有机化学Cp01绪论

杨杨 高高 升升有有 机机 化化 学学Organic Chemistry2013 年年 2 月月( (化学与材料科学学院化学与材料科学学院 有机化学教研室有机化学教研室) )13955391536生化楼生化楼 前楼前楼 502 室室Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 3632-3641无机化学无机化学 分析化学分析化学 物理化学物理化学 第第 一一 学期学期（ 54 学时）学时）第一章第一章 绪论绪论 （2 课时）课时）第二章第二章 烷烃烷烃 （5 课时）课时）第三章第三章 单烯烃单烯烃 （6 课时）课时）第四章第四章 炔烃和二烯烃炔烃和二烯烃（5 课时）课时）第五章第五章 脂环烃脂环烃 （2 课时）课时）第六章第六章 对映异构对映异构 （6 课时）课时）第七章第七章 芳烃芳烃 （7 课时）课时）第八章第八章 现代物理实验现代物理实验 方法在有机化方法在有机化 学中的应用学中的应用 （6 课时）课时）第九章第九章 卤代烃卤代烃 （9 课时）课时）第十章第十章 醇、酚、醚醇、酚、醚 （6 课时）课时）第第 二二 学期学期（ 48 学时）学时）第十一章第十一章 醛和酮醛和酮 （11 课时）课时）第十二章第十二章 羧酸羧酸 （4 课时）课时）第十三章第十三章 羧酸衍生物羧酸衍生物 （8 课时）课时）第十四章第十四章 含氮有机含氮有机 化合物化合物 （10 课时）课时）第十五章第十五章 周环反应周环反应 （4 课时）课时）第十六章第十六章 杂环化合物杂环化合物 （5 课时）课时）第十七章第十七章 碳水化合物碳水化合物 （4 课时）课时）第十八章第十八章 蛋白质和蛋白质和 核酸核酸 （1 课时）课时）第十九章第十九章 萜类和萜类和 甾族化合物甾族化合物 （1 课时）课时）课时安排课时安排教学形式：教学形式：讲授、多媒体、课堂讨论讲授、多媒体、课堂讨论教教 室：室：生化楼生化楼 2034，田楼田楼 8101 (3月月11, 25; 4月月8, 22)课课 表：表：星期一星期一 1, 2 两节两节 (双周双周)；星期三；星期三 3, 4 两节两节考考 试：试：闭卷（教考分离，非任课教师命题）闭卷（教考分离，非任课教师命题） 成绩计算：成绩计算：平时平时 25 %（考勤（考勤 10 %、课堂练习及作业、课堂练习及作业 15 %） 期中考试期中考试 15 %（4月月20日日 期中考试）期中考试） 期终考试期终考试 60 % 二月二月三三 月月四四 月月五五 月月六六 月月星期一星期一开学开学 4 11182518152229132710星期三星期三276 1320273101724劳劳81522295端端19辅辅 导：导：生化楼生化楼 前楼前楼 502 室室一、有机化学一、有机化学研究研究有机化合物有机化合物的化学的化学1 有机化学有机化学 (Organic Chemistry)二、有机化合物（有机物）二、有机化合物（有机物） Organic Compounds第一章第一章 绪绪 论论Chapter 1 Introduction1820 年：年：1769 年：年：1773 年：年：1780 年：年：1805 年：年：奎宁奎宁吗啡吗啡乳酸乳酸尿素尿素酒石酸酒石酸葡萄汁葡萄汁尿液尿液酸牛奶酸牛奶鸦片鸦片金鸡纳树金鸡纳树p 1806年年，J. Berzelius (柏则里柏则里)，“生命力生命力” 学说学说来源：来源：从生物体中从生物体中分离分离出来，只能由生物体内出来，只能由生物体内 的生命力制造出来的生命力制造出来有有生生机机之之物物1、定义、定义分离分离p 1848年年，L. Gmelin（葛美林）定义（葛美林）定义有机物有机物碳碳的化合物的化合物F. WhlerA. LavoisierJ. Ligbig元素组成：元素组成：所有有机化合物都含有所有有机化合物都含有碳碳元素分析方法元素分析方法CONH2H2NNH4OCN加热加热有机物的第一次有机物的第一次人工合成人工合成有机物有机物碳氢化合物及其衍生物碳氢化合物及其衍生物p 1874年年，C. Schorlemmer（肖莱马）定义（肖莱马）定义经典有机结构学说经典有机结构学说 