（优质医学）有机化学第一章 绪论

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1、有机化学电子教案有机化学电子教案1 第一章第一章 绪论绪论（Introduction)Introduction)1-1 1-1 有机化学和有机化合物有机化学和有机化合物 有机化学作为一门学科诞生于有机化学作为一门学科诞生于19世纪初。世纪初。 当时化学的研究对象主要是矿物，所以人们将从动当时化学的研究对象主要是矿物，所以人们将从动物或植物中分离得到的一些纯化合物称为有机化合物或植物中分离得到的一些纯化合物称为有机化合物，简称为有机物，其含义是物，简称为有机物，其含义是“有生机之物有生机之物”。当。当时人们认为，在实验室无法合成有机化合物。时人们认为，在实验室无法合成有机化合物。“生命力学说生命

2、力学说” 1806年瑞典化学家年瑞典化学家Berzelius（17791848）首次使用）首次使用“有机化学有机化学”这个名称。这个名称。 19世纪中期人们合成了一些有机化合物，彻底动摇世纪中期人们合成了一些有机化合物，彻底动摇了了“生命力学说生命力学说”。一、有机化合物与有机化学一、有机化合物与有机化学 自从法国化学家自从法国化学家Lavoisier（17431794）和德国化学）和德国化学家家Liebig（18031873）创立和发展了元素分析方法）创立和发展了元素分析方法之后，人们发现有机化合物都含有碳元素，绝大多数之后，人们发现有机化合物都含有碳元素，绝大多数的有机化合物还含有氢元素，

3、有的还含有氮、氧、硫的有机化合物还含有氢元素，有的还含有氮、氧、硫和卤素等元素，因此德国化学家和卤素等元素，因此德国化学家Gmelin（17881853）和和Kekule（18291896）等认为碳是有机化合物的基）等认为碳是有机化合物的基本元素，把碳化合物称为有机化合物，研究碳化合物本元素，把碳化合物称为有机化合物，研究碳化合物的化学称为有机化学。的化学称为有机化学。 后来，德国化学家后来，德国化学家Schorlemmer（18341892）在化）在化学结构学说的基础上提出：有机化合物是碳氢化合物学结构学说的基础上提出：有机化合物是碳氢化合物及其衍生物，相应地有机化学是研究碳氢化合物及其及其

4、衍生物，相应地有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学。衍生物的化学。 现在一般沿用现在一般沿用Gmelin和和Kekule的定义，不过有机化合的定义，不过有机化合物已经不是原来的含义，与无机化学相比，仅仅是分物已经不是原来的含义，与无机化学相比，仅仅是分工不同和研究侧重点不同而已。工不同和研究侧重点不同而已。 有机化学作为一门学科在有机化学作为一门学科在19世纪中叶形成的。最初是世纪中叶形成的。最初是从植物中提炼染料、药物和香料的技术中逐渐发展起从植物中提炼染料、药物和香料的技术中逐渐发展起来的。来的。 18世纪，人们从动物或植物中分离得到一些纯的化合世纪，人们从动物或植物中分离得到一些纯的

5、化合物，如草酸，酒石酸，柠檬酸等，其性质明显与来源物，如草酸，酒石酸，柠檬酸等，其性质明显与来源于矿物的化合物不同，根据其来源称之为于矿物的化合物不同，根据其来源称之为“有机化合有机化合物物”，当时人们认为，在实验室无法合成有机化合物。，当时人们认为，在实验室无法合成有机化合物。二、有机化学的产生与发展二、有机化学的产生与发展 1806年，年，Berzelius（17791848）首次使用）首次使用“有机有机化学化学”这个名称。这个名称。 1828年，德国化学家年，德国化学家Wohler（18001882）加热无）加热无机化合物氰酸铵溶液得到有机化合物尿素。机化合物氰酸铵溶液得到有机化合物尿素

