1、有機化學 多媒體教學,授 課 教 師,蘇燕評,第一章 緒 論,一、有機化合物和有機化學 二、有機物的結構特點共價鍵 三、分子的極性和分子間的作用力 四、有機化合物的官能團和反應類型 五、有機酸堿概念 六、確定有機化合物結構的步驟與方法,第一節(jié)、有機化合物和有機化學,17世紀中期，把從自然界中取得的各種物質按照來源分為：,隨后又將礦物物質稱為無機物,而將動物物質和植物物質稱為有機物。,Organic有生機的、有生命力。把只能得自活的有機體中的物質叫有機物，而其他一切物質都叫無機物。有機物的生成要有生命力的作用，這就是所謂的生命力學說。,1828 Friedrich Wohler 偶然用無機物合成

2、了有機物尿素：,之后又有醋酸(1845, Kolbe H), 油脂(1854, Berthelot M)，糖等多種人工合成的有機物相繼出現，從此生命力學說被徹底否定。“有機物”這個名稱也失去了原有的“有生機之物”的含義?，F在是根據有機物的組成來定義的。,有機化合物(Organic compound )就是碳氫化合物及其衍生物 ； 研究碳氫化合物及其衍生物的科學稱為有機化學(Organic chemistry) 。,（CO32-、CO2、CO、CN-、OCN-、SCN-等由于其性質與無機物相似，習慣上仍列為無機物。）,主要研究各類有機物的結構特征、合成方法、理化性質及其應用，以及結構與性質之間的

3、相互關系等。,有機物同分異構現象存在較普遍,醫(yī)學是從宏觀到微觀的研究過程： 人體 組織 細胞 生物分子 化學是從微觀到“宏觀”的研究過程： 原子分子大分子,當代，生命科學與化學科學相互滲透，兩學科間的交叉研究，使得生命科學中的化學問題已成為當今化學科學的重大前沿研究課題；而在分子水平上對生命現象、疾病的發(fā)生、發(fā)展過程進行深入認識則推動了分子生物學的發(fā)展。,有機化學與醫(yī)學,生物化學 組織化學 藥物化學 天然藥物化學 藥理學分子生物學 分子免疫學分子藥理學 分子病理學分子遺傳學等,有機化學 與醫(yī)藥相關的學科,怎樣學習有機化學 ？,1. Prepare lessons before class 2.

4、 Take lecture notes 3. Keep up with your studying 4. Work studying questions,一、凱庫勒結構理論,（1）有機化合物中碳原子為四價 （2）碳原子與其它原子結合外，還可以與其它碳原子以單鍵、雙鍵、叁鍵相互結合成碳鏈或碳環(huán)。 表示了：分子中原子的種類、數目和結合的順序和方式。,第二節(jié)、有機化合物的結構理論,1861, 布特列洛夫：化學結構 化學結構包含了分子中原子的排列順序和相互間復雜的化學關系。(結構和性質的關系) 20世紀，荷蘭化學家范霍夫和法國化學家勒貝爾：飽和碳原子的四面體結構。,離子鍵原子間電子的轉移形成 化學鍵類

5、型 共價鍵原子間共用電子對形成 配位鍵兩原子間共用的電子對 由一個原子提供形成,原子通過化學鍵構成分子：,有機物的結構特點共價鍵,二、化學鍵,由原子間外層電子的得失或轉移產生的正負離子相互吸引而形成。,離子鍵沒有方向性和飽和性,Na+,Na+,Na+,（一）、離子鍵和共價鍵,1、離子鍵,2、八隅體與路易斯結構式,惰性氣體原子的最外層電子軌道內分別具有二個或八個電子，這樣的電子構型是最穩(wěn)定的。原子最外層具有八電子構型時（或二電子構型）稱為八隅體。,相同或不同原子之間可通過得失電子或共享電子的方式使各自的外層電子構型達到八隅體，從而使形成的分子處于穩(wěn)定狀態(tài)。,共價鍵是原子間通過共享電子對互相結合而

