温州大学有机化学课件第一章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 绪论,1,第一节 有机化合物和有机化学,一、有机化合物的定义与特征,1,、定义,1806,年：,瑞典,伯齐利乌斯（,J.Berzeliuus,）,有机化学是植物物质及动物物质的化学,或是在,生命力,影响下所制成的物质的化学,.,2,第一节、有机化合物和有机化学,第一章 绪 论,第二节、有机化合物的结构理论,第三节、有机化学中的诱导效应,第四节、研究有机化合物的一般步骤,第五节、有机化合物的分类,3,德,盖墨林（,L.Gmelin)1848,年,德,凯库勒（,Kekl,):,有机化合物就是碳的化合物，有机化学就是研究碳化合物的化学。,德,肖莱马（,K.Schorlemmer,）,:,有机化合物是碳氢化合物及其衍生物，有机化学就是研究碳氢化合物及其衍生物的化学。,以上两定义通用，但后者在国内更流行。,4,2,、有机化合物的特征,组成上的特征：,1,、所含元素种类少。,所有的有机化合物都,含有碳，绝大部分含有氢，此外常见的元素,是,O,、,N,、,S,、,P,、,X,。,2,、,数目众多。,以传统的观点来看，有机化,合物占化合物总数的,95%,左右。,5,3,、分子组成复杂,VB,12,:,C,63,H,90,N,14,O,14,PCo,它含有,9,个,C,*,，具有,512,个立体异构体。,6,性质上的特征：,2,、热稳定性差。,1,、容易燃烧。,3,、难溶于水，易溶于有机溶剂。,4,、反应速度慢，副反应多。,7,有机化合物与无机化合物在组成和性质上差别的根本原因在于：,有机化合物结构的基石,共价键：碳原子的四价。,8,二、有机化学,一,),、建立时期（,18,世纪末 ,19,世纪中叶）,这一时期的特点是：,1,、主要工作是从天然物中提取纯的有机化合物。积累实验资料。,2,、建立分析方法。分析纯有机化合物的化学组成。,这一,时期，工作最显著的当属瑞典的一位药剂师舍勒（,S.W.Scheele,),9,瑞典药剂师舍勒（,C.W.Scheele,),1770,年： 酿酒副产物 酒石酸。,1776,年：植物汁液 草酸。,1780,年：酸牛奶 乳酸。,1784,年：柠檬 柠檬酸。,1785,年：苹果 苹果酸。,1780,年：人尿 尿素。,1783,年：橄榄油 甘油。,1786,年：五味子 没食子酸。,10,这个时期其他化学家的主要工作：,1773,年：牛和骆驼尿 马尿酸。,1805,年：鸦片 吗啡。,1815,年：动物脂肪 胆固醇。,1820,年之后相继得到：,金鸡呐碱、番木鳖碱,辛可宁碱等。,11,分析方法的建立：,1781,年：,法,拉瓦锡（,Lavoisier,),利用燃烧法分析了大量的有机化合物，发现植物物质主要由,C,、,H,、,O,三种元素组成；动物物质则主要,C,、,H,、,O,、,N,四种元素组成。拉瓦锡被称之为有机定性分析的奠基人。,1811,年：,意大利,阿佛加德罗（,Avagardro,),发明了分子量测定法。,1811,年：,法,盖,.,吕萨克（,Gay,_,Lussaac,),改进了拉瓦锡的分析方法，使得化合物中,C,、,H,、,O,的含量可进行定量测定。,12,1814,年：,瑞典,伯齐利乌斯（,Berzelius,),对有机分析方法又进行了改进补充相继创,立了,C.H.O,的定量分析法。,(,有机定量分析,的奠基人）,1830,年：,法,杜马（,J.B.Dumas),创立了,N,的测定法。,1831,年：,德,李比希（,J.Libig,),集前人之大成，建立了完善的有机分析方,法，对有机化合物中的元素分析可以得到,精确的结果。他建立的分析方法，至今人,们仍在沿袭使用。,到,19,世纪中叶，随着实验资料的积累、分析方法的建立，使有机化学形成了自己的体系，成为了一门科学。,13,有机合成的发展与 “生命力”论（,Vital Power),的,破产,“,有机物是生命过程的产物，所以有机物只能在细胞中受一种奇妙的生命力的作用才能产生。生命力是活细胞所固有的，人工无法创造生命力，也就无法用化学的方法制造有机物。