高等有机化学课件

高等有机化学 Advanced Organic Chemistry 课程说明课程说明1.任任 课课 教教 师师 韩韩 莹莹 副教授副教授2.课课 时时 本课程共本课程共36学时学时高等有机化学有机化学有机化学（Organic Chemistry）1.有机化学研究的对象有机化学研究的对象有机化学的研究对象是有机化合物。有机化学的研究对象是有机化合物。研究有机化合物的研究有机化合物的组成、结构、性质、合成、变组成、结构、性质、合成、变化化，以及伴随这些变化所发生的一系列现象。，以及伴随这些变化所发生的一系列现象。高等有机化学2.有机化学发展历程的回顾有机化学发展历程的回顾 (1)利用利用 公元公元770 780年，人们开始利用年，人们开始利用来自动植物体内的物质，例如：烧酒、糖、染来自动植物体内的物质，例如：烧酒、糖、染料和药物。料和药物。(2)提取提取 1773年：尿素年：尿素1773 1785年：年：柠檬酸，乳酸，酒石酸，吗啡柠檬酸，乳酸，酒石酸，吗啡元素测定元素测定生生活力学说活力学说有机化学有机化学 (3)合成合成 19世纪中叶：用无机物氰酸铵世纪中叶：用无机物氰酸铵（NH4CNO）首次合成尿素）首次合成尿素乙酸，油脂乙酸，油脂生生活力学说被否定活力学说被否定 (4)有机化合物的结构有机化合物的结构 一维一维二维二维三维三维 高等有机化学 (5)有机化学的近代发展有机化学的近代发展 借助于近代物理借助于近代物理学的进展，有机化学得到长足的发展，不仅在学的进展，有机化学得到长足的发展，不仅在实验室里分离和提取了一系列天然有机产物，实验室里分离和提取了一系列天然有机产物，而且还合成出一些自然界未曾发现的化合物，而且还合成出一些自然界未曾发现的化合物，并逐步兴起了有机合成化学工业，尤其以染料并逐步兴起了有机合成化学工业，尤其以染料和制药工业最为突出。和制药工业最为突出。20世纪世纪30年代，随着石年代，随着石油等天然资源的开发和利用，世界进入了合成油等天然资源的开发和利用，世界进入了合成高分子材料的新时代。高分子材料的新时代。高等有机化学 目前，随着结构理论和化学反应理论以及目前，随着结构理论和化学反应理论以及计算机、激光、磁共振和重组计算机、激光、磁共振和重组DNA技术等新技技术等新技术的发展，有机化学对分子水平的掌握日益得心术的发展，有机化学对分子水平的掌握日益得心应手，能够按照某种特定需要，在分子水平上设应手，能够按照某种特定需要，在分子水平上设计结构和进行制备，并由此形成了化学发展的一计结构和进行制备，并由此形成了化学发展的一个新方向个新方向分子工程学分子工程学。高等有机化学3.21世纪有机化学的展望世纪有机化学的展望 (1)走出纯化学，进入大科学走出纯化学，进入大科学 当生物化学和当生物化学和药物化学彻底脱离有机化学后，化学家则把兴趣药物化学彻底脱离有机化学后，化学家则把兴趣更多地转向获得结构奇特或昙花一现的分子，较更多地转向获得结构奇特或昙花一现的分子，较少象生物学家那样发挥想象力，探索其有时是捉少象生物学家那样发挥想象力，探索其有时是捉摸不定的功能。随着摸不定的功能。随着20世纪的过去，化学知识和世纪的过去，化学知识和化学生产的普及和发展，数学、物理的进展，一化学生产的普及和发展，数学、物理的进展，一些在此基础上综合发展起来的大科学开始显现出些在此基础上综合发展起来的大科学开始显现出它们重要的地位，而这些大科学的发展，又反过它们重要的地位，而这些大科学的发展，又反过来对化学提出了新的挑战和发展方向。来对化学提出了新的挑战和发展方向。高等有机化学 尤其是与信息时代相关的尤其是与信息时代相关的功能材料功能材料以及当前以及当前可能更受人们重视的可能更受人们重视的生命科学生命科学，都面临着众多的，都面临着众多的化学问题亟待解决，要求化学家更多更积极的参化学问题亟待解决，要求化学家更多更积极的参与。