6、。OH2N-C-NH2 NH4OCN 1840年，德国化学家年，德国化学家Kolbe（18181884）合成了）合成了醋酸。醋酸。 1850年，法国化学家年，法国化学家Berthelot（18271907）合成）合成了油脂类物质。了油脂类物质。 1865年，德国化学家年，德国化学家Kekule（18291896） 指出：指出：在有机化合物中碳为四价。他在此基础上发展了有在有机化合物中碳为四价。他在此基础上发展了有机化合物结构学说，结构学说对有机化学的发展起机化合物结构学说，结构学说对有机化学的发展起了很大的推动作用。了很大的推动作用。 1874年，荷兰化学家年，荷兰化学家Vant Hoff（1

7、8521911）和法）和法国化学家国化学家Le Bel（18471930）分别提出：饱和碳原）分别提出：饱和碳原子的四个价指向以碳为中心的四面体的四个顶点，子的四个价指向以碳为中心的四面体的四个顶点，建立了分子的立体概念，说明了旋光异构现象，开建立了分子的立体概念，说明了旋光异构现象，开创了从立体观点来研究有机化合物的立体化学。创了从立体观点来研究有机化合物的立体化学。 1885年，年，Baeyer（18351917）提出张力）提出张力学学说说。 经典结构理论经典结构理论 1900年，年，Grignard发现发现Grignard试剂。试剂。 1917年，美国化学家年，美国化学家Lewis（18

8、751946）用电子对）用电子对来说明化学键的生成。来说明化学键的生成。 20世纪世纪30年代，诱导效应理论，共轭效应理论，共振年代，诱导效应理论，共轭效应理论，共振论的创立。论的创立。 1931年，年，Huckel用量子化学的方法来解决不饱和化合用量子化学的方法来解决不饱和化合物和芳烃的结构问题。物和芳烃的结构问题。 1933年，英国化学家年，英国化学家Ingold等用化学动力学的方法研等用化学动力学的方法研究饱和碳原子上亲核取代反应的机理。究饱和碳原子上亲核取代反应的机理。 1951年，二茂铁的合成及其结构的确证。年，二茂铁的合成及其结构的确证。金属有金属有机化学机化学 1965年，中国人

9、工合成牛胰岛素（蛋白质）。年，中国人工合成牛胰岛素（蛋白质）。 1981年，中国人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸（年，中国人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸（76个核糖核苷）。个核糖核苷）。Penicillin （Benzylpenicillin, commonly known as penicillin G, is the gold standard type of penicillin） is a group of Beta-lactam antibiotics used in the treatment of bacterial infections caused by susceptible

10、, usually Gram-positive, organisms. “Penicillin” is also the informal name of a specific member of the penicillin group Penam Skeleton, which has the molecular formula R-C9H11N2O4S, where R is a variable side chain.OOOOHCH3HH3CHOCH3青蒿素OOOOHCH3HH3CHOCH3CH3蒿甲醚维生素维生素B12Ferrocene is the organometallic c

11、ompound with the formula Fe（C5H5）2 有机化学是一门迅速发展的学科，其分支学科有：天有机化学是一门迅速发展的学科，其分支学科有：天然有机化学，有机合成化学，生物有机化学，金属有然有机化学，有机合成化学，生物有机化学，金属有机化学（元素有机化学），物理有机化学（理论有机机化学（元素有机化学），物理有机化学（理论有机化学），有机分析化学，有机立体化学等。化学），有机分析化学，有机立体化学等。 有机化学自始至终与无机化学并不存在一条鸿沟，相有机化学自始至终与无机化学并不存在一条鸿沟，相反正在逐步融合。目前，在一些大学的课程设置中，反正在逐步融合。目前，在一些大学的课程

12、设置中，开设有普通化学，合成化学，理论化学，金属化学等开设有普通化学，合成化学，理论化学，金属化学等课程。课程。 有机化学的应用也产生了一些学科：石油化学、药物有机化学的应用也产生了一些学科：石油化学、药物化学、农药化学、材料化学、军事化学等。化学、农药化学、材料化学、军事化学等。1. 有机化合物数量庞大。已知的化合物有有机化合物数量庞大。已知的化合物有6000万种，其万种，其中有机化合物占绝大多数，而且还在以每年增加几十中有机化合物占绝大多数，而且还在以每年增加几十万种的速度在增长。而其余九十几种元素组成的典型万种的速度在增长。而其余九十几种元素组成的典型无机化合物不过几十万种。无机化合物不