生命力是什麽呢？神秘，不可捉摸。”, 伯齐利乌斯（,Berzelius,）,14,“,我应当告诉您，我制出了尿素，而且不求助于肾或动物无论人或犬。 ”,1828,年：,德,维 勒（,W,hler,）,在加热氰酸铵时得到了尿素，他怀着兴奋的心情将这件事告诉了他老师“生命力论”的代表人物,Berzelius,：,“尿素的合成是特别值得注意的事实，因为它提供了一个从无机物人工制成有机物并确实是动物体上的实物的例证。”,_,1828,年,Whler,15,1845,年：柯尔贝,(Kolbe),完全以无机,物为原料合成了醋酸。,1854,年：柏赛罗,(,Berthelot,),合成了油脂。,人们又合成了酒石酸、柠檬酸、琥珀酸、苹,果酸,等。,在一连串铁的实事面前，,“生命力”,论就象一艘触礁的破船，被淹没在有机合成的浪滔之中。开辟了有机合成的新纪元。,16,二）发展时期（,19,世纪中, 20,世纪三十年代）,这,一,时期的特点是：化学家们开始对有机化合物进行理论上的研究，建立经典的结构理论。具有代表性的工作如下：,1857,年：,德,凯库勒（,A .,KeKl,）,英,库 伯（,Couper,),提出碳原子的四价以及碳原子之间,可以相互成键的概念,。,1861,年：,俄,布特列洛夫提出化学结构,的概念。,1865,年：凯库勒提出了苯的结构。,17,1916,年：,德,W .,Kossel,英,路易斯（,Lewis,）,分别提出离子键和共价键理论。,1874,年：,荷兰,范,.,特荷夫（,Van,，,Hoff,）,法,勒,.,贝尔（,Le,Bel,）,提出碳原子正四面体的学说。,经典结构理论的建立被认为是有机化学的发展时期,18,三）近代有机化学,近代有机化学是指,1926,年以后，经典的结构理论与量子力学相结合，以及各种先进的物理方法手段引入之后发展起来的有机化学。,过去的有机化学被认为是：,实验现象的记录，实验经验的积累的所谓“经验 技巧”的一门艺术。,现在的有机化学已经成为：,构思巧妙、逻辑严密、理论严格，比较成熟的近代科学了。,特点：理论比较严格，手段比较先进。,19,近代有机化学的特征：,1,、物理手段的引入使研究方法现代化。,2,、新的合成方法不断涌现，新的化合物大量产生。,3,、深入研究反应机理，从微观上对有机反应作深入,了解。,有机化学已经进入：,从宏观到微观、从静态到动态、,从定性到定量、从体相到表相、,从平衡态到非平衡态的研究领域。,20,有机化学的两个前沿阵地：,1,、有机化学与生物化学相结合，,从分子水平来研究生物学问题。,2,、有机化学与现代物理学相结合,使研究方法现代化。,21,近代有机化学可归纳为四个新来描述：,1,、新的有机化合物和新的有机反应层出不穷。,1900,年：,15,万 年增加量,1945,年：,110,万 （,2.1,万）,1961,年：,175,（,4,万）,1972,年：,400,万 （,20,万）,1984,年：近,800,万 （,33,万）,1990,年：,1057.6,万 （,42,万）,上世纪最后一天据 美国,CA,统计,:2343,万（,128,万,/,年增）,22,近代有机化学中的部分重要合成：,1972,年：,美,哈佛大学教授伍德（,Woodward),合成,VB,12,.,1965,年：我国化学家合成了具有生物活性的结晶,牛胰岛素。是我国化学家在探索生命奥,秘的征途上所攀登上的第一座高峰。,23,1970,年：美国化学家合成了由,188,个氨基,酸组成的 人生长激素。,1981,年：我国科学家又合成了生命遗传物,质,:,酵丙氨氨酸转移核糖核酸。,1984,年：发现足球烯,C,60,.,现在合成了,C,76,、,C,78,、,C,84,、,C,90,、,C,94,等,.,将可,用作高级润滑剂,.,24,2,、新理论、新概念日新月异。,1965,年：,美,Woodward,Hoffmann,提出,“分子轨道对称守恒原理”。,1963,年：,美, Pearson,提出软硬酸碱理论。,二十世纪,80,年代初：,美,赫尔顿（,Herndon,）提出“结构共振论，使,得鲍林的共振论得以定量化。