有机化学教学之一绪论

         第一章 绪 论 教学目的与要求： 1、要求学生明确有机化学的研究对象、内容及意义，了解有机化合物   的研究方法。2、要求学生理解化学键理论并了解轨道杂化理论。3、要求学生了解有机反应的基本类型和有机化合物的分类方法。教学重点、难点： 化学键、杂化理论、反应基本类型。§1.1有机化合物和有机化学 有机化合物：含碳的化合物。确切的说是烃及其衍生物。烃是指仅由碳、氢两种元素组成的化合物。烃衍生物是指碳氢化合物上的氢被其他基团取代了的化合物。有机化学：研究含碳化合物的结构、性质和合成方法的化学。有机化合物的特性： 1、可燃性；2、熔点低；3、难溶于水，易溶于有机溶剂；4、反应速度慢；5、反应产物复杂，常有副反应发生，产率低；6、异构现象普遍存在    分子式相同的不同化合物叫异构体，这种现象叫异构现象，有机化合物中普遍存在着多种异构现象，如构造异构、顺反异构、对映异构、构象异构等。§1.2有机化学的产生和发展    有机化学作为一门科学是在十九世纪产生的。但是，有机化合物在生活和生产中的应用则由来已久。据我国周礼记载，早在周朝就设有专官管理染色、酿酒和制醋工作；周王时代已知用胶；汉朝时代发明造纸等等。虽然人类制造和使用有机物质已有很长的历史，但是对纯粹有机物的认识却是比较近代的事。例如，在17691785年间，人类取得了许多有机酸，如酒石酸、苹果酸、柠檬酸、没食子酸、乳酸、尿酸和草酸等。1773年由尿中离析了尿素，1805年从鸦片中提取了第一个生物碱吗啡。早在十九世纪初，人们曾认为这些化合物是在生物体内生命力的影响下生成的，所以有别于从没有生命的矿物中得到的化合物，因此把前者叫做有机化合物，而后者则称为无机化合物，从此有了有机化合物和有机化学的名称。   1828年，德国化学家韦勒（F.Wohler）在实验室中将无机物（氰酸铵）转变成有机物（尿素），这说明有机化合物可以在实验室中由无机物合成，从而彻底否定了生命力学说，但是由于有机化合物同当时知道的无机化合物在性质和研究方法上都有所不同，因此，有机化学这个名 称仍然保留下来。   在十九世纪初期已经发展了定量测定有机化合物组成的方法，并分析了许多有机化合物，发现其中都含有碳，大多数还含有氢。在十九世纪中期以后，人们开始把有机化合物看作是碳化合物，有机化学看作是研究含碳化合物的化学。   1865年，德国化学家凯库勒（A.kekule）提出，在有机化合物中，碳为四价，在此基础上发展了有机化合物的结构学说，结构学说对有机化学的发展起了很大的推动作用。    1874年，荷兰化学家范特霍夫(J.H.vant Hoff)和法国化学家勒比尔(J.A.Le Bel)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，开创了从立体观点来研究有机化合物的立体化学(stereochemistry)。   1917年，美国化学家路易斯(G.N.Lewis)用电子对来说明化学键的生成。1931年，休克尔(E.Huckel)用量子化学的方法来解决不饱和化合物和芳香烃的结构问题。1933年，英国化学家C.K.Ingold等用化学动力学的方法研究饱和碳原子上亲和取代反应的机理，这些工作对有机化学的进一步发展都起着重要的推动作用。 §1.3有机化学的研究对象、内容及意义 研究对象：烃及其衍生物。研究内容：1、分离、提取天然有机物（天然有机） 2、研究反应历程，控制反应方向（物理有机） 3、合成全新有机物，改善人类生活质量（有机合成）研究有机化学的意义： 1、有机化学和人类生活密切相关人类的衣、食、住、行离不开有机物质。2、有机化学与国民经济各部门密切相关   国防、石油化工、合成材料、医药、农药、染料、香料、日用化学品都依赖于有机化学。3、有机化学与生命科学密切相关   生物体的组成除了水和一些无机盐外，绝大多数都是有机化合物。生物体内的新陈代谢、遗传变异都涉及到有机化合物的转变，生命过程说到底是一个有机化学问题。有机化学与生物学、物理学等学科的密切配合，预计将来在征服疾病、控制遗传、延长寿命等方面起巨大的作用。生命科学与有机化学密切相关，从分子水平研究生命现象，使生命科学的研究及其应用得到了迅速发展，化学的理论、方法在整个生命科学中起着非常重要的作用，21世纪是生命科学光辉灿烂的时代，同样也是有机化学光辉灿烂的时代。 §1.4有机化合物的研究方法 1、提纯   要研究一种化合物，首先必须得到纯净的物质，提纯有机化合物的方法很多，常用的提纯方法有结晶、蒸馏、升华、抽提及层析。2、分析    （1）元素定性分析：确定该化合物由哪几种元素组成。    （2）元素定量分析：确定该化合物中各种元素的含量，推导其结构简式。    （3）结构分析：应用现代物理技术确定化合物的精细结构（核磁共振NMR、红外光谱IR、质谱MS、紫外光谱UV）。 §1.5有机化合物中的化学键共价键 化学键的两种基本类型：离子键和共价键离子键：由原子间电子的转移而形成的化学键。共价键：原子间通过共用电子对形成的化学键。共价键的特性：方向性、饱和性共价键的参数：    （1）键长:分子中两个原子核间的平均距离。