如果说生物学家致力于阐明生命的过程，那与。如果说生物学家致力于阐明生命的过程，那么化学家的使命就是研究如何调控这一过程。么化学家的使命就是研究如何调控这一过程。然而，化学虽然在然而，化学虽然在20世纪有了飞跃的发展，世纪有了飞跃的发展，但面对生命这样复杂的体系，现有的化学知识是但面对生命这样复杂的体系，现有的化学知识是不敷应用的，特别需要新化合物和新结构的提供不敷应用的，特别需要新化合物和新结构的提供以及复杂体系中分子识别本质的知识和实践经验以及复杂体系中分子识别本质的知识和实践经验的积累。的积累。高等有机化学 (2)迎接挑战，发展化学迎接挑战，发展化学 21世纪初，化学世纪初，化学发展的几个重要方面可能为：化学反应动态学发展的几个重要方面可能为：化学反应动态学（如（如1999年诺贝尔奖授予的飞秒化学等）；分年诺贝尔奖授予的飞秒化学等）；分子识别、分子间的弱相互作用和分子聚集体化子识别、分子间的弱相互作用和分子聚集体化学；合成和组装化学等。以合成为例：学；合成和组装化学等。以合成为例：高等有机化学 从科学发展的角度来看，合成化学是化学从科学发展的角度来看，合成化学是化学学科的核心，是未来化学家改造世界、创造社学科的核心，是未来化学家改造世界、创造社会的最有力的手段。创造新的合成反应一直是会的最有力的手段。创造新的合成反应一直是化学界的热点，多年来不少诺贝尔化学奖就是化学界的热点，多年来不少诺贝尔化学奖就是授予了合成化学家。授予了合成化学家。最近最近20年年SCI引用次数最引用次数最多的多的50名化学家中约有名化学家中约有1/3是从事合成化学的。是从事合成化学的。200年来化学家不仅发现和合成了众多天然存年来化学家不仅发现和合成了众多天然存在的化合物，同时也人工创造了大量非天然的在的化合物，同时也人工创造了大量非天然的化合物，化合物，高等有机化学使得人类社会所有的化合物已达使得人类社会所有的化合物已达2230 万个万个（CA1999年年12月月10日收录的化合物数）。其日收录的化合物数）。其增加速度从增加速度从20世纪世纪90年代前每年年代前每年60多万个到今多万个到今天几个月天几个月100万个。万个。随着随着21世纪的到来和社会高科技的迅猛发世纪的到来和社会高科技的迅猛发展，要求合成化学家能够更多地提供新型结构展，要求合成化学家能够更多地提供新型结构和新型功能的化合物，并在此基础上设计和组和新型功能的化合物，并在此基础上设计和组装各种功能的分子聚集体，进而制备高技术传装各种功能的分子聚集体，进而制备高技术传感器、仿生智能材料以及分子电子器件、分子感器、仿生智能材料以及分子电子器件、分子开关等新材料。开关等新材料。高等有机化学 生命科学研究进入到分子水平，需要化学生命科学研究进入到分子水平，需要化学的参与，需要合成研究的参与。材料科学、环的参与，需要合成研究的参与。材料科学、环境、能源乃至信息科学都对化学提出了诸多挑境、能源乃至信息科学都对化学提出了诸多挑战。战。大科学正在召唤着化学。大科学正在召唤着化学。走出纯化学，进走出纯化学，进入大科学，迎接挑战，发展化学，超越前人，入大科学，迎接挑战，发展化学，超越前人，闪耀辉煌。闪耀辉煌。高等有机化学4.有机化学发展前沿和研究热点有机化学发展前沿和研究热点 在有机化学的发展过程中，逐步形成了有在有机化学的发展过程中，逐步形成了有机合成化学、天然有机化学、生物有机化学、机合成化学、天然有机化学、生物有机化学、金属与元素有机化学、物理有机化学以及有机金属与元素有机化学、物理有机化学以及有机物分离分析等领域。这些领域在各自的成长过物分离分析等领域。这些领域在各自的成长过程中相互渗透、相互依靠并相互促进，为有机程中相互渗透、相互依靠并相互促进，为有机化学学科的繁荣发展作出重要的贡献。化学学科的繁荣发展作出重要的贡献。