有機(jī)化學(xué)和有機(jī)化合物課件

1、第一章 緒 論 1 有機(jī)化合物和有機(jī)化學(xué) 1.1 有機(jī)化學(xué)和有機(jī)化合物 有機(jī)化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)分支，它是研究有機(jī)化合物的來源、制備、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用以及有關(guān)理論和方法學(xué)的科學(xué)。有機(jī)化合物的主要特征是含有碳原子，即都是含碳化合物，因此有機(jī)化學(xué)就是研究碳化合物的化學(xué)。 有機(jī)化學(xué)的發(fā)展 有機(jī)化學(xué)作為一門科學(xué)是在十九世紀(jì)產(chǎn)生的，但有機(jī)化合物在生活中和生產(chǎn)中的應(yīng)用由來已久。最初是從天然產(chǎn)物中提取有效成分。例如：從植物中提取染料、藥物、香料等。在十八世紀(jì)末，已經(jīng)得到了許多純粹的化合物如酒石酸、檸檬酸、乳酸、尿素等。這些化合物有許多共同性質(zhì)，但與當(dāng)時(shí)從礦物來源得到的化合物相比，則有明顯的區(qū)別。在十九世紀(jì)初曾認(rèn)

2、為這些化合物是在生命力的作用下生成的，有別于從無生命中的礦物中得到的化合物。因此叫做有機(jī)化合物，后者叫做無機(jī)物。有機(jī)化合物的主要特征是都含有碳原子，即都是碳的化合物。從歷史遺留下來的“有機(jī)化學(xué)”和“有機(jī)化合物”現(xiàn)仍使用，但涵義已發(fā)生了變化。有機(jī)化合物就是碳化合物。有機(jī)化學(xué)就是碳化合物的化學(xué)。 1.2 有機(jī)化合物的特點(diǎn) 絕大多數(shù)有機(jī)物只是由碳、氫、氧、氮、硫、磷、鹵素等少素元素組成，而且一個(gè)有機(jī)化合物只含有其中少數(shù)元素。但是，有機(jī)化合物的數(shù)量卻非常龐大，已知的有機(jī)化合物已達(dá)一千多萬種，它們的性質(zhì)千變?nèi)f化，各不相同。總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了無機(jī)化合物的總和（所有非碳元素化合物估計(jì)只有幾十萬種），因此完全有必

3、要把有機(jī)化學(xué)單獨(dú)作為一門學(xué)科來研究。1.2.1 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)同分異構(gòu)現(xiàn)象 有機(jī)化合物數(shù)量如此之龐大，首先是因?yàn)樘荚映涉I能力強(qiáng)的緣故。碳原子可以互相結(jié)合成不同碳原子數(shù)目的鏈或環(huán)。此外，即使碳原子相同的分子，由于碳原子不之間的連接方式有多種多樣，因此又可以組成結(jié)構(gòu)不同的許多化合物。分子式相同而結(jié)構(gòu)相異因而性質(zhì)也各異的化合物，稱為同分異構(gòu)體，這種現(xiàn)象叫同分異構(gòu)現(xiàn)象。同分異構(gòu)現(xiàn)象 同分異構(gòu)在有機(jī)化合物中普遍存在。例如C2H6O就可以代表乙醇和二甲醚兩種不同性質(zhì)的化合物： 有機(jī)化合物性質(zhì)上的特點(diǎn) （1）一般有機(jī)化合物熱穩(wěn)定性差，易受熱分解，許多有機(jī)化合物在200300即逐漸分解。（2）大多數(shù)

4、有機(jī)化合物可以燃燒。（3）許多有機(jī)化合物在常溫下是氣體、液體。常溫下為固體的有機(jī)物，他們的熔點(diǎn)一般很低，超過300的有機(jī)物很少。（4）一般有機(jī)化合物的極性較弱或完全沒有極性，而水是強(qiáng)極性，因此一般有機(jī)化合物難或不溶于水。（5）有機(jī)化合物的反應(yīng)，多數(shù)不是離子反應(yīng)，而是分子間的反應(yīng)，除少數(shù)（自由基反應(yīng)）反應(yīng)較快，大多數(shù)有機(jī)反應(yīng)需一定時(shí)間完成。（6）有機(jī)反應(yīng)往往不是單一的反應(yīng)，反應(yīng)除主反應(yīng)外，還有副反應(yīng)。2 有機(jī)化合物中的共價(jià)鍵 2.1 共價(jià)鍵的本質(zhì) 原子成鍵時(shí)，采用各出一個(gè)電子配對(duì)而形成的共用電子對(duì)。這樣生成的化學(xué)鍵叫做共價(jià)鍵。例如，碳原子和氫原子形成四個(gè)共價(jià)鍵而生成甲烷。共價(jià)鍵的飽和性 按照量子