13、过几十万种。为什么有机化合物数量如此之多呢？有两个原因，一为什么有机化合物数量如此之多呢？有两个原因，一是组成有机化合物的碳原子相互结合能力强，连接方是组成有机化合物的碳原子相互结合能力强，连接方式多样；二是有机化合物普遍存在同分异构现象。式多样；二是有机化合物普遍存在同分异构现象。三、典型有机化合物的特点三、典型有机化合物的特点 截止到截止到2008年年3月月2日日21:41:37，美国，美国化学文摘化学文摘社社已经登录的化合物的数量为已经登录的化合物的数量为34,062,816种，最新化合种，最新化合物登记号码为物登记号码为 1006104-32-0。 截止到截止到2009年年2月月28日

14、日09:54:25，美国，美国化学文摘化学文摘社已经登录的化合物的数量为社已经登录的化合物的数量为43,650,433种，最新化种，最新化合物登记号码为合物登记号码为 1112527-79-3。 截止到截止到2010年年3月月2日日07:42:32，美国，美国化学文摘化学文摘社社已经登录的化合物的数量为已经登录的化合物的数量为52,214,775种，最新化合种，最新化合物登记号码为物登记号码为 1207504-56-0 。 截止到截止到2011年年2月月28日，美国日，美国化学文摘化学文摘社已经登社已经登录的化合物的数量为录的化合物的数量为62,540,475种，最新化合物登记种，最新化合物登

15、记号码为号码为 1264834-96-9 。 截止到截止到2013年年2月月28日，美国日，美国化学文摘化学文摘社已经登社已经登录的化合物的数量为录的化合物的数量为64,390,488种，最新化合物登记种，最新化合物登记号码为号码为1422006-10-7。 截止到截止到2014年年2月月24日，美国日，美国化学文摘化学文摘社已经登社已经登录的化合物的数量为录的化合物的数量为65,299,877种，最新化合物登记种，最新化合物登记号码为号码为1552361-49-5。 截止到截止到2015年年3月月3日，美国日，美国化学文摘化学文摘社已经登社已经登录的化合物的数量为录的化合物的数量为65,98

16、4,120种，最新化合物登记种，最新化合物登记号码为号码为1654059-48-9 。2. 大多数有机化合物易燃烧，最后生成二氧化碳和水大多数有机化合物易燃烧，最后生成二氧化碳和水（常以此区分典型有机化合物和典型无机化合物）。（常以此区分典型有机化合物和典型无机化合物）。例外，比如四氯化碳，不但不燃，而且可以灭火。例外，比如四氯化碳，不但不燃，而且可以灭火。3. 有机化合物大多数难溶于水而易溶于有机溶剂有机化合物大多数难溶于水而易溶于有机溶剂（相（相似相溶原理）似相溶原理）。仅仅有极少数有机化合物能够与水。仅仅有极少数有机化合物能够与水互溶。互溶。 4. 大多数有机化合物熔点较低，超过大多数有

17、机化合物熔点较低，超过300以上很少以上很少（原因：分子晶体）（原因：分子晶体）。大多数有机化合物对热不稳。大多数有机化合物对热不稳定，受热容易分解，其分解温度比较低，超过定，受热容易分解，其分解温度比较低，超过400的很少。的很少。5. 大多数有机化合物发生化学反应的速度比较慢大多数有机化合物发生化学反应的速度比较慢（原（原因：分子反应）因：分子反应）。6. 大多数有机化学反应反应复杂，副反应多。一般把大多数有机化学反应反应复杂，副反应多。一般把主要进行的反应称为主反应，其他反应称为副反应。主要进行的反应称为主反应，其他反应称为副反应。由于有机化学反应复杂，因此在一般情况下书写有由于有机化学