,25,近几十年来，有机化学理论的研究主要集中在对反应活性中间体和过渡态结构的阐明上，发现的新活性中间体有,双自由基、阴离子自由基、非经典碳阳离子、叶立德、卡宾、乃春、苯炔,等。,26,3,、新方法新技术不断发展,在合成方法上除了传统的化学合成方法外，这些年来发展了多种新的合成方法：光合成、电合成、超声波合成、微波合成等新方法。,利用计算机设计合成路线也已得到了初步,的应用。,27,4,、新的实验测试手段日益更新,有机化学中最常用的测定手段：,NMR,、,IR,、,UV,、,MS.,此外顺磁共振、激光拉曼,光谱、,X,射线衍射、中子衍射、电子自旋,光谱、高倍电子显微镜等。,美,化学家曾用扫描隧道显微镜得到清,晰的苯环的影像，证实了,1865,年人们提出,的苯环的正六边形的构想。,28,三、有机化学的任务与作用,任务：发现和研究自然界存在的化合物,了解,其结构和性能,总结规律,合成与天然,化合物结构完全相同或类似但性能更好,的化合物。,作用：为我们建立一个更加丰富的物质世界,来,丰富、美化我们的生活。,29,“自从,Berthelot,指出有机合成这条道路之后，,有机化学实质上是在老的自然界旁又放置了,一个新的自然界。”, Woodward,有机合成的威力,:,十九,世纪后叶,(1850,_,1900,年）发展起来的煤焦油化学给我们带来了 一个五彩缤纷的世界,.,二十世纪四十年代以后，在石油化工的基础,上兴起的高分子合成,使我们感觉到：有机合,成确实是给我们建立了一个“新的自然界”,.,30,1,、全球变暖,2,、臭氧层破坏,3,、生物多样性减少,4,、酸雨蔓延,5,、森林锐减,6,、土地荒漠化,7,、大气污染,8,、水体污染,9,、海洋污染,10,、固体废物污染,四、环境污染的治理与绿色化学,二十世纪十大环境危机,31,“绿色化学”,这一理念,1991,年由美国化学会（,ACS,）提出，很快成为美国环境保护局的中心口号，现在已成为所有化学工作者的中心口号。,治理污染：浪费资源、浪费能源；,综合利用：类似鸡肋，食之无味，弃之不,能。二者均是被动的无奈。,32,绿色化学的核心是,:,利用化学原理从源头上消,除污染；,绿色化学的主要特点是,:,原子经济,。,绿色化学着眼于防止污染物的形成，聚焦于最终使污染物的处理成为不必要。鼓励化学工作者去,研究新的技术和方法,，以避免产生和使用有害物质。使污染消灭在生产的源头，使整个生产工艺与合成过程对环境友好，是一种从根本上消灭污染的理念和对策。,33,关于原子经济,:,34,第二节 有机化合物的结构理论,1,、,1857,年,KeKl,Couper,提出的基本原则：,一、经典的结构理论,、碳原子之间可以成键：碳原子之间可以,单键、双键或三键相连。他们可以连成,链状，也可以连成环状。,、碳原子的四价：无论在简单还是复杂的,化合物里碳原子总是保持四价。,35,2,、布特列洛夫的化学结构的概念,1861,年,分子中的原子按照一定的规律相互连接，,它们是相互影响的，而不是独立存在的。化,合物分子的性质不仅取决与组成它的原子的,种类、性质、数量，而且还取决于彼此之间,的关系。由于组成、数量和彼此关系不同，,而引起了性质上的差异。因此，,可以根据化,合物的性质去推测化合物的结构，也可以从,化合物的结构去预测化合物的性质。,36,3,、,1874,年：碳原子的正四面体学说,荷兰,范特霍夫,Van,，,t Hoff,法,勒贝尔,Le,Bel,思路：分子若是平面的，那么二氯乙烷应该有两,种异构体但实际上二氯乙烷并没有异构体,存在，说明分子并不是平面的，而是在空,间有着一定的构型的。,37,二、有机化学的电子理论,1916,年：在物理学电子理论的基础上，,英,Lewis,和,德,Kossel,分别提出了八隅体学说。,Kossel,：通过得失电子达到八隅体的稳定结构，,形成的键叫离子键。是无机化合物的,结构特征。,Lewis,：,通过共用电子对达到八隅体的稳定结,构，形成的键叫共价键。是有机化合,物结构的特征。,38,三、现代价键理论,指上世纪三十年代量子力学引入化学之后，,发展起来的结构理论。,现代价键理论成功地解决了下列问题：,1,、分子的稳定性与共价键的本质。