有机化学-高占先.ppt

1、1.1 有机化合物和有机化学1.2 有机化合物的结构特征1.3 有机反应类型和试剂1.4 两类控制反应1.5 有机化合物酸碱的概念1.6 溶剂的分类及溶剂化作用,1.1 有机化合物和有机化学,1.1.1 有机化合物1.1.2 有机化学1.1.3 学习有机化学的方法,1.1.1 有机化合物 1.概念,碳氢化合物,分子中只含碳和氢两种元素的化合物，又称为烃。碳氢化合物是有机化合物的母体。,碳氢化合物的衍生物,碳氢化合物中的氢原子被其它原子或基团替代后的化合物。,有机化合物,含碳的化合物，或者碳氢化合物及其衍生物。可含C、H、O、N、P、S等元素。,2.有机化合物的特点,1)液体化合物的挥发性大。2

2、)固体化合物的熔点低，很少超过400。3)通常不溶于水。4)容易燃烧，CO2和H2O是主要燃烧产物。5)转化速率慢，副产物多，反应物转化率和产物的选择性很少达到100%。6)有机化合物分子中原子间一般以共价键相连。,3.为什么叫“有机”化合物？这与人类对物质世界认识过程有关。在历史上，最早从动植物中提取得到染料、药物和香料等，因此人们认为只有有生命力的动植物能合成这类化合物，其性质又明显不同于当时已知的无机物，就称为有机化合物。尽管后来可以人工合成有机化合物，但有机化合物的名称仍沿用至今。,1.1.2 有机化学 1.定义,有机化学,研究有机化合物的化学，即研究有机化合物的来源、制备、结构、性能

3、、应用以及有关理论和方法学的科学。,2.有机化学发展历史 有机化学的发展大体上分如下几个阶段：,建立有机化合物结构理论(19世纪60年代),建立立体化学(19世纪70年代),各分支学科的形成(19世纪以后),分析天然有机化合物(18世纪末19世纪初),人工合成有机物(19世纪初),利用天然有机化合物(18世纪前),分离天然有机化合物(18世纪末),有机化学学科已经形成多种分支学科,3.有机化学展望,1.1.3 学习有机化学的方法,学好有机化学的重要方法是：勤记忆、认真做习题（作业）、善于归纳总结、动手做实验、遇到问题及时解决。有机化学是实践性非常强的学科，除了要做有机化学实验外，还需要到化工厂

4、参观、实践，了解工业上如何制备、利用有机化合物。建议学生在有机化学学习的不同阶段到就近的化工厂参观实践。,1.2 有机化合物的结构特征,1.2.1 共价键的形成1.2.2 共价键的基本属性1.2.3 共振论1.2.4 有机化合物构造式的表示法1.2.5 键的极性在链上的传递诱导效应,1.2.1 共价键的形成,1.关于有机化合物分子中共价键形成的两种理论 价键理论 从形成共价键的电子只处于形成共价键两原子之间的定域观点出发，解决分子中原子间互相连接（成键）问题的理论是价键理论。杂化轨道理论是它的发展，这种方法处理的结果，对分子的空间形象描述得直观、清楚、容易理解，是常用的方法。,3.用杂化轨道法

5、处理碳原子形成的共价键,基本思路：在形成化学键时，原子的不同能级的价轨道进行“混合”，即“杂化”，形成新的价轨道，价电子的排布也随之改变，利用杂化轨道与其它原子形成共价键。轨道的“杂化”、“成键”等过程是同时完成的。sp3杂化：C的电子组态：1s2 2s2 2px1 2py12pz，其中2s2 2px1 2py1 2pz为价轨道，其中的电子为价电子。,C在形成化学键时，2s轨道与三个2p轨道杂化形成四个能级相等、形状相同的sp3杂化轨道，每个轨道中一个电子。,sp3杂化轨道形状,杂化轨道能量处于2S和2P轨道能量之间,四个sp3轨道互成109.5的角，指向四面体的四个顶角。,C的四个sp3轨道

6、,氢原子沿sp3轨道的对称轴方向接近C，H的1s轨道与sp3轨道的电子云能最大限度的重叠，形成四个稳定的、彼此夹角为109.5的C-H键，即为甲烷CH4分子。,甲烷的C-H键,注：杂化与成键同时完成,这是C能形成碳链和碳环的化学键的基础,C的sp3轨道与另一个C的sp3轨道沿着各自的对称轴成键，就形成C-C键：,因此氯甲烷的分子形状应与甲烷形状相似。同样C的sp3轨道还可以与O、N等原子的杂化轨道形成C-O、C-N等键。,C的sp3轨道也可以与卤原子的p轨道重叠，形成C-X键：,键的特点：成键两原子可以绕键轴旋转，旋转的结果改变了原子空间排列。,sp2杂化碳原子的2s轨道与二个2p轨道杂化，形

7、成三个能量相等、形状相同的sp2轨道：,三个sp2轨道互成120，在一个平面上，与未杂化的2pz轨道垂直。,碳的sp2和pz轨道：,C-C键的形成：两个sp2杂化的C原子沿着各自sp2轨道轴接近形成C-C的键的同时两个2pz轨道也接近,从p轨道的侧面互相重叠，形成C-C键，即C=C重键同时形成。,pzpz轨道:,乙烯分子的形成：剩下的sp2轨道与四个氢原子的1s轨道重叠，形成四个C-H键，即乙烯分子。,键的特征：键强度小，是面对称，键的对称面垂直于C-C和四个C-H键所在的平面。,sp杂化：碳原子的2s轨道与一个2p轨道杂化，形成两个能量相等、形状相同的sp轨道。,两个sp杂化轨道互成180，