18、反应复杂，因此在一般情况下书写有机化学反应式时采用箭头，反应方程式不用配平，机化学反应式时采用箭头，反应方程式不用配平，只写出主要反应和产物。只写出主要反应和产物。CH4+O2CO2+H2O1-2 有机化学结构理论有机化学结构理论有机化合物的结构决定其性质，从性质可以推知其有机化合物的结构决定其性质，从性质可以推知其结构。因此，有机化合物的结构是有机化学的主要结构。因此，有机化合物的结构是有机化学的主要内容之一。内容之一。有机化合物的结构是指分子的组成，分子中原子的有机化合物的结构是指分子的组成，分子中原子的连接次序和方式，分子的三维排列方式，分子中原连接次序和方式，分子的三维排列方式，分子中

19、原子的相互关系，分子中电子云的分布等。子的相互关系，分子中电子云的分布等。有机结构理论的发展受其他学科的发展的影响。因有机结构理论的发展受其他学科的发展的影响。因此，对待有机结构理论应该持发展的观点。此，对待有机结构理论应该持发展的观点。1. 有机化合物中碳原子总是正四价的。有机化合物中碳原子总是正四价的。2. 碳原子可以自相结合成键。碳原子可以自相结合成键。一、经典结构理论一、经典结构理论3. 表示分子中原子的种类、数目和彼此结合的次序和表示分子中原子的种类、数目和彼此结合的次序和方式的化学式称为方式的化学式称为Kekule结构式（这些结构式现在结构式（这些结构式现在改称为构造式）。改称为构

20、造式）。CHHHHCCHHHHCCCHHHHHH甲烷乙烯环丙烷4. Kekule结构式还解决了一些同分异构问题，例如结构式还解决了一些同分异构问题，例如乙醇与甲醚。乙醇与甲醚。CHCHHOHHHCHOHHCHHHC2H6O乙醇甲醚5. 饱和碳原子具有四面体结构。饱和碳原子具有四面体结构。（这解决了旋光异（这解决了旋光异构问题）构问题）COOHCH3OHHCOOHCH3OHHCCCOOHCOOHCH3H3CHOOHHH-1. Kossel-Lewis化学键理论化学键理论八隅体（八隅体（Octet）概念：原子的外层电子填满时（第）概念：原子的外层电子填满时（第二层为二层为 8个电子）最稳定，个电子

21、）最稳定， 失去或获得电子成离子失去或获得电子成离子离子键；离子键； 与其他原子共享电子与其他原子共享电子共价键。共价键。二、二、Kossel-LewisKossel-Lewis化学键理论化学键理论2. 有机分子的化学键有机分子的化学键共价键共价键碳原子的成键特点：碳原子的成键特点： 中等电负性，最外层有中等电负性，最外层有 4 个个电子，可与其他原子共享电子以满足八隅体（成电子，可与其他原子共享电子以满足八隅体（成共价键）。共价键）。共享一对电子共享一对电子 单键单键共享两对电子共享两对电子 双键双键共享三对电子共享三对电子 三键三键3. 有机分子结构的表示方法有机分子结构的表示方法+C+H

22、HHHHCHHH单单键键+C+HHHHC+HCHCHHCH4H2CCH2双双键键C+HHC+CHCHHCCHLewis 电电子子式式价价键键式式缩缩写写式式甲甲烷烷乙乙烯烯乙乙炔炔叁叁键键三键三键4. 配位键配位键特殊的共价键；特殊的共价键；形成共价键的一对电子由一个原子提供。形成共价键的一对电子由一个原子提供。NHHHH+N:HHH+H+N+HHHH或三、现代共价键理论三、现代共价键理论1. 原子轨道和电子云原子轨道和电子云共价键由成键电子所在原子轨道重叠形成。共价键由成键电子所在原子轨道重叠形成。原子轨道（原子轨道（）：电子在原子核外空间运动状态函数。电子在原子核外空间运动状态函数。电子云

