。原子在分子中不是孤立的，它们受到分子中其他原子的相互影响。C-C（0.154 nm)，C=C（0.134 nm），），C C（0.120 nm）第32页/共53页 2.2.键能键能 断裂单个特定共价键所吸收的能量，称为该键的离解能。共价键的键能是断裂分子中全部同类共价键的离解能的平均。键能的大小反映了键的稳定性，键能较大，键也较稳

14、定。例.甲烷分子中有四个键，它们逐个断裂所需的离解能依次分别为：H1=435KJ,H2=444KJ,H3=444KJ,H4=339KJ,H1+H2+H3+H4=H总=1662KJ甲烷分子中C-H的键能是每个C-H键的离解能的平均值，为：1662 1/4 4155 （KJ/mol）第33页/共53页3.3.键角键角 10.59 两个共价键之间的夹角。有机分子的键角与碳原子的杂化状态有关，键角还会因所连的原子或基团的大小而有所变化。109.5109.5。第34页/共53页共价键的极性、分子偶极矩和诱导效应共价键的极性、分子偶极矩和诱导效应 1.共价键的极性共价键的极性 非非极极性性共共价价键键：对

15、于两个相同原子形成的共价键，可以认为成键电子云是均匀地分布在两核之间，这样的共价键没有极性，为非极性共价键。极极性性共共价价键键：但当两个不同原子形成的共价键时，由于原子的电负性不一样，成键电子云偏向电负性大的原子一边，这样一个原子带有部分正电，而另一个原子带有部分负电;电子云不完全对称而呈现极性的共价键叫做极性共价键。第35页/共53页共价键的极性、分子偶极矩和诱导效应共价键的极性、分子偶极矩和诱导效应共价键共价键键的极性大小通常用偶极矩表示，用德拜键的极性大小通常用偶极矩表示，用德拜2.2.分子偶极矩分子偶极矩偶极矩偶极矩():):键的极性大小键的极性大小偶极矩偶极矩=q qd d 单位：

16、单位：D(D(德拜德拜)q:q:正电中心或负电中心的电荷正电中心或负电中心的电荷,d:,d:两个电荷中心之间的距离两个电荷中心之间的距离 =1.03D =1.87D =0D第36页/共53页。2.2.分子偶极矩分子偶极矩 偶极矩大小表示一个键或一个分子的极性大小。偶极矩大小表示一个键或一个分子的极性大小。对于双原子分子，其键矩就是分子的偶极矩。对于双原子分子，其键矩就是分子的偶极矩。对多原子分子来说，分子的偶极矩是各键键矩的向量和（与键的极性和分对多原子分子来说，分子的偶极矩是各键键矩的向量和（与键的极性和分子的对称性有关）。子的对称性有关）。构成共价键的两个元素的电负性相差越大，所形成的共价

17、键的极性也越大。构成共价键的两个元素的电负性相差越大，所形成的共价键的极性也越大。电负性：一个元素吸引电子的能力。电负性：一个元素吸引电子的能力。杂化轨道的电负性的大小杂化轨道的电负性的大小：sspsp2sp3p第37页/共53页 由于原子电负性不同，使得分子中电子云密度分布不均匀，且这种影响沿分子链传递下去，这种效应称为诱导效应诱导效应（Inductive effect），常用I表示。3.3.诱导效应诱导效应第38页/共53页 诱导效应有两个特点：沿着键分子链传递；渐远渐减。诱导效应传递到第三个碳上已经很小，到第五个碳原子，完全消失。诱导效应是一种静电作用，是永久性的，属于电子效应的一种。诱

18、导效应有正、负之分。与碳原子的电负性相比，如果与碳相连的原子Y的电负性比碳大，C-Y键电子对偏向Y（CY），则原子Y或其基团的诱导效应为负，用-I表示；反之，Y的电负性比碳小，电子对偏向碳（CY），则原子Y或其基团的诱导效应为正，用+I表示。3.3.诱导效应诱导效应第39页/共53页1.3.5 1.3.5 共价键的断裂和有机反应类型共价键的断裂和有机反应类型 共价键的断裂有两种方式共价键的断裂有两种方式:均裂和异裂均裂和异裂均裂均裂：即共价键断裂时，成键的一对电子平均分给成键的两个原子或基团，产生了带有未成对电子的原子或基团，称为自由基自由基或游离基游离基 第40页/共53页异裂异裂：即共价键