高等有机化学 有机合成的基础是各种各样的基元合成反应，有机合成的基础是各种各样的基元合成反应，发现新的反应或用新的试剂或技术改善提高已有发现新的反应或用新的试剂或技术改善提高已有的反应的效率和选择性是发展有机合成的主要途的反应的效率和选择性是发展有机合成的主要途径。径。高选择性试剂和反应是有机合成化学中最主高选择性试剂和反应是有机合成化学中最主要的研究课题之一，其中包括化学和区域选择控要的研究课题之一，其中包括化学和区域选择控制，立体选择性控制和不对称合成等。制，立体选择性控制和不对称合成等。复杂有机分子的全合成一直是最受关注的领复杂有机分子的全合成一直是最受关注的领域，与生物科学相结合，重视分子的功能则是合域，与生物科学相结合，重视分子的功能则是合成化学家的新热点。成化学家的新热点。高等有机化学 天然有机化学是研究动植物及生物体内源天然有机化学是研究动植物及生物体内源性生理活性物质的有机化学。目的是希望发掘性生理活性物质的有机化学。目的是希望发掘有生理活性的天然化合物，作为发展新药先导有生理活性的天然化合物，作为发展新药先导化合物，或者直接用于临床或为农业生产服务。化合物，或者直接用于临床或为农业生产服务。天然有机化学是植物化学、基础医学、药天然有机化学是植物化学、基础医学、药物化学、农业化学的基础。同时，天然有机化物化学、农业化学的基础。同时，天然有机化学的研究为有机化合物新的分离分析方法，新学的研究为有机化合物新的分离分析方法，新的专一性和立体选择性合成方法和立体化学等的专一性和立体选择性合成方法和立体化学等方面作出了重要贡献。方面作出了重要贡献。高等有机化学 生物有机化学是生物有机化学是20世纪世纪70年代初发展起来的年代初发展起来的一门生物化学和有机化学之间的边缘学科。一方一门生物化学和有机化学之间的边缘学科。一方面，应用有机化学的结构理论、基团相互作用理面，应用有机化学的结构理论、基团相互作用理论、有机化学反应机理和动力学理论，以及应用论、有机化学反应机理和动力学理论，以及应用有机化学研究方法，在分子水平上研究生物分子有机化学研究方法，在分子水平上研究生物分子的化学变化和反应规律。另一方面，通过模拟生的化学变化和反应规律。另一方面，通过模拟生物体系的化学变化，建立有机化学研究新体系（物体系的化学变化，建立有机化学研究新体系（反应机理和有机合成新方法等）。反应机理和有机合成新方法等）。高等有机化学 元素有机化学是当代有机化学研究中最为活元素有机化学是当代有机化学研究中最为活跃的领域之一。有机磷化学、有机氟化学、有机跃的领域之一。有机磷化学、有机氟化学、有机硼化学和有机硅化学是当前元素有机化学中四个硼化学和有机硅化学是当前元素有机化学中四个主要支柱。主要支柱。金属有机化学是近代化学前沿领域之一。金金属有机化学是近代化学前沿领域之一。金属有机化合物的合成、结构和反应性能的研究以属有机化合物的合成、结构和反应性能的研究以及新型基元反应的开发和以有机合成为目标的金及新型基元反应的开发和以有机合成为目标的金属有机化学都是金属有机化学的主要研究内容。属有机化学都是金属有机化学的主要研究内容。高等有机化学 物理有机化学主要是通过现代物理实验方法物理有机化学主要是通过现代物理实验方法与理论计算方法研究有机分子结构及其物理、化与理论计算方法研究有机分子结构及其物理、化学性能之间的关系，阐明有机化学的反应机理。学性能之间的关系，阐明有机化学的反应机理。有机化学反应途径的宏观和微观细节是物理有机化学反应途径的宏观和微观细节是物理有机化学的核心课题之一有机化学的核心课题之一。而生命科学中的物理。而生命科学中的物理有机化学研究，则包括主客体化学中的模拟酶有机化学研究，则包括主客体化学中的模拟酶催化反应，主体分子提供的微环境可控制反应，催化反应，主体分子提供的微环境可控制反应，主体分子对客体分子的识别作用以及疏水亲脂作主体分子对客体分子的识别作用以及疏水亲脂作用等。