一般说来，两个原子 之间所形成的键越短，表示键越强，越牢固。   （2）键角:分子中某一原子与另外两个原子形成的两个共价键在空 间形成的夹角。在不同化合物中由同样原子形成的键角不一定完全相同，这是由于分子中各原子或基团相互影响所致。   （3）键能:使1摩尔双原子分子A-B（气态）离解成原子（气态）所 需吸收的能量。键能可表示化学键牢固的程度，相同类型的键中，键能越大，说明两个原子结合越牢固，即键越稳定。   （4）键的极性:衡量因成键的两原子之间的电负性差异而产生的正 负电荷重心偏离程度的参数。一般说来，成键的电子对在电负性较强的原子周围出现的几率较大。键的极性以偶极矩（µ）表示，其单位为德拜（D），通常用表示其方向，箭头指向的是负电中心。键的极性是决定分子的物理及化学性质的重要因素之一。             §1.6原子轨道和轨道杂化 1、原子轨道 原子轨道：原子中电子的运动状态。原子轨道的杂化：几个原子轨道相互影响而重新组成复杂的原子轨道的现象。杂化轨道：杂化过程中形成的新轨道碳的核外电子排布： 2S2 2P2 2S 2P（1）SP3杂化 分子构型：四面体构型 实例：CH4（2）SP2杂化 分子构型：平面三角形 实例：CH2=CH2（3）SP杂化 分子构型：直线型 实例：HCCH2、分子轨道 分子轨道：分子中电子的运动状态。用波函数表示。 分子轨道同原子轨道一样，在容纳电子时也遵守能量最低原理、泡利(Pauli)原理和洪特(Hund)规则。 波函数只能用近似方法原子轨道线性组合法得到，原子轨道 线性组合法是将   有关原子的原子轨道进行线性组合得到分子轨道。组成分子轨道的原子轨道必须具备以下三个条件：（1）能量应大致相近 （2）对称性相同 （3）能最大限度的重叠。    以氢原子为例：两个氢原子的1S轨道可以组合成两个分子轨道，两个波函数相加得到的分子轨道，其能量低于原子轨道，叫做成键轨道；两个波函数相减得到的分子轨道，其能量高于原子轨道，叫做反键轨道；在基态下，氢分子的两个电子都在成键轨道中。         §1.7有机反应的基本类型    化合物分子之间发生化学反应，必然包含着这些分子中某些化学键的断裂和新的化学键的形成，有机反应中，根据化学键形成方式的不同可以分为三种类型：（1）自由基反应(Free radical reaction)（2）离子反应(Ionic reaction)（3）协同反应(Concerted reaction)。有机化合物绝大多数是共价化合物，以碳与其他非碳原子Y间共价键的断裂为例，共价键的断裂方式有两种：一种叫均裂，也就是一个共价键断裂时，组成该键的一对电子由键合的两个原子各留一个：另一种断裂方式是，成键的一对电子保留在一个原子上，这叫异裂：             断裂的方式决定于分子结构和反应条件。   均裂产生的带单电子的原子或基团叫游离基（或自由基），按均裂方式进行的反应叫游离基反应。一般游离基反应多在高温或光照或过氧化物存在的条件下进行。   异裂反应产生的则是正、负离子，按异裂方式进行的反应叫离子型反应。它一般是在酸或碱的催化下，或在极性介质中，有机分子通过共价键的异裂形成一个离子型的活性中间体而完成。   离子型反应根据反应试剂的类型不同，又可分为亲电反应(electrophilic reaction )和亲核反应(nucleophilic reaction)两类：   亲电反应：反应试剂很需要电子或“亲近”电子，容易与被反应的化合物中能提供电子的部位发生反应，例如：    亲核反应：试剂能提供电子，容易与底物中较电正性的部位发生反应，例如：                   协同反应不同于上述两类反应，在反应过程中不生成游离基或离子型活性中间体，其特点是，反应过程中键的断裂与生成是同时发生的。协同反应往往有一个环状过渡态，不存在中间步骤。 环状过渡态 §1.8有机化合物的分类    有机化合物数量庞大，为了便于学习和研究，对有机化合物进行分类是十分必要的。一般分类方法有两种，一种是按碳架分类，另一种是按官能团分类。1、根据碳的骨架将有机化合物可分为：       A、开链化合物 这类化合物中的碳原子互相接成链状的碳架，由于长链化合物最初在油脂中发现的，所以这类化合物又叫脂肪族化合物。例如：          CH3CH2CH2CH3 CH3CH=CHCH2CH3 CH3CH2CH2CH2OH    B、碳环化合物 这类化合物分子中含有完全由碳原子组成的环，根据环中碳原子的连接方式又可以分为以下两类：         a、脂环化合物 它们性质与脂肪族化合物相似。例如：                  b、芳香族化合物 这类化合物分子中大多含有苯环。它们具有与脂肪族和脂环族不同的性质。例如：                      C、杂环化合物 这类化合物分子中的环除碳原子外，还有其他元素的原子，如氧、氮、硫等。噻吩 吡啶 四氢呋喃2、按官能团分类：   有机化合物中，含有相同官能团的化合物化学性质相似，因此，通常将含有相同官能团的化合物归为一类。几种重要的化合物及其所含官能团参见教材。10 / 10文档可自由编辑打印