大学医用有机化学第一章绪论.ppt

供医学类专业用有机化学（第7版主编吕以仙）,主讲李英秀,第一章绪论（Introduction）,目的：为了系统学习有机化学准备必需的基本知识,具体掌握内容：什么是有机化学？什么是有机化合物？共价键的价键理论，共价键的参数及其意义共价键的断裂方式和有机化合物的反应类型有机化合物的结构式表示方法,有机化学是医学课程中的一门重要基础课，也是生命科学不可缺少的化学基础。,第一节有机化合物和有机化学,1828年德国化学家F.Whler（魏勒）在实验室里合成了尿素（1773年从尿液中分离出），这是一个具有划时代意义的发现，它为近代有机化合物概念的确立奠定了基础。,17世纪中期,把从自然界中取得的各种物质,按照来源分为:,动物物质植物物质,矿物物质,随后又将矿物物质称为无机物,而将动物物质和植物物质称为有机物。,在化学发展史的长河中曾经有过一段时期,有机化合物被认为只能来源于有生命的机体,不可能由无机物合成。,直到1848年L.Gmelin(格梅林)根据F.Whler的实验和越来越多的有机合成事实.1845年德国化学家H.Kolber(柯尔柏）合成了醋酸，1854年法国化学家M.Berthelot（拜特洛）合成了油脂等。确立了有机化合物的新概念。,有机化合物是含碳化合物（碳氢化合物及其衍生物），有机化学是研究碳化合物的化学。(CO、CO2及碳酸盐除外）,有机化合物除含碳原子外，绝大多数含有氢，其次含有O、N、S、X等。至今已知的含碳化合物的数目已有2000万左右，而无机化合物只有几十万种。95%的药物都是有机化合物。人类的衣、食、住、行和生、老、病、死都伴随着有机化学。,最近200年来，有机化学已经发展成一门庞大的学科，仅1995年一年化学家就创造了100万个以上新化合物。以C60和C70为代表的全碳球状原子簇富勒烯（fullerene）的发现是20世纪自然科学史的最重大成果之一。现在，从结构复杂多样的生物大分子的合成到模拟生物过程模型的确立，标志有机合成技术已经达到了相当高的境界。,第二节共价键,一、路易斯共价键理论,化学键是描述组成分子中的原子如何结合在一起的力。可分为两种基本类型，即离子键和共价键。,共价键概念是由G.N.Lewis于1916年首先提出来的，第一次指出原子间共有电子满足“八隅体”（即原子外层满足8电子结构，氢原子外层满足2电子结构）即可以生成共价键。,有机化合物分子中原子键合的本质是共价键。（碳在周期表中是第主族元素）,Lewis结构式：用共享电子对表示有机化合物的结构式。,配位键：共价键的一对电子是由两成键原子中的一个提供的，可用表示。,二、现代共价键理论基本要点,每个原子所形成共价键的数目取决该原子的单电子的数目，故共价键具有饱和性；共价键是由参与成键电子的电子云重叠形成的，电子云重叠越多，形成的共价键越稳定，这就决定了共价键具有方向性。,共价键理论基本要点：,（1）匹配原理（2）原子轨道最大重叠原理,共价键的特性：,（1）共价键的饱和性（2）共价键的方向性,三、碳的杂化轨道理论,甲烷中的碳原子为四价，空间形状为正四面体，键角为10928，为什么？,杂化：重新组合成的新的原子轨道，叫做杂化轨道,特点：杂化前后轨道的能量、形状、方向改变，但数目不变。,碳原子在形成共价键时，有3种杂化轨道，即sp3、sp2、和sp杂化轨道。