5、化學(xué)中價(jià)鍵理論的觀點(diǎn)，共價(jià)鍵是兩個(gè)原子的未成對(duì)而又自旋相反的電子偶合配對(duì)的結(jié)果。共價(jià)鍵的形成使體系的能量降低，形成穩(wěn)定的結(jié)合，一個(gè)未成對(duì)電子既經(jīng)配對(duì)成鍵，就不能再與其他未成對(duì)電子偶合，所以共價(jià)鍵有飽和性。原子的未成對(duì)電子數(shù)，一般就是它的化合價(jià)數(shù)或價(jià)鍵數(shù)。兩個(gè)電子的配合成對(duì)也就是兩個(gè)電子的原子軌道的重疊（或稱交蓋）。因此也可以簡單的理解為重疊部分越大，形成的共價(jià)鍵就越牢固。共價(jià)鍵的方向性 某些電子的原子軌道，例如p原子軌道，具有方向性。因?yàn)樵榆壍乐挥性谝欢ǚ较?，即在電子云密度最大的方向，才能得到最大的重疊而形成鍵，所以共價(jià)鍵也有方向性。 2.2 有機(jī)化合物中共價(jià)鍵的性質(zhì) 鍵長：形成共價(jià)鍵的兩個(gè)

6、原子的原子核之間，保持一定的距離，這個(gè)距離稱為鍵長 ,單位nm化合物CCCCCCCHCH3-CH30.153 0.109CH2=CH2 0.134 0.109CHCH 0.1210.106CH3-CH=CH-CH30.1540.134 CH3-CC-CH30.147 0.1200.109鍵角 共價(jià)鍵有方向性，因此任何一個(gè)兩價(jià)以上的原子，與其他原子所形成的兩個(gè)共價(jià)鍵之間都有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角就叫做鍵角。例如，甲烷分子中四個(gè)C-H共價(jià)鍵之間的鍵角都是109.5。鍵能 氣態(tài)時(shí)原子A和原子B結(jié)合成A-B分子（氣態(tài)）所放出的能量，也就是A-B分子（氣態(tài)）離解為A和B兩個(gè)原子（氣態(tài)）時(shí)所需要吸收的能量，這

7、個(gè)能量叫做鍵能。一個(gè)共價(jià)鍵離解所需的能量也叫做離解能。 離解能指的是離解特定共價(jià)鍵的鍵能，而鍵能則泛指多原子分子中幾個(gè)同類型鍵的離解能的平均值。 鍵的極性和元素的電負(fù)性 對(duì)于兩個(gè)相同原子形成的共價(jià)鍵來說（例如H-H、Cl-Cl），可以認(rèn)為成鍵電子云是對(duì)稱分布于兩個(gè)原子之間的，這樣的共價(jià)鍵沒有極性。但當(dāng)兩個(gè)不同的原子結(jié)合成共價(jià)鍵時(shí)，由于這兩個(gè)原子對(duì)于價(jià)電子的引力不完全一樣，這就使分子的一端帶電多些，而另一端帶電少些。我們就認(rèn)為一個(gè)原子帶一部分負(fù)電，而另一個(gè)原子則帶一部分正電。這種由于電子云的不完全對(duì)稱而呈現(xiàn)極性的共價(jià)鍵叫做極性共價(jià)鍵。 鍵的極性 可以用箭頭來表示這種極性鍵，也可以用和來表示構(gòu)成極

8、性共價(jià)鍵的原子的帶電情況。例如：元素的電負(fù)性與分子的極性 一個(gè)元素吸引電子的能力，叫做這個(gè)元素的電負(fù)性。電負(fù)性數(shù)值大的原子具有強(qiáng)的吸引電子的能力。極性共價(jià)鍵就是構(gòu)成共價(jià)鍵的兩個(gè)原子具有不同電負(fù)性的結(jié)果（一般相差0.6-0.7之間）。 電負(fù)性相差越大，共價(jià)鍵的極性也 越大。常見元素的電負(fù)性數(shù)值 PeriodIIIIIIIVVVIVII1H 2.12Li 1.0Be 1.5B 2.0C 2.5N 3.0O 3.5F 4.03Na 0.9Mg 1.2Al 1.5Si 1.8P 2.1S 2.5Cl 3.04K 0.8Ca 1.0Br 2.85I 2.5偶極矩單位為D，德拜（Debye） 極性共價(jià)鍵的

9、電荷分布是不均勻的，正電中心與負(fù)電中心不相重合，這就構(gòu)成了一個(gè)偶極。正電中心或負(fù)電中心的電荷q與兩個(gè)電荷中心之間的距離d的乘積叫做偶極矩。 = q x d 德拜（Debye）值的大小表示一個(gè)鍵或一個(gè)分子的極性。偶極矩有方向性，一般用符號(hào)來表示。箭頭表示從正電荷到負(fù)電荷的方向。 偶極矩 在兩原子組成的分子中，鍵的極性就是分子的極性，鍵的偶極矩就是分子的偶極矩。在多原子組成的分子中，分子的偶極矩就是分子中各個(gè)鍵的偶極矩的向量和。例如：共價(jià)鍵的斷裂和有機(jī)反應(yīng)類型 鍵的均裂 自由基反應(yīng)：分子經(jīng)過均裂而發(fā)生的反應(yīng) 。 反應(yīng)特點(diǎn): 1、在光、熱或自由基引發(fā)劑作用下發(fā)生 ， 沒有明顯的溶劑效應(yīng)。 2、 酸、