,2,、共价键的饱和性。,3,、分子的几何形状与共价键的方向性的关系。,4,、化学键与分子的理化性质的关系。,39,一,、原子轨道,描述核外电子运动状态的四个量子数：,1,、主量子数：轨道的能量。,2,、角量子数：轨道的形状。,3,、磁量子数：轨道在空间的取向。,4,、自旋量子数：决定着电子在空间的自,旋方向。,40,二,共价键的形成,1,、价键法（,Valence Bond,）：,共价键的形成可以看做是原子轨道的重叠或电子的配对。着眼于成键的两原子成键电子仅限于成键的两原子之间运动，是一种局部的观点。,2,、分子轨道法：,分子轨道看做是由原子轨道的线性组合有多少个原子轨道就可以组合成多少个分子轨道。着眼于整个分子。认为每一个成键电子都属于整个分子体系，都是在整个分子体系中运动。是属于全局的观点。,41,原子轨道重叠相加形成成键分子轨道，重叠相减形成反键分子轨道：,1,= c,1,1,+ c,2,2,2,= c,1,1,c,2,2,：,分子轨道函数。,：原子,轨道函数。,c,：系数，波的振幅。有大小及正负之分。,可反映原子轨道在形成分子轨道时贡献,的大小。,42,原子轨道重叠相加形成成键分子轨道,2,表示电子云的密度，在成键轨道中，电子云主要分布在两核之间。,43,原子轨道重叠相减形成反键轨道,2,表示电子云的密度，在反键轨道中，电子云主要分布在两核的外侧，两核间有一节面。,44,原子轨道组合成分子轨道的三个条件 （成,键三,原则）,1,、对称匹配：,即参与成键的原子轨道的位相相同才能成,键，位相不同时不能成键。这一条件是能,否成键的决定因素。,2,、能量相近：决定成键的效率,3,、最大重叠：,决定着成键的效率和共价键的方向性。,45,原子轨道形成分子轨道示意图,46,三 、关于共价键的键参数：,1,、键长：以共价键相连的两个原子之间的平衡,距离。,2,、键角：由同一个原子上所形成的两个共价键,之间的夹角。常以此来判断分子在空,间的几何构型。,47,4.,共价键的极性,3.,键能,当,A,和,B,两个原子,(,气态,),结合生成,A-B,分子,(,气态,),时，放出的能量叫,A-B,键的离解能，通常也叫键能。单位：,KJ/mol,对于多原子分子而言，键能不能等同离解能，键能的数值是一个平均值（如,C-H,的,键能，,CH,4,),。,键能愈大,键愈稳定,。,极性键与非极性键,相同元素的原子间形成的共价键没有极性（,非极性键,）。不同元素的原子间形成的共价键，由于共用电子对偏向于电负性较强的元素的原子而具有极性（,极性键,）。,48,键的极性用偶极矩,来表示，单位为德拜,(D).,偶极矩是一个向量，通常用如下方式表示，箭头指向负电中心。,49,偶极矩越,大，键的极性越强。,键的极性是决定分子的物理及化学性质的重要因素之一。,双原子分子：键的偶极矩就是分子的偶极矩,例如：,U=1.03 D,多原子分子：分子的偶极矩是各键的偶极矩的向量和，决定于分子的形状。,U=0 D,50,第三节 诱导效应,1,、定义：由于分子中的原子或基团的电负性不,同，而使得分子中的成键电子沿碳链,向一个方向偏移的现象叫诱导效应。,2,、标准：,Y,：具有给电子诱导效应,(+I,）,X,：具有吸电子诱导效应（,-I,）,51,3,、强度；诱导效应的基础是原子或基团的电,负性，判断其强弱以电负性为依据,来判断。在有机化学中请注意下列,两组基团的诱导效应及其强度：,碳原子的,杂化轨道中,S,成分越多其吸电子诱导效应就越强：,烷基连接在不饱和碳上时，具有给电子诱导效应,，其强度如下：,52,第四节 研究有机化合物的一般步骤,1,、分离提纯,2,、检验纯度,3,、确定化合物的实验式和分子式 注意：,、当计算得到的原子个数为小数时，要把它,转化成整数。,、化合物分子中氧的含量由减重法求出。,4,、确定结构式,利用波谱数据结合理化性质确定化合物的结构。,53,第五节,有机化合物的分类,一、按分子骨架分类：,1,、开链化合物,2,、碳环化合物 ：,、脂环化合物,、芳香化合物,3,、杂环化合物,二、按官能团分类,烷（分子中无官能团）、烯、炔、卤代烃、,醇、酚、醚、醛、酮、羧酸,。,54,