用等。高等有机化学 有机物的分离和分析是人类认识和改造有机有机物的分离和分析是人类认识和改造有机物质世界的重要手段。在有机化学发展的各个重物质世界的重要手段。在有机化学发展的各个重要历史阶段以及有机化学在与其他学科相互渗透要历史阶段以及有机化学在与其他学科相互渗透的主要界面点上，有机物的分离和分析都起到了的主要界面点上，有机物的分离和分析都起到了关键性的作用。而分离和分析紧密结合是有机分关键性的作用。而分离和分析紧密结合是有机分析的一大特色。析的一大特色。高等有机化学 药物化学、农药化学、有机功能材料、香料药物化学、农药化学、有机功能材料、香料化学、石油化工产品的深度加工和农林牧资源及化学、石油化工产品的深度加工和农林牧资源及工农业废弃物的高值化。新型药物、新农药、有工农业废弃物的高值化。新型药物、新农药、有机功能材料及香料新品种的创制将带动分子设计、机功能材料及香料新品种的创制将带动分子设计、有机合成、立体化学、构效关系等研究水平的提有机合成、立体化学、构效关系等研究水平的提高，而农副产品加工中的废弃物的高值化将会是高，而农副产品加工中的废弃物的高值化将会是有机化学的有发展前景的应用领域。有机化学的有发展前景的应用领域。高等有机化学高等有机化学高等有机化学参考书参考书：1.Advanced Organic Chemistry 4th Edition,Francis A.Carey and Richard J.Sundberg,2001.2.Advanced Organic Chemistry 1th Edition(中译本）中译本）,Francis A.Carey and Richard J.Sundberg,1984.3.物理有机化学物理有机化学(上、下上、下)高振衡编高振衡编,高等教育出版高等教育出版社。社。4.高等有机化学高等有机化学汪秋安编，化学工业出版社。汪秋安编，化学工业出版社。高等有机化学高等有机化学高等有机化学 高等有机化学又名高等有机化学又名物理有机物理有机和和理论有机化学理论有机化学 研究对象研究对象：有机化合物的结构以及有机化合物：有机化合物的结构以及有机化合物在反应过程中结构的变化，研究有机分子的结在反应过程中结构的变化，研究有机分子的结构和反应条件对有机化合物的物理、化学性能构和反应条件对有机化合物的物理、化学性能的影响以及化学反应历程。的影响以及化学反应历程。它的理论基础主要是它的理论基础主要是量子化学量子化学和以此为依据的和以此为依据的化学键理论和电子理论化学键理论和电子理论。高等有机化学高等有机化学高等有机化学 通过对一般典型有机结构的性质及典型反通过对一般典型有机结构的性质及典型反应历程的研究应历程的研究，使有机合成化学家有可能，使有机合成化学家有可能运用这些理性认识来推测未知有机物极其运用这些理性认识来推测未知有机物极其在反应中的内在联系，从而在反应中的内在联系，从而有利于设计具有利于设计具有特殊性能的新化合物，考虑合成中的最有特殊性能的新化合物，考虑合成中的最好原料和最理想的合成路线等。好原料和最理想的合成路线等。高等有机化学学习方法介绍学习方法介绍 有机化学是化学专业四大基础课之一，因此，对有机化学是化学专业四大基础课之一，因此，对化学专业学生的培养，非常注重他们有机化学基化学专业学生的培养，非常注重他们有机化学基础知识的认识水平，促使形成有机化学学科的思础知识的认识水平，促使形成有机化学学科的思维方式。维方式。高等有机化学又是在基础有机化学的基础上，对高等有机化学又是在基础有机化学的基础上，对有机化学反应的认识在理论水平上有更深入的理有机化学反应的认识在理论水平上有更深入的理解，以利于提高我们在实际应用中灵活应用的能解，以利于提高我们在实际应用中灵活应用的能力。