19、断裂时，成键电子对完全属于一个原子或基团，产生了正离子和负离子。如果成键原子是碳，带正电荷的离子称为碳正离子碳正离子；带负电荷的离子称为碳负离子碳负离子。自由基、碳正离子和碳负离子都是反应过程中产生的、只能瞬间存在的高活性粒子，称为活性中间体活性中间体。第41页/共53页 另外还有一类反应，它不同于以上两类反应，反应过程中另外还有一类反应，它不同于以上两类反应，反应过程中旧键断裂和新键的生成同时进行，无活性中间体生成，这类旧键断裂和新键的生成同时进行，无活性中间体生成，这类反应称为周环反应。反应称为周环反应。第42页/共53页 1.4 1.4 有机化合物的分类有机化合物的分类 有机化合物数量巨

20、大，只要学习具有代表性的化合物，就可以对同类化合物的各方面信息有所了解。对有机化合物的分类有两种方法，一种是按碳架分类，另一种方法是按官能团分类。按碳架可将有机化合物分为以下三类按碳架可将有机化合物分为以下三类：（1 1）开链化合物：分子中的碳原子连接成链状）开链化合物：分子中的碳原子连接成链状。第43页/共53页（2 2）碳环化合物：分子中的碳原子连接成环状）碳环化合物：分子中的碳原子连接成环状 第44页/共53页（3 3）杂环化合物：即分子中含有由碳原子和其它原子（如）杂环化合物：即分子中含有由碳原子和其它原子（如O O，N N，S S等，称为杂原子）组成的环状化合物等，称为杂原子）组成的

21、环状化合物。第45页/共53页 按碳架分类链形化合物环形化合物（脂肪族化合物）碳环化合物杂环化合物芳环化合物脂环化合物脂杂环化合物芳杂环化合物第46页/共53页 按官能团分类按官能团分类 所谓官能团是指有机化合物分子中比较活泼易发生反应的原子或原子团。所谓官能团是指有机化合物分子中比较活泼易发生反应的原子或原子团。化合物的性质主要由官能团决定，反应主要发生在官能团及其相关部位。化合物的性质主要由官能团决定，反应主要发生在官能团及其相关部位。具有相同的官能团的化合物具有类似性质。具有相同的官能团的化合物具有类似性质。第47页/共53页烷烃（Alkanes）醛酮（Carbonyl compound

22、s）烯烃（Alkenes）羧酸（Acid）酯（Ester）炔烃（Alkynes）酰卤（Carbonyl halide）芳烃（Aromaties）酸酐（Anhydride）卤烃（Alkylhalide）酰胺（Amide）醇（Alcohol）胺（Amine）酚（Phenol）磺酸(sulphoacid)醚（Ether）第48页/共53页有机化合物的研究程序（有机化学的主要研究内容）有机化合物的研究程序（有机化学的主要研究内容）分离分离 从自然界或反应产物通过蒸馏、结晶、吸附、萃取、从自然界或反应产物通过蒸馏、结晶、吸附、萃取、升华、层析等操作孤立出单一纯净的有机物。升华、层析等操作孤立出单一纯净的

23、有机物。结构结构 对分离出的有机物进行化学和物理行为的了解，阐对分离出的有机物进行化学和物理行为的了解，阐 明其结构和特性。明其结构和特性。物理常数鉴定物理常数鉴定：一个纯净的有机化合物一般具有固定的物理性质，通过：一个纯净的有机化合物一般具有固定的物理性质，通过物理常数测定不但可以鉴定单一的有机化合物，而且可以判断其纯度。物理常数测定不但可以鉴定单一的有机化合物，而且可以判断其纯度。元素分析和实验式确定：元素分析和实验式确定：元素分析可以确定化合物由那些元素组成及其元素分析可以确定化合物由那些元素组成及其组成比例。在此基础上就可以求得化合物的实验式。组成比例。在此基础上就可以求得化合物的实验

24、式。相对分子质量的测定和分子式相对分子质量的测定和分子式：物理化学方法或仪器手段：物理化学方法或仪器手段质谱仪。质谱仪。第49页/共53页结构的确定结构的确定：官能团分析；：官能团分析；化学降解及合成；化学降解及合成；近代物理方法近代物理方法（仪器手段）（仪器手段）反应和合成反应和合成 从某一有机化合物从某一有机化合物(原料原料)经过一系列反应转经过一系列反应转 化成一已知的或新的有机化合物化成一已知的或新的有机化合物(产物产物)。第50页/共53页(（1）价键理论；（2）分子轨道理论；（3）共价键键长；（4）共价键键能；（5）共价键键角；（6）共价键的极性；（7）分子偶极矩；（8）诱导效应；（9）均裂；（10）异裂；（11）协同反应。本章要点本章要点第51页/共53页 学好有机化学，总的可概括为六个字：理解、记忆理解、记忆、应用应用。学习要求学习要求 每周一上课前交作业。期终总成绩：20%平时+80%期末大考。作业选择：课内和课外。第52页/共53页感谢您的观看！第53页/共53页