1857年，年，A. Kekl（凯库勒）（凯库勒）, A. Couper（库柏）（库柏） 碳原子是四价的碳原子是四价的 碳原子能够相互结合成链或环碳原子能够相互结合成链或环 经典有机结构理论的核心经典有机结构理论的核心 1874年，年，J. H. Vant Hoff（范特霍夫）（范特霍夫） J. A. LeBel（勒贝尔）（勒贝尔） 碳的四面体构型学说碳的四面体构型学说J. H. van t Hoff CC现代有机结构理论现代有机结构理论1917年，年，G. N. Lewis（路易斯）（路易斯） 经典的价键理论经典的价键理论1927年，年，W. Heitler（海特勒）（海特勒） F. London（伦敦）（伦敦） 现代价键理论现代价键理论1931年，年，L. C. Pauling（鲍林）鲍林） 杂化轨道理论杂化轨道理论1932年，年，R. S. Mulliken（密立根）密立根） F. Hund（洪特）洪特） 分子轨道理论分子轨道理论L. C. Pauling有机化合物有机化合物碳氢化合物及其衍生物碳氢化合物及其衍生物碳的化合物碳的化合物2、特点（相对于无机化合物而言）、特点（相对于无机化合物而言）1）分子组成复杂，数量庞大（）分子组成复杂，数量庞大（2000万以上）万以上） 组成有机分子的原子数目多组成有机分子的原子数目多 同分异构现象普遍同分异构现象普遍VB12： C63H90N14O14PCo2）容易燃烧）容易燃烧 () (+) H2与与Na反应反应部分溶于水部分溶于水-23C2H6O甲甲醚醚与水混溶与水混溶78.2C2H6O乙乙醇醇结构式结构式溶解性溶解性沸点沸点分子式分子式CHCHO HHHHCHHHO CHHH3）熔点、沸点低）熔点、沸点低4）一般难溶于水）一般难溶于水5）反应速度比较慢）反应速度比较慢6）反应复杂，副反应多）反应复杂，副反应多书写有机化学反应方程式的要求书写有机化学反应方程式的要求 反应物与产物之间要用箭头（反应物与产物之间要用箭头（），而不用），而不用 等号（等号（=） 一般只写出主要反应及其有机产物（无机产一般只写出主要反应及其有机产物（无机产 物可以不写）物可以不写） 在箭头之上要注明必需的反应条件，如催化在箭头之上要注明必需的反应条件，如催化 剂，温度、压力等剂，温度、压力等 一般不要求配平，但在计算理论产量以及书一般不要求配平，但在计算理论产量以及书 写热化学反应方程式时需要配平写热化学反应方程式时需要配平CH3COOH + CH3CH2OHCH3COOCH2CH3+ H2O三、有机化学的研究内容三、有机化学的研究内容有机化合物的有机化合物的 组成组成、结构结构、性质性质、合成合成 和和 反应及其历程反应及其历程 等等四、有机化学的重要性四、有机化学的重要性1、促进有机化学工业的发展，提供更多、更好、促进有机化学工业的发展，提供更多、更好 的化工产品，造福人类的化工产品，造福人类2、促进其他学科的发展，尤其是生物学和医学、促进其他学科的发展，尤其是生物学和医学 的发展。建立了生物化学、分子生物学等的发展。建立了生物化学、分子生物学等3、对环境的影响、对环境的影响 4、有机化学是化学各专业的一门重要的基础课，、有机化学是化学各专业的一门重要的基础课， 有机化学的基础知识和实验技能对各专业都有机化学的基础知识和实验技能对各专业都 是必需的是必需的NCH3OHHONHH奎奎 宁宁（存在于金鸡钠皮中，抗疟药物）（存在于金鸡钠皮中，抗疟药物）l 1908 年年 Rabe，测定了结构，测定了结构l 1944 年年 Woodward 完成全合成完成全合成l 2001 年年 Stork 完成立体选择性完成立体选择性 全合成全合成NClNHCH(CH2)3N(C2H5)2CH3NCH3ONHCH(CH2)3N(C2H5)2CH3NCH3ONH(CH2)5NHCH(CH3)2扑疟喹啉扑疟喹啉戊喹啉戊喹啉氯喹氯喹合成抗疟药物合成抗疟药物ETFE 膜：膜：乙烯乙烯-四氟乙烯共聚物四氟乙烯共聚物 五、有机化学的发展五、有机化学的发展年份年份获获 得得 者者 国籍国籍主主 要要 贡贡 献献1902 E.