23、（电子云（2） ：电子在核外空间运动出现的几率密度。电子在核外空间运动出现的几率密度。s轨道围绕原子核呈球形对称，轨道围绕原子核呈球形对称，p轨道呈哑铃形。轨道呈哑铃形。原子轨道图中原子轨道图中“+”、“-”表示波函数位相，并不表示波函数位相，并不代表电荷。代表电荷。原子轨道中电子排布遵守原子轨道中电子排布遵守Pauli不相容原理，能量最不相容原理，能量最低原理，低原理，Hund规则。规则。2. 价键法（价键法（VB法）法）1927年，年，Heiter和和London提出处理化学键的量子力提出处理化学键的量子力学方法，后来经过学方法，后来经过Pauling等人进一步完善。等人进一步完善。价键法

24、（价键法（VB法），又称为电子配对法法），又称为电子配对法 。基本要点：基本要点：（1） 形成共价键的两个原子均具有未成对电子，并形成共价键的两个原子均具有未成对电子，并且自旋方向相反；每一对电子形成一个共价键。且自旋方向相反；每一对电子形成一个共价键。（2） 原子价数：原子的未成对电子数。原子价数：原子的未成对电子数。（3） 共价键具有饱和性。共价键具有饱和性。（4） 共价键具有方向性。共价键具有方向性。+1 s1 s分子轨道氢 分 子2 p1 s+2 p1 s+1 s2 p3. 杂化轨道理论杂化轨道理论Pauling于于20世纪世纪30年代提出杂化轨道理论。年代提出杂化轨道理论。基本要点：

25、基本要点： （1） 原子在成键时，可以变成激发态；而且能量原子在成键时，可以变成激发态；而且能量相近的原相近的原 子轨道可以重新组合形成新的原子子轨道可以重新组合形成新的原子轨道，即杂化轨道。轨道，即杂化轨道。 （2） 杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目。数目。 （3） 杂化轨道的方向性更强，成键能力更大。杂化轨道的方向性更强，成键能力更大。4. 分子轨道理论分子轨道理论分子轨道理论：是以分子轨道理论：是以“形成共价键的电子是分布在形成共价键的电子是分布在整个分子之中整个分子之中”的离域观点为出发点的。价键理论：的离域观点为出发点的。价键理论：是以

26、是以“形成共价键的电子只处于形成共价键两原子形成共价键的电子只处于形成共价键两原子之间之间”的定域观点为出发点的。的定域观点为出发点的。分子轨道即分子中价电子的运动状态，可用波函数分子轨道即分子中价电子的运动状态，可用波函数来描述。来描述。 分子轨道理论的基本要点：分子轨道理论的基本要点：（1）分子轨道是由原子轨道通过线性组合而成；）分子轨道是由原子轨道通过线性组合而成； （2）组合前后的轨道数守恒：即有几个原子轨道就可）组合前后的轨道数守恒：即有几个原子轨道就可以组合成几个分子轨道。以组合成几个分子轨道。（3）原子轨道组合成分子轨道遵守最大重叠原则，能）原子轨道组合成分子轨道遵守最大重叠原则

27、，能量近似原则，对称性匹配原则。量近似原则，对称性匹配原则。（4）电子在分子轨道中的排布与原子中电子在核外排）电子在分子轨道中的排布与原子中电子在核外排布类似。布类似。12=12+121=12+2=1212能量成键轨道反键轨道“+”与“ ”表示波的位相节面节面2pZ,A2pZ,A2pZ,B2pZ,B原子轨道原子轨道分子轨道分子轨道zp2反键反键zp2成键成键2pZ,A2pZ,B原子轨道原子轨道分分子子轨轨道道xp2反键反键xp2成键成键四、共价键的属性四、共价键的属性1. 键长键长 分子中两个成键原子核之间的距离。分子中两个成键原子核之间的距离。2. 键角键角在多原子分子中，两个或者两个以上的