6、形成的。,路易斯（Lewis）結構式：,用電子對表示共價鍵結構的化學式稱路易斯結構式。,為書寫方便，可用一短線代表一對共用電子對，也可只標未共用電子對，其余部分寫成簡化結構式。,3、 配位共價鍵：形成共價鍵的一對電子是由成鍵的兩個原子中的一個原子提供。配位鍵通常用箭頭 表示，指示從提供電子的原子指向接受電子的原子。,路易斯結構式僅給出了分子共價結合的模型，并沒有給出電子共用的明確概念和共價鍵的本質。 近代運用量子力學理論研究共價鍵的形成和本質而提出了共價鍵理論和分子軌道理論。,其一：價鍵理論 認為共價鍵是由自旋相反的電子配對形成的（原子間共用電子對）。形成共價鍵的電子僅處于成鍵兩原子間的區(qū)域之

7、中運動。故又稱為電子配對法。,其二：分子軌道理論 認為分子軌道是由能量相近且對稱性匹配的原子軌道按照最大重疊原理線性組合而成，分子中電子在整個分子軌道中運動。,關于共價鍵的形成，有兩種理論。,共價鍵理論,（二）、原子軌道和電子云,現代價鍵理論認為：共價鍵是由成鍵電子所在的原子軌道重疊形成的。,根據原子光譜實驗，可以證實核外電子是分層排布的。電子層是根據電子在核外空間出現幾率最大區(qū)域離核的遠近來劃分的，它可取1、2、3n等正整數。n越大，電子離核的平均距離越遠，電子能量越高。 在同一電子層上的電子，其能級高低仍有差別（除單電子原子外）。這是由于同一電子層上可有一個或一個以上亞層，電子亞層用s、p

8、、d、f等小寫字母表示。在同一層中，亞層的能級高低為spdf。同一層上各亞層的能量差別是由電子云形狀不同引起的，如s亞層電子云是球對稱形的，p亞層電子云為啞鈴形等。每一電子層對應的亞層如下表。,S電子云對原子核是球對稱的，就是在各個方向上分布均勻，只有一個取向。P電子云在空間有三種不同的伸展方向，也就是有三種取向，分別沿X軸、Y軸和Z軸方向伸展。,電子處于各自的原子軌道中運動。,如C原子：1s2; 2s22p2,（三）. 價鍵理論：自旋相反的單電子配對形成共價鍵。 共價鍵的本質就是兩核對于電子密集區(qū)的吸引。,重疊區(qū),共價鍵的形成過程,電子云重疊區(qū)，吸引著兩個原子核，形成穩(wěn)定體系,1.重疊最大

9、穩(wěn)定結合,2.重疊較小不穩(wěn)定結合,3.不結合,圖 s和p原子軌道的三種重疊情況,電子配對要求原子軌道重疊。原子軌道最大重疊才能形成穩(wěn)固的共價鍵.,表1-1 鍵和鍵的主要特點(1),表1-1 鍵和鍵的主要特點(2),叁種形式：單鍵、雙鍵、叁鍵。,（四）. 雜化軌道理論價鍵理論的擴展和補充,雜化軌道,(1) SP3雜化（如甲烷）,Neutral ground state of carbon, C:,1s22s22px12py1 or basic state,1s,2s,2p,Energy,Hybridize Energy,1s22(sp3)12(sp3)12 (sp3)12(sp3)1 or,1s

10、22s12px12py1 2pz1 or excited state,hybridized valence state,Hybridize,Tetrahedral, all orbital bond angles are 109.5o.,s 鍵: 頭碰頭重疊, 重疊程度較大, 鍵牢固,可自由旋轉。 當一個碳原子與其他四個原子直接鍵合,該碳原子為SP3雜化,(2) SP2雜化（如乙烯）,雜化后3個SP2雜化軌道處于同一平面,夾角120o余下一個未雜化的2pz軌道垂直于三個SP2雜化軌道所在的平面(SP2雜化軌道呈平面三角形).,1,1,1,1,乙烯分子的形成,p Bond:肩并肩重疊，重疊程度較

11、小，鍵較不牢固 不能自由旋轉,雙鍵、平面型分子,(3) SP雜化（如乙炔）,CHCH的形成,叁鍵,軌道成分 空間伸展 SP3 1/4S+3/4P 正四面體,SP2 1/3S+2/3P 平面三角形,SP 1/2S+1/2P 直線型,（五）、分子軌道和共振結構,認為分子中的電子不屬于某個原子，而是分布于整個分子中。 分子軌道由所屬原子軌道線性組合而成(滿足3原則：能量相近；最大重疊；對稱性匹配)，形成分子軌道的數目與所結合的原子軌道的數目相等。 有s (成鍵軌道)和 s* (反鍵軌道) 、 p和p* 、n(非鍵軌道)三類。 分子中電子在分子軌道中運動，電子在分子軌道中填充也遵循能量最低原理、鮑里不