但如果我们学习仅仅是死记硬背几个反应式力。但如果我们学习仅仅是死记硬背几个反应式的话，那将在做一件毫无意义的事情，决不是我的话，那将在做一件毫无意义的事情，决不是我们学习高等有机化学的目的。们学习高等有机化学的目的。我们在学习时应采取哪些可行的学习方法呢？我们在学习时应采取哪些可行的学习方法呢？高等有机化学 复习基础有机化学的知识复习基础有机化学的知识 这一点的大家学习好这一点的大家学习好高等有机化学高等有机化学的基的基础。因为础。因为高等有机化学高等有机化学的学习是基础的学习是基础有机化学有机化学的深入、深化，没有基础，我的深入、深化，没有基础，我们是很难在有限的时间里让同学们对某一问们是很难在有限的时间里让同学们对某一问题有更深刻的专业知识理解。要求大家至少题有更深刻的专业知识理解。要求大家至少要粗略地看一遍。要粗略地看一遍。高等有机化学例：有机反应历程（机理）例：有机反应历程（机理）描述某个反应的逐步变化过程，描述某个反应的逐步变化过程，即反应分几步进行（有几个基元反应），每步即反应分几步进行（有几个基元反应），每步反应涉及那些键的断裂、那些键的形成，哪一反应涉及那些键的断裂、那些键的形成，哪一步是决定整个反应速率的反应定速步骤，反应步是决定整个反应速率的反应定速步骤，反应条件在其中起什么作用等一系列细节。条件在其中起什么作用等一系列细节。高等有机化学表示一对电子的转移。表示一对电子的转移。共价键的异裂共价键的异裂 弯箭头从共价键的弯箭头从共价键的中部指向接受电子的原子，该原子得中部指向接受电子的原子，该原子得到一对孤电子对，形成负离子。到一对孤电子对，形成负离子。形成新的共价键形成新的共价键 弯箭头从孤电子弯箭头从孤电子对指向形成共价键的部位，其结果形对指向形成共价键的部位，其结果形成了成了新的共价键。新的共价键。高等有机化学表示单电子的转移。表示单电子的转移。共价键的均裂共价键的均裂 弯箭头从共价键的弯箭头从共价键的中部指向接受电子的原子，该原子中部指向接受电子的原子，该原子得到一个电子，形成得到一个电子，形成自由基。自由基。高等有机化学H ClH+Cl-Cl ClCl +ClH3CCOHOO HOOCH3C+O HH-例如：例如：高等有机化学 一步反应：经过一步反应：经过 过渡态过渡态(transition state)A +BCA B CAB +C 反应物反应物 过渡态过渡态 生成物生成物高等有机化学高等有机化学 两步反应：生成反应的两步反应：生成反应的 活性中间体活性中间体 (reactive intermediate)反应物反应物 中间体中间体 产物产物A +BCD 慢慢高等有机化学高等有机化学 反应物反应物中间体或过渡态中间体或过渡态生成物生成物在共在共价键断裂和形成的同时，碳原子的杂化状价键断裂和形成的同时，碳原子的杂化状态也发生改变。态也发生改变。影响反应的因素：影响反应的因素：形成过渡态所需活化能；形成过渡态所需活化能；反应物反应活性与中间体的稳定性。反应物反应活性与中间体的稳定性。高等有机化学 结构决定性质，性质又为结构的探索和确结构决定性质，性质又为结构的探索和确定提供线索和依据。有机化学的核心问题之一定提供线索和依据。有机化学的核心问题之一就是研究和掌握有机化合物的结构特征及结构就是研究和掌握有机化合物的结构特征及结构与性质的关系。与性质的关系。决定决定反映反映高等有机化学 要敢于花时间和精力要敢于花时间和精力 每一门学科都有自己的专业特点，每一门学科都有自己的专业特点，高等有机化高等有机化学学这门课程专业性强，在整个受化学教育的过这门课程专业性强，在整个受化学教育的过程中，对提高化学水平有举足轻重的作用。程中，对提高化学水平有举足轻重的作用。