10、堿催化劑對(duì)反應(yīng)沒有明顯的影響 反應(yīng)有誘導(dǎo)期。 3、可通過加入能與自由基偶合的物質(zhì)（阻抑劑）終止反應(yīng) 。鍵的異裂 共價(jià)鍵斷裂的另一種方式是不均勻裂解，也就是在鍵斷裂時(shí)，兩原子間的共用電子對(duì)完全轉(zhuǎn)移到其中的一個(gè)原子上。鍵異裂的結(jié)果就產(chǎn)生了帶正電或帶負(fù)電的離子。例如： 離子型反應(yīng) 由共價(jià)鍵異裂產(chǎn)生離子而進(jìn)行的反應(yīng)，叫做離子型反應(yīng)。異裂反應(yīng)類型:（ 根據(jù)反應(yīng)試劑 ) 親電反應(yīng)(Electrophilic Reaction) 由親電試劑進(jìn)攻而發(fā)生的反應(yīng)稱為親電反應(yīng)。 反應(yīng)特點(diǎn)：往往在酸，堿或極性物質(zhì)（如極性溶劑）催化下進(jìn)行。親電試劑(Electrophiic Reagent) 對(duì)電子有顯著結(jié)構(gòu)上的親和力

11、而起反應(yīng)的試劑。主要特點(diǎn): 具有空軌道的中性分子或正離子在反應(yīng)中是電子的接受體 常見的親電試劑有: H+ , H3O+, NO2+, NO+ ,PhN2+, R3C+, SO3, BF3, AlCl3, ICl, Br2, O3 底物(Substrate)：有機(jī)反應(yīng)中被試劑進(jìn)攻的化合物 。親核反應(yīng)(Nucleophilic Reaction) 由親核試劑進(jìn)攻而發(fā)生的反應(yīng)稱親核反應(yīng)。 親核試劑：對(duì)原子核有顯著結(jié)構(gòu)上的親和力而起反應(yīng)的試劑。 主要特點(diǎn)： 具有未共用電子對(duì)的中性分子和負(fù)離 在反應(yīng)中是電子對(duì)的給予體 常見的親核試劑 H, BH4, HSO3, HO, RO, RS, CN, RCOO,

12、 RCC,CH(COOC2H5)2, H2O, NH3, NH2R, H2S, RMgX, RLi協(xié)同反應(yīng)(Concerted Reaction) 沒有自由基或離子等活性中間體產(chǎn)生。協(xié)同反應(yīng)：反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)時(shí),新鍵的生成與舊鏈斷裂同時(shí)發(fā)生, 且不經(jīng)過中間體而一步完成的反應(yīng)。 主要特點(diǎn)： 反應(yīng)過程只有鍵變化的過渡態(tài)（往往為環(huán)狀），一步發(fā)生成鍵和斷鍵。4.有機(jī)化合物的分類 為了研究方便起見，對(duì)數(shù)目龐大的有機(jī)化合物需要一個(gè)完善的分類方法。一般的結(jié)構(gòu)式雖不能表達(dá)分子結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)容，但在一定程度上總是反映了分子結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)。因此有機(jī)化合物可以按碳鏈結(jié)合方式不同的基礎(chǔ)上加以分類。4.1 按碳鏈分類 按碳

13、鏈結(jié)合方式的不同，有機(jī)化合物可以分為： (1) 開鏈族化合物（脂肪族化合物） 分子中碳原子間相互結(jié)合而成碳鏈，不成環(huán)狀。(2) 碳環(huán)族化合物 分子中具有由碳原子連接而成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。碳環(huán)族化合物又可分為兩類： 1、脂環(huán)族化合物 2、芳香族化合物 脂環(huán)族化合物 這類化合物可以看做是由開鏈化合物連接閉合成環(huán)而得。它們的性質(zhì)和脂肪族化合物相似，所以又叫做脂環(huán)族化合物。例如： 芳香族化合物 這類化合物具有由碳原子連接而成的特殊環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使它們具有一些特殊的性質(zhì)。例如： （3） 雜環(huán)族化合物 這類化合物也具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但是這種環(huán)是由碳原子和其他原子如氧、硫、氮等共同組成的。例如： 4.2 按官能團(tuán)分類 在上述每一類化合物中，又可按分子中含有相同的、容易發(fā)生某些特征反應(yīng)的原子（如鹵素原子）、原子團(tuán)如-OH（羥基）、-COOH（羧基）或某些特征化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)等來進(jìn)一步分類。由于這些容易發(fā)生的反應(yīng)體現(xiàn)了分子中這一部分原子、原子團(tuán)或特征結(jié)構(gòu)的