12、相容原理和洪特規(guī)則。,H2分子軌道,Bonding and antibonding MOs for and bonds.,共振結構,當1個分子、離子或自由基按價鍵規(guī)則可以寫成1個以上的Lewis結構式時，則真實的結構就是這些共振結構式(或極限式)的雜化體。,單一結構式不能表示出硝基甲烷的結構，可用下列2個共振式的雜化體表示：,“ ”是共振符號,它表示真正的硝基甲烷分子是這2個極限式的雜化體,而其中任何一個極限式都不能代表它的分子結構。,共振結構式(極限式),共振雜化體,書寫共振式的規(guī)則：1.只允許電子移動，而原子核位置不變；2.符合八隅規(guī)則；3.成對的和未成對的電子數目不變。,1、 鍵長(bo

13、nd length) ：成鍵原子的核間距 2、鍵角(bond angle) ：兩共價鍵之間的夾角 3、鍵能(bond energy) ：離解能或平均離解能,幾種共價鍵的鍵長、鍵角、鍵能 CH CC C = C CC 鍵長nm 0.109 0.154 0.134 0.120 鍵角 109.5 120 180 鍵能 kJ/mol 415.3 345.6 610 835,第三節(jié)、共價鍵的屬性,利用鍵能數據可計算出反應熱。 DH=SE反應物-SE產物,決定分子空間構型,化學鍵強度,4、 鍵的極性與極化性可了解成鍵原子間的電荷分布，進而了解分子反應時在什么部位發(fā)生反應,對于同種原子形成的共價鍵，公用電子

14、由兩個原子核均等“享用”：,兩個成鍵原子既不帶正電荷，也不帶負電荷，這種鍵沒有極性，叫非極性共價鍵。,0 0,（1）鍵的極性,當兩個不同原子成鍵時，由于兩個原子拉電子能力不同，(定義：分子中鍵合原子拉電子能力叫電負性) 共用電子對發(fā)生偏移，使一方原子帶部分負電荷(以d表示)，另一方帶微量正電荷(d+), 如：,這種電子云分布不對稱的共價鍵稱為極性(共價)鍵。兩成鍵原子電負性差越大，鍵的極性也越強。,d+ d,鍵的極性大小取決于成鍵原子的電負性差，電負性差越大鍵的極性越大。,鍵的極性大小用鍵矩（也稱偶極矩m）表示。,H: 2.2; C、S: 2.5; N、Cl: 3.0; O:3.5; F:4.

15、0,m =q(正or負電荷中心的荷電量)d (正負電荷中心間距離) (Debye)偶極矩是矢量，規(guī)定其方向由正極負極。,常見元素的電負性：,注： 鍵的極性與分子極性的關系: 分子極性的大小用偶極矩表示，它是分子中各個鍵鍵矩的向量和。,（2）分子的極性,對于兩個原子組成的分子，鍵的極性就是分子的極性。HCl 鍵矩=分子的偶極矩 1.03D,鍵的極化：由外界電場作用而引起的鍵的極性改變的現象。,（3）鍵的極化性,共價鍵電子云在外電場中變形的難易程度，也即共價鍵極化的難易程度用極化度表示。顯然，極化度：CI CF。,HI 鍵的電子云比 HF 的電子云在外電場中更容易變形(極化)。,(1) p電子比s

16、電子易流動，故p鍵比s鍵極化度大； (2) 原子半徑越大,電子云越易變形(流動),極化度就越大. 極化的結果是使原來的非極性鍵(或非極性分子)變?yōu)闃O性鍵(或極性分子)，原來的極性鍵(或極性分子)極性更大。外界電場撤去時，又恢復原樣。極性分子如H2O等可起到外界電場的作用，使別的分子發(fā)生極化。,電子云流動性越大，鍵的極化度也越大。,鍵的極性和極化之間區(qū)別,鍵的極性大小取決于成鍵原子的電負性差。鍵的極性是鍵的內在性質，是永恒現象。 而鍵的極化則是在外界電場作用下產生的，是暫時現象，當外界電場除去后即可恢復到原來狀態(tài)。,CF CCl CBr CI 極性： 極化性： 反應性：,減弱 增強 增強,分析