高等有机化学高等有机化学内容多、理论性强，而在一些内容多、理论性强，而在一些具体的有机化学反应中又综错复杂，加之条件变具体的有机化学反应中又综错复杂，加之条件变化影响，没有过硬的专业理论水平，是很难理解化影响，没有过硬的专业理论水平，是很难理解并正确认识一些具体的有机化学的，因此要敢于并正确认识一些具体的有机化学的，因此要敢于花时间和精力学好花时间和精力学好高等有机化学高等有机化学，让自己的，让自己的化学水平真正上一个台阶。化学水平真正上一个台阶。高等有机化学 学会理解并记忆有机化学理论的知识，并灵活应学会理解并记忆有机化学理论的知识，并灵活应用所学的理论知识。用所学的理论知识。理解记忆在哪一门学科都是重要的，但对学习理解记忆在哪一门学科都是重要的，但对学习高等有机化学高等有机化学特别显得突出。也只有理解记特别显得突出。也只有理解记忆后，才能融会贯通、举一反三。忆后，才能融会贯通、举一反三。举两个例子作简单的说明：举两个例子作简单的说明：（1 1）对马氏规则的认识；）对马氏规则的认识；（2 2）乙醇在不同条件下成醚或成烯。）乙醇在不同条件下成醚或成烯。高等有机化学例：马氏规则：例：马氏规则：卤化氢等极性试剂与不对称烯的离子型加成反卤化氢等极性试剂与不对称烯的离子型加成反应，氢原子加在含氢较多的双键碳原子上，卤应，氢原子加在含氢较多的双键碳原子上，卤素、其它亲核性原子或基团加在含氢较少的双素、其它亲核性原子或基团加在含氢较少的双键碳原子上。这种取向称为马尔科夫尼科夫规键碳原子上。这种取向称为马尔科夫尼科夫规则，简称马氏规则。马氏规则是一种经验规则，则，简称马氏规则。马氏规则是一种经验规则，应在具体的反应中作具体分析。应在具体的反应中作具体分析。该为死记硬背的方法。该为死记硬背的方法。高等有机化学 换一个思路：换一个思路：若我们知道：若我们知道：烯烃亲电加成反应一般分两步进行：烯烃亲电加成反应一般分两步进行：第一步，烯烃接受亲电试剂的进攻生成正离子第一步，烯烃接受亲电试剂的进攻生成正离子中间体；中间体；第二步，正离子与亲核物种结合。第二步，正离子与亲核物种结合。有的反应在第一步生成的正离子为结构特殊的有的反应在第一步生成的正离子为结构特殊的三元环状正离子（鎓离子），如三元环状正离子（鎓离子），如BrBr2 2与烯烃加与烯烃加成生成溴鎓正离子；成生成溴鎓正离子；第二步，第二步，BrBr-从背后进攻，生成反式加成产物。从背后进攻，生成反式加成产物。该两步反应的第一步是决定速度的步骤该两步反应的第一步是决定速度的步骤。高等有机化学 酸与烯烃加成的位置与形成碳正离子的稳定性酸与烯烃加成的位置与形成碳正离子的稳定性有关，（有关，（iiiiii）比（）比（iviv）稳定。）稳定。CH3CHCH2+HXCH3CHCH3XCH3CH2CH2+HXCH2CH3CHXCCCHHHHHHH+(iii)CH3CHCH2H+(iv)高等有机化学l 乙醇的乙醇的成醚或成烯反应实际上涉及到亲核取代成醚或成烯反应实际上涉及到亲核取代反应和消去反应的竞争，高温有利于消去反应。反应和消去反应的竞争，高温有利于消去反应。CH3CH2OHH+CH2CH2OH2H+CH3CH2OHCH3CH2OCH2CH3H+H+-CH3CH2OCH2CH3HSO4-H2O，H+-CH2=CH2例：乙醇在不同条件下成醚或成烯例：乙醇在不同条件下成醚或成烯高等有机化学高等有机化学的研究内容与目的高等有机化学的研究内容与目的高等有机化学是有机化学的核心部分高等有机化学是有机化学的核心部分(core)高等高等有机化学有机化学分子结构的分子结构的基本概念基本概念含碳化合物的含碳化合物的反应性反应性反应过程中的结构变化反应过程中的结构变化反应机理反应机理化合物化合物中间体中间体结构结构揭示反应的本质、内在规律，把有机反应有机地揭示反应的本质、内在规律，把有机反应有机地联系起来。联系起来。高等有机化学结构结构高等有机化学高等有机化学机理机理合成合成