费歇尔费歇尔 (Emil Fischer)德国德国 研究研究糖糖和嘌呤衍生物的合成和嘌呤衍生物的合成1905 拜尔拜尔 (Adolf von Baeyer)德国德国 研究有机染料和芳香族化合物研究有机染料和芳香族化合物1910 瓦拉赫瓦拉赫 (Otto Wallach)德国德国 研究脂环族化合物研究脂环族化合物1912 格林尼亚格林尼亚 (Victor Grignard)萨巴蒂埃萨巴蒂埃 (Paul Sabatier)法国法国 有机镁试剂的制备及应用有机镁试剂的制备及应用金属催化氢化金属催化氢化1915 威尔斯泰特威尔斯泰特 (Richard Willsttter) 德国德国 研究植物色素研究植物色素, 特别是叶绿素特别是叶绿素1928 文道斯文道斯 (Adolf Windaus)德国德国 研究胆固醇的组成及其与维生研究胆固醇的组成及其与维生素的关系素的关系与有机化学有关的诺贝尔化学奖获奖名录与有机化学有关的诺贝尔化学奖获奖名录年份年份获获 得得 者者 国籍国籍主主 要要 贡贡 献献1939 布特南德布特南德 (Adolf Butenandt)卢齐卡卢齐卡 (Leopold Ruzicka)德国德国瑞士瑞士研究萜类化合物研究萜类化合物1947 鲁滨逊鲁滨逊 (Robert Robinson)英国英国研究生物碱和其他天然产物研究生物碱和其他天然产物1950 迪尔斯迪尔斯 (Otto Diels)阿尔德阿尔德 (Kurt Alder)英国英国瑞士瑞士发现发现双烯合成双烯合成1955 杜杜维尼奥维尼奥 (Vincent du Vigneaud) 美国美国研究多肽和激素的合成研究多肽和激素的合成1963 齐格勒齐格勒 (Kaul Ziegler)纳塔纳塔 (Giulio Natta)德国德国意大利意大利研究研究乙烯和丙烯的催化聚合乙烯和丙烯的催化聚合反应反应1965 武德沃德武德沃德 (R. B. Woodward)美国美国发展发展有机合成有机合成艺术的杰出成艺术的杰出成就就1969 巴顿巴顿 (Derek H. R. Barton)哈塞尔哈塞尔 (Odd Hassel)英国英国挪威挪威研究有机化合物的三维构象研究有机化合物的三维构象及构象分析及构象分析1975 普雷洛格普雷洛格 (Vladimir Prelog)康福思康福思 (J. W. Cornforth)瑞士瑞士英国英国有机分子与有机分子与反应的立体化学反应的立体化学反应（酶催化）的立体化学反应（酶催化）的立体化学年份年份获获 得得 者者 国籍国籍主主 要要 贡贡 献献1981 霍夫曼霍夫曼 (Ronald Hoffmann)福井谦一福井谦一 (Kenichi Fukui)美国美国日本日本提出提出分子轨道对称守恒原理分子轨道对称守恒原理1984 梅里菲尔德梅里菲尔德 (R. B. Merrifield)美国美国创立创立多肽固相合成多肽固相合成法法1987 克拉姆克拉姆 (Donald J. Cram)莱恩莱恩 (Jaen-Marie Lehn)佩德森佩德森 (Charles J. Pedersen)美国美国法国法国美国美国研究冠醚研究冠醚研究主客体化学研究主客体化学研究超分子化学研究超分子化学1990 科瑞科瑞 (Elias J. Corey)美国美国发展发展有机合成的理论和方法学有机合成的理论和方法学1994 欧拉欧拉 (George . Olah)美国美国研究碳正离子化学研究碳正离子化学1996 柯尔柯尔 (R. F. Curl, Jr.)克罗托克罗托 (H. W. Kroto)斯莫利斯莫利 (R. E. Smalley)美国美国英国英国美国美国研究富勒烯化学研究富勒烯化学 (C60)年份年份获获 得得 者者 国籍国籍主主 要要 贡贡 献献2010 理查德理查德赫克赫克 (Richard F. Heck)根岸荣一根岸荣一 (Ei-ichi Negishi)铃木章铃木章 (Akira Suzuki)美国美国日本日本日本日本钯催化交叉偶联钯催化交叉偶联 报报道道有有机机化化学学发发展展的的主主流流杂杂志志六、我国有机化学研究的重大成就六、我国有机化学研究的重大成就 1965年，牛胰岛素的合成年，牛胰岛素的合成牛胰岛素的分子结构图牛胰岛素的分子结构图合成牛胰岛素的科学家们合成牛胰岛素的科学家们 1981年，酵母年，酵母 t-RNA 的合成的合成 2011 2011年度拉斯克奖公布获奖名年度拉斯克奖公布获奖名单单, ,中国科学家中国科学家屠呦呦屠呦呦因发现并提炼因发现并提炼出用以治疗疟疾的青蒿素而获得出用以治疗疟疾的青蒿素而获得“临床医学奖临床医学奖”。