,碳原子的核外电子排布为1s22s22p2,（一）sp3杂化轨道,参与杂化的轨道轨道形状能量夹角空间形状,1S+3P葫芦形1/4S+3/4P10928正四面体形,（二）sp2杂化轨道,参与杂化的轨道轨道形状能量夹角空间形状,1S+2P葫芦形1/3S+2/3P120平面正三角形,（三）sp杂化轨道,参与杂化的轨道轨道形状能量夹角空间形状,1S+1P葫芦形1/2S+1/2P180直线形,甲烷的分子结构和键,甲烷(CH4)分子，是由1个碳原子和4个氢原子组成，其中碳原子是sp3杂化，4个氢原子与同一个碳原子以共价键相连结，形成4个Csp3-H1s键（轨道沿着键轴方向以“头碰头”方式进行重叠形成的共价键称为键）。,甲烷分子为正四面体型，碳原子居于正四面体中心，4个氢原子居于正四面体的4个顶点，HCH均为10928，此为甲烷分子的构型。,杂化的动力：重叠程度增大；轨道之间的距离增加，排斥降低。,共价键可分为两种基本类型，即键和键。,乙烯的分子结构和键,乙烯是一个平面结构，分子中所有原子核都在一个平面中，键角接近120，证明乙烯中两个双键碳为sp2杂化。,两个互相平行的轨道以“肩并肩”方式进行重叠形成的共价键称为键。,乙炔的分子结构,衍射和光谱实验数据已证明乙炔分子具有线型结构，即四个原子排列在一条直线上。两碳原子均为sp杂化,小结,电负性：,SSPsp2sp3P,键和键的主要特点,四、共价键的属性,（1）键长：成键两原子核心的平均距离，其单位常用nm或pm表示。,154pm134pm120pm,110pm107pm1O6pm,（2）键角：分子中同一原子形成的两个共价键之间的夹角。键角所给的信息对讨论有机物分子的空间构型具有十分重要意义。,（3）键能：从共价键生成或断裂的能量因素来衡量共价键强度的物理量。相同类型的键其键能越大，键越稳定。,（4）键的极性和极化性：,键的极性是由于成键原子的电负性不同引起的。,极性共价键,非极性共价键,衡量化学键极性的物理量是键的偶极矩（简称键矩）。单位为Cm（库仑米和D）,=qd,=qd,=qd,极化性：由于外界电场（静电场）作用而引起共价键的极性改变的现象。,第三节分子的极性和分子间的作用力,一、分子的极性,分子的偶极矩是分子中各个键矩的矢量和。偶极矩是一个矢量，有大小和方向。其方向性用表示。大小用偶极矩表示。,正常情况下BrBr键没有极性，0，但当外电场E+接近时，由于E+的诱导，引起正负电荷中心分离，出现了键矩,=0非极性分子,=1.87D极性分子,分子的极性越大，分子间作用力就越大。,二、分子间的作用力,1、偶极-偶极作用力：产生于极性分子之间。,偶极偶极作用力,2、氢键：实际上也是偶极-偶极作用力，它是分子间最强的作用力，但最高不超过25KJ/mol。,3、色散力（vanderWaals引力）,非极性分子内由于电子的运动在某一瞬间使分子内电荷分布不均匀，而产生很小的暂时（瞬间）偶极，其产生的瞬间偶极作用力称色散力。,氢键(特强的偶极偶极作用力),较小原子半径、电负性强、有未共用电子对的原子可与氢原子形成氢键。常见的原子O,N,F,第四节有机化合物的功能基和反应类型,1、功能基,决定有机化合物的种类和特性的原子或原子团，叫做官能团或功能基(functionalgroup)。,1.按基本骨架特征分类,2.按官能团不同分类,CH3CH2OCH2CH3,链状化合物,碳环化合物,杂环化合物,邓健制作吕以仙审校,30,(二)按官能团分类,2、反应类型,离子型反应,亲电反应,亲核反应,协同反应,分类,自由基反应,本教材只讨论自由基反应和离子型反应。