28、原子与其他在多原子分子中，两个或者两个以上的原子与其他原子在成键以后，键与键之间的夹角。原子在成键以后，键与键之间的夹角。CHHHH109.5oCCH3CH3HH112o106oOH3CCH3111oCC CC CC CH nm 0.154 0.134 0.120 0.109 3. 键能键能两成键原子在形成共价键的过程中释放的能量或者两成键原子在形成共价键的过程中释放的能量或者共价键断裂形成两个原子的过程中所吸收的能量。共价键断裂形成两个原子的过程中所吸收的能量。键的解离能：分子中某一给定的共价键断裂生成原键的解离能：分子中某一给定的共价键断裂生成原子或者自由基所吸收的能量。（双原子分子：键的

29、子或者自由基所吸收的能量。（双原子分子：键的解离能与键能相同。）解离能与键能相同。）CH4CH3+ H 435CH3CH2+ H 443CH2CH+ H 443CHC+ H 339Ed/kJ mol-1CC C H CN CO CF 347 415 305 360 485 kJ/mol-1CCl CBr CI CC CC 339 285 218 611 837 kJ/mol 4. 键的极性键的极性（1）非极性共价键）非极性共价键 两个相同原子组成的共价键。两个相同原子组成的共价键。（2）极性共价键）极性共价键 两个不相同原子组成的共价键，由于两个原子的电两个不相同原子组成的共价键，由于两个原子

30、的电负性不同，造成成键电子云非对称分布，其电荷用负性不同，造成成键电子云非对称分布，其电荷用+或或-表示。表示。 键的极性大小用偶极距或键距来衡量。键的极性大小用偶极距或键距来衡量。偶极距：用于衡量共价键的极性的大小，是正负电偶极距：用于衡量共价键的极性的大小，是正负电荷中心之间的距离（荷中心之间的距离（d）与正负电荷电量之间的乘）与正负电荷电量之间的乘积。用积。用+表示。表示。HClHCl（3）分子极性）分子极性分子极性为键的极性的向量和。分子极性为键的极性的向量和。（4）分子可极化性）分子可极化性在外界电场作用下，共价键的极性发生变化的程度。在外界电场作用下，共价键的极性发生变化的程度。分

31、子可极化性与成键原子的体积、电负性、共价键种分子可极化性与成键原子的体积、电负性、共价键种类，以及外界电场强度有关。一般地，成键原子的体类，以及外界电场强度有关。一般地，成键原子的体积越大，电负性越小，共价键的可极化性就越大。积越大，电负性越小，共价键的可极化性就越大。1-3 1-3 研究有机化合物的研究有机化合物的一般步骤一般步骤一、分离纯化一、分离纯化 二、元素分析二、元素分析三、实验式和分子式的确定三、实验式和分子式的确定四、结构式的确定四、结构式的确定一、按照官能团分类一、按照官能团分类 在有机化合物中，决定一类化合物的主要物理化学性在有机化合物中，决定一类化合物的主要物理化学性质的原

32、子或原子团称为官能团，又称为功能基。质的原子或原子团称为官能团，又称为功能基。常见的官能团和化合物的类别：常见的官能团和化合物的类别：二、按照分子骨架分类二、按照分子骨架分类 按碳架分类按碳架分类链状化合物链状化合物环状化合物环状化合物（脂肪族化合物）（脂肪族化合物）碳环化合物碳环化合物杂环化合物杂环化合物脂环化合物脂环化合物芳环化合物芳环化合物1-5 1-5 酸碱概念酸碱概念 一、一、 Arrhenius Arrhenius 酸碱理论酸碱理论 在水中能电离出质子的称为酸。在水中能电离出质子的称为酸。 在水中能电离出氢氧负离子的称为碱。在水中能电离出氢氧负离子的称为碱。 酸碱反应：酸碱反应：H+OH-H2O二、二、 BrBrnsted nsted 酸碱理论酸碱理论 酸是质子的给予体。酸是质子的给予体。 碱是质子的接受体。碱是质子的接受体。 酸碱反应：共轭酸碱酸碱反应：共轭酸碱HA+B-HB+A-三、三、 Lewis Lewis 酸碱理论酸碱理论 酸是电子对的接受体。酸是电子对的接受体。 碱是电子对的给予体。碱是电子对的给予体。 酸碱反应：配合物酸碱反应：配合物+A: BA : BThank you very much!69