一位中国人摘取。一位中国人摘取有着诺贝尔奖风向标之美誉的有着诺贝尔奖风向标之美誉的拉斯拉斯克奖克奖, ,把一种植物青蒿推到世界面前把一种植物青蒿推到世界面前, ,有舆论称这是为反中医论者给出的有舆论称这是为反中医论者给出的最好证明；而实际上最好证明；而实际上, ,青蒿素的研制青蒿素的研制跟中医的关联极其微弱跟中医的关联极其微弱, ,青蒿因为错青蒿因为错误的煎熬方法导致价值尽失误的煎熬方法导致价值尽失, ,一度被一度被中医当中医当无用垃圾扔掉。有无用垃圾扔掉。有人对此形容说：一人对此形容说：一群科学家在中医垃群科学家在中医垃圾堆里发现了宝贝。圾堆里发现了宝贝。 共价键的形成可看作是共价键的形成可看作是两个自旋方向相反的未两个自旋方向相反的未 成对电子相互配对成对电子相互配对或或原子轨道重叠原子轨道重叠的结果。的结果。成成 键的电子键的电子只在键连的两个原子的区域内运动，只在键连的两个原子的区域内运动， 即价电子是即价电子是定域定域的的 2 共价键理论共价键理论CHHHHC4 H一、价键理论一、价键理论CHHHHC C HHC CHHHHHCHHHCHH C CCH4HCHHH 共价键的饱和性共价键的饱和性 共价键的方向性共价键的方向性 能量相近的原子轨道可以进行杂化，组成能量能量相近的原子轨道可以进行杂化，组成能量 相等的杂化轨道，这样可使原子的成键能力增相等的杂化轨道，这样可使原子的成键能力增 强，体系能量降低，从而形成更稳定的分子强，体系能量降低，从而形成更稳定的分子 键键 和和 键键键键键键HCHHH最大重叠，结合成键最大重叠，结合成键重叠少，不能成键重叠少，不能成键二、分子轨道理论二、分子轨道理论 认为成键电子是在整个分子中运动的，即价电子认为成键电子是在整个分子中运动的，即价电子 是是离域的离域的。分子中电子的运动状态可以用。分子中电子的运动状态可以用波函数波函数 来描述，称做来描述，称做分子轨道分子轨道。各分子轨道都有对应。各分子轨道都有对应 的能量，通常称为分子轨道的的能量，通常称为分子轨道的能级能级 分子轨道（分子轨道（ ）是由是由原子轨道（原子轨道（ ）线性组合线性组合而成而成 的，有几个原子轨道参与组合就可以形成几个分的，有几个原子轨道参与组合就可以形成几个分 子轨道。其中能量比原来原子轨道低的称为子轨道。其中能量比原来原子轨道低的称为成键成键 轨道轨道，高的成为，高的成为反键轨道反键轨道，相等的称为，相等的称为非键轨道非键轨道 1 = c11 1 + c12 2 2 = c21 1 c22 2 根据分子轨道的对称性的不同可以将其分为根据分子轨道的对称性的不同可以将其分为 轨道轨道 和和轨道轨道 电子从原子轨道进入分子轨道时要遵循能量最低电子从原子轨道进入分子轨道时要遵循能量最低 原理、保里不相容原理和洪特规则。分子的总能原理、保里不相容原理和洪特规则。分子的总能 量为各电子占据的分子轨道的能量总和量为各电子占据的分子轨道的能量总和 电子从原子轨道进入成键分子轨道，形成化学键，电子从原子轨道进入成键分子轨道，形成化学键， 从而使体系能量减低，形成稳定分子。能量降低从而使体系能量减低，形成稳定分子。能量降低 愈多，形成的分子愈稳定愈多，形成的分子愈稳定 原子轨道要有效地组合成分子轨道，必须遵循以原子轨道要有效地组合成分子轨道，必须遵循以 下三条原则：（下三条原则：（1）对称性匹配原则，（）对称性匹配原则，（2）最大）最大 重叠原则，（重叠原则，（3）能量相近原则）能量相近原则.+.+.+.+.+.轨道轨道原子轨道线性组合原子轨道线性组合方式一方式一能级能级成键轨道成键轨道反键轨道反键轨道*+.+.原子轨道原子轨道能能量量节面节面.+.+.+.+轨道轨道原子轨道线性组合原子轨道线性组合方式二方式二.