17、CX 鍵的極性、極化性與反應活性,極性和極化對物質性質的影響：極性影響物質的物理性質和化學性質，極化則主要影響物質的化學性質。極化度越大越易反應。,二、共價鍵的斷裂方式,指有機反應中鍵均等地分裂成兩個中性碎片過程。均裂后兩個原子各帶一個未配對的電子。,均裂(homolysis)自由基（游離基）反應 (free redical reaction),自由基（瞬間存在）,異裂(heterlysis)離子型反應,正碳離子和負碳離子都是非常不穩(wěn)定的中間體，都只能在瞬間存在，一旦生成，立即參加下一步的反應。,是指在有機反應中鍵非均等地分裂成兩個帶相反電荷的碎片過程。異裂之后，兩個原子一個帶正電荷，一個帶負

18、電荷。,第四節(jié)、有機物的分類和構造式的表示,1、按碳骨架分類,鏈狀化合物（開鏈化合物、脂肪族化合物）,CH3CH2COOH,碳環(huán)化合物：脂環(huán)化合物 、 芳香化合物,雜環(huán)化合物,烷，烯，炔，鹵代烴，醇、酚、醚，醛、酮， 羧酸，硝基化合物，胺，重氮和偶氮化合物 硫醇、硫醚，磺酸等 氨基酸、糖類、蛋白質、核酸,單官能團化合物 分子中只含有1個官能團。 多官能團化合物分子中含有2個相同官能團。 復合官能團化合物 分子中含有2個不同官能團。,2、按官能團 (functional group)分類：有機分子中能反映出化學性質的原子或原子團稱為官能團，又叫功能基。,3、有機化合物構造式的表示,分子中原子相互

19、連接的順序和方式稱構造，表示分子構造的化學式稱構造式。,蛛網式、縮寫式、鍵線式。,名稱 分子式 蛛網式 鍵線式 立體結構式,異戊醇 C5H12O,或： (CH3)2CHCH2CH2OH,環(huán)丙烷 C3H6,透視式、Newman投影式(用于構象) Fischer投影式(常用于對映異構) Haworth式(常用于糖類),第五節(jié)、 有機酸堿概念,1. 勃朗斯德酸堿理論酸堿質子理論 定義：酸是質子的給予體；堿是質子的接受體。,堿與H+結合后形成的質子化物即為該堿的共軛酸。,酸,堿,酸放出H+后產生的酸根即為該酸的共軛堿。,酸越強，它的共軛堿越弱。 堿越強，它的共軛酸越弱。,鹽酸的共軛堿,氨的共軛酸,(極

20、弱堿),(弱酸),化合物的酸性強度通常用酸在水中的解離常數 Ka或其負對數pKa表示，Ka 值越大或 pKa 越小，酸性越強。一般 pKa4 為弱酸。,化合物的堿性強度可以用堿在水中的解離常數Kb或其負對數pKb表示。Kb越大或pKb越小，堿性越強。另外，也可以用堿的共軛酸的解離常數Ka或其負對數pKa表示。但這時要注意pKa值越大，堿性越強。,上頁,下頁,首頁,在酸堿反應中平衡總是有利于生成較弱的酸和較弱的堿。,問題： 水的pKa=15.7, 乙炔的pKa=25。氫氧根離子能與乙炔反應嗎 ？,第 一章 緒 論 第五節(jié) 有機酸堿概念（一、勃朗斯德酸堿理論),上頁,下頁,首頁,2、Lewis(路易斯)酸堿 酸堿電子理論,Lewis酸是能接受一對電子形成共價鍵的物質；Lewis堿是能提供一對電子形成共價鍵的物質。酸是電子對的接受體；堿是電子對的給予體。,第 一章 緒 論 第五節(jié) 有機酸堿概念（二、Lewis酸堿),酸堿加合物,酸堿反應的實質是形成配位鍵的過程，得到一個酸堿加合物。,上頁,下頁,首頁,第 一章 緒 論 第五節(jié) 有機酸堿概念（二、Lewis酸堿),缺電子的分子、原子和正離子等都屬于Lewis酸。例如，FeBr3 分子中的鐵原