,1、自由基型反应,游离基(自由基),均裂,2、离子型反应,正碳离子（碳正离子）carboniumion,负碳离子（碳负离子）carbaniumion,由亲核试剂进攻正碳离子的反应称亲核反应。由亲电试剂进攻负碳离子的反应称亲电反应。,第五节有机酸碱概念,一、布朗斯特（质子）酸碱理论,凡能给出质子的物质是酸（质子的给予体）；凡能接受质子的物质是碱（质子的接受体）。,化合物的酸碱性强度的表示：酸Ka或pKa来表示。碱Kb或pKb来表示。,共轭酸碱：酸越强，其共轭碱越弱；碱越强，其共轭酸越弱。,HFHCIHBrHI,酸性强度可用pKa表示，pKa越小，酸性越强。,如：pKa水：15.7乙炔：25,酸性：水乙炔,酸碱反应中平衡总是有利于生成较弱的酸和较弱的碱。即强酸置换弱酸。,二、Lewis酸碱概念,1、酸碱的定义：凡能获得电子对的物质，叫做酸。凡能提供电子对的物质，叫做碱,Lewis酸通常是正离子或缺电子的分子(如H+、Cl+、Br+、NO2+、BF3、AlCl3等)。Lewis碱通常是负离子或带有未共用电子对的分子(如H2O、ROH、NH3、RNH2、OH-、CN-等),2、酸碱反应：,实质：是配位键的形成并生成酸碱配合物。即：酸+碱酸碱配合物。,有机化合物的结构表示方法,缩写式,价键式,骨架式,球棒式,投影式,有机物分子的特性,有机物分子在结构上的最大特性，就是原子之间多以共价键结合；由于碳原子彼此间或碳原子与其他原子间的多种连接方式，故有机物普遍存在同分异构现象。（如：C2H6O）,由于分子间力与离子间的结合力（离子键）相比，一般是很弱的，所以有机物的熔点通常较低，超过300的有机化合物很少。,有机物的易燃，热稳定性差，难溶或不溶于水等，也都是人们公认的有机物特性。,大多数有机反应速率较慢，需要一定时间才能完成反应。为了加速反应，常常要辅以外界条件，尤其需要催化剂的参与。另外，在同一个反应体系中也往往由于反应途径不同而有主反应产物和副反应产物，使得有机反应产率较低，也给分离、纯化工作带来许多麻烦。,化学合成,第六节确定有机化合物结构的步骤和方法,生物体中提取,混合物,分离提纯,色谱,蒸馏,重结晶,升华,元素分析,确定分子式,质谱,测定结构式,四谱联用,四谱：红外光谱（IR）、紫外光谱（UV）、核磁共振（NMR）、质谱（MS）,第七节分子轨道和共振结构,一、分子轨道,分子轨道理论是从分子的整体出发去研究分子中每个电子的运动状态,认为形成化学键的电子是在整个分子中运动的,该理论认为化学键是原子轨道重叠产生的,任何数目的原子轨道重叠可以形成同样数目的分子轨道，如H2的形成：,在一般情况下,分子的反键轨道内没有电子，只有当分子呈激发状态时才有电子。,人民卫生电子音像出版社,42,共振论的基本内容：一个分子或离子可以用2个只是电子位置不同的Lewis结构式表示。在共振理论中,每一个Lewis结构式称为共振式,任何一个单一的共振式并不能代表分子或离子的真实结构,只有共振式的群体或共振杂化体(resonancehybrid)能代表分子或离子的真实结构。,硝基甲烷是一个具有两个结构特征的单一化合物。也就是说硝基甲烷是上述两个共振式的共振杂化体。,在共振杂化体中,两个氮氧键既不是单键,也不是双键,而是介于单键与双键之间的两个完全相同的键。,邓健制作吕以仙审校,43,问题：醋酸根的Lewis结构式如下,请分别用共振式和共振杂化体两种形式写出醋酸根的真实结构。,书写同一个化合物分子或离子的不同共振式时应注意：第一，所有原子的相对位置不变，只有电子的位置改变；第二,用双箭头“”(共振符号)连接共振式。,