能级能级反键轨道反键轨道*成键轨道成键轨道原子轨道原子轨道能能量量节面节面1、键长、键长2、键角、键角例如：例如： CC CH C=C CO 键长：键长： 0.154 nm 0.109 nm 0.134 nm 0.143 nm三、共价键的属性三、共价键的属性成键原子的平衡核间距。单位：成键原子的平衡核间距。单位： nm 或或 处于不同化学环境中的相同共价键的键长也稍有差异处于不同化学环境中的相同共价键的键长也稍有差异 一般地：键长越短，化学键越牢固，越不容易断开一般地：键长越短，化学键越牢固，越不容易断开 不同的共价键有不同的键长不同的共价键有不同的键长同一原子上的两个共价键之间的夹角同一原子上的两个共价键之间的夹角例如：例如： H3CCH3 H3CCH=CH2 H2C=HCCH=CH2 键长：键长：0.154 nm 0.151 nm 0.147 nm3、键能（、键能（E）、键的离解能（）、键的离解能（Ed） 化学键的键能越大，键越牢固化学键的键能越大，键越牢固 多原子分子共价键的键能是同一类键的平均多原子分子共价键的键能是同一类键的平均离解能离解能例如：例如：甲烷中甲烷中 CH 键的键能：键的键能：415.3 kJ/mol+A.ABB(气气)(气气)(气气)+A.ABB(气气)(气气)(气气)键能（键能（E）键的离解能（键的离解能（Ed）C+H.CH.CH+H.CH2.CH2+H.CH3.CH3+H.CH4+4 H.CH4C.= 338.9 kJ/molEd(CH)= 435.1 kJ/molEd(CHH)= 443.5 kJ/molEd(CH2H)= 435.1 kJ/molEd(CH3H)= 1661 kJ/molHCCl4、键矩，分子的偶极矩、键矩，分子的偶极矩键矩：键矩：反映极性共价键的极性大小，单位为反映极性共价键的极性大小，单位为 D 或或 C m分子的偶极矩：分子的偶极矩：分子的偶极矩是各键键矩的矢量和分子的偶极矩是各键键矩的矢量和= q dq：电荷电荷d：正负电荷中心之间的距离正负电荷中心之间的距离ClCClClClHCClHHd d+ +d d- -例如：例如： CH3Cl CCl4偶极矩（偶极矩（C m） 6.47 10-30 0均裂均裂异异裂裂四、共价键的断裂四、共价键的断裂 与与 有机反应的类型有机反应的类型自由基（游离基）自由基（游离基） Radical碳正离子碳正离子Carbocation碳负离子碳负离子CarbanionCY+ +CY+C+Y+ + + 自由基反应自由基反应 离子型反应离子型反应反应经环状过渡态，旧键的断裂和新键的生成同时进行反应经环状过渡态，旧键的断裂和新键的生成同时进行1,3-丁二烯丁二烯 乙烯乙烯 环状过渡态环状过渡态 环己烯环己烯 +YC 周环反应（协同反应）周环反应（协同反应）HomolysisHeterolysis3 研究有机化合物的一般步骤研究有机化合物的一般步骤一、分离提纯一、分离提纯二、纯度的检验二、纯度的检验三、分子式的测定三、分子式的测定四、结构的确定四、结构的确定六、性质及应用研究六、性质及应用研究五、合成五、合成4 有机化合物的分类有机化合物的分类一、按碳架分类一、按碳架分类二、按官能团分类二、按官能团分类有有机机物物碳氢碳氢化合物化合物（烃）（烃）芳香烃芳香烃脂肪烃脂肪烃饱和烃饱和烃不饱和烃不饱和烃烯烃烯烃炔烃炔烃烃的衍生物烃的衍生物 卤代烃、醇、酚、醚、卤代烃、醇、酚、醚、醛、酮、羧酸醛、酮、羧酸 等等烷烃烷烃有机物有机物开链化合物开链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香族化合物芳香族化合物5 学习有机化学的方法学习有机化学的方法二、学习方法二、学习方法一、主要参考书一、主要参考书l 主要的参考教材主要的参考教材l 主要参考的习题集主要参考的习题集三、主要后续选修课三、主要后续选修课 、有机化学选论、有机化学选论 、有机波谱学、有机波谱学 、合成化学、合成化学 、高分子化学、高分子化学 l 英文原版教材和习题集英文原版教材和习题集 有机化学有机化学 共价键理论共价键理论 研究有机化合物的一般步骤研究有机化合物的一般步骤 有机化合物的分类有机化合物的分类 学习有机化学的方法学习有机化学的方法本本 章章 小小 结结