8、在一条直线上的两个sp轨道与未杂化的2py、2pz轨道所在的平面垂直。,碳的sp、2py、2pz轨道,C-C三重键的形成：两个sp杂化的C原子沿着各自sp轨道轴接近，形成C-C键的同时，两个2py和两个2pz轨道也互相接近，从p轨道的侧面重叠，形成两个C-C键,即CC三重键同时形成。,乙炔分子的形成：两个sp轨道与两个H的1s轨道形成两个C-H键,即乙炔分子形成。,在乙炔分子的CC三重键中，一个键，两个互相垂直的键，价电子形成筒状分布。,乙炔三重键电子云:,乙炔的键,sp3、sp2、sp轨道的比较：sp3、sp2、sp轨道的形状相似，都是轴对称。sp3、sp2、sp轨道可以自身和相互间形成 C

9、-C 键，形成饱和的、不饱和的碳链或碳环如：sp3 sp2 sp2 sp sp 也都能与其它原子轨道形成C-X、C-O、C-N 等 键。,不等性杂化 sp3、sp2、sp杂化同一组杂化轨道中的s和p的成分相同，轨道的夹角也相等，称为等性杂化。在形成某种分子如环丙烷时，2s与三个2p轨道杂化，得到的一组杂化轨道，每个轨道中的s和p的成分不是相等的，轨道的能量、夹角也不完全相等，这一组轨道称为不等性杂化轨道。这组轨道与相同原子形成的 键强度不全相等。,4.其它原子的杂化,不仅仅碳原子在形成化学键时发生轨道杂化，在有机化合物中，其它原子（杂原子）在形成化学键时也能发生sp3、sp2、sp杂化。如：在

10、 H3C-O-CH3 中，O为sp3 杂化。在 CO 中，C是sp2 杂化，O也是sp2杂化。在-CN 中，C、N都是sp杂化。,1.2.2 共价键的基本属性,1.共价键性质的重要性 有机化合物中原子主要是共价键连接的，共价键决定了有机化合物的性质，因此要研究共价键的性质。共价键的基本性质包括键长、键角、键能和键的极性。,2.键长,键长（又称键距）：形成共价键的两个原子核之间的距离称为键长。,d：a、b两原子的键长r1：b原子的范德华半径r2:b原子的共价半径r3:a原子的共价半径r4:a原子的范德华半径,影响键长的因素：,不同原子成键，键长与原子半径有关。相同原子成键键长：单键双键三键。,常

11、见共价键的键长,无论C-C还是C-H，键长都与C的杂化状态有关。,原子的杂化状态及分子中其它键对键长的影响,3.键角,同一个原子至少与两个原子成键时，中心原子的键与键之间的夹角称为键角。键角的大小与成键原子特别是成键的中心原子的杂化状态有关，也受分子中的其它原子的影响。,4.键能,概念 由原子形成共价键所放出的能量，或共价键裂成两个原子所吸收的能量称为该键的键能。后者又称键的解离能。键能的单位：kJ/mol。例1.H2(g)2H 吸收436.0kJ/mol能量，即 H-H 键的键能，也称为H-H的解离能（Ed=436.0 kJ/mol表示）。,例2.甲烷分子中有四个C-H键，其解离能如下：,每

12、一种C-H键的解离能Ed不相等。在甲烷中C-H的键能是各C-H键解离能的平均值：（423+439+448+347）/4=414kJ/mol 化合物的键能数据可从手册中查到。,常见共价键的键能(单位：kJ/mol,25oC,气相）,键能的用途 可用键能数据估计化学反应的焓变,例1估算甲烷氯化生成二氯甲烷的反应焓：CH4+2Cl2CH2Cl2+2HCl生成新键放热：2个CCl 2339=678kJ/mol 2个HCl 2432=864kJ/mol断裂旧键吸热：2个CH 2414=828kJ/mol 2个ClCl 2243=486kJ/molHm=(678+864)-(828+486)=228kJ/

13、mol即：每生成1 mol的CH2Cl2,放出228 kJ/mol能量。,例2估计乙烯加氢生成乙烷的反应焓,即：每生成1 mol的乙烷，放出128 kJ/mol的热。,注意：键能与键解离能是两个不同的概念，两者有联系又有区别，键能是分子中同种键解离能的平均值。手册中给的键能多数是标准态（25，气相）值。,5.键的极性和极化性,极性键和非极性键 两个电负性不同的原子形成共价键，成键的两电子的电子云非均匀分布在两原子的周围，电负性大的原子周围有较多的电子云，电负性小的原子周围有较少的电子云，即键的两端出现微小正、负电荷，常用+和-表示，这种现象称为键的极性，这种键称为极性共价键。,例如：,如果形成

14、共价键的两原子电负性相同，成键电子均匀分布在两原子周围，这种键无极性，称为非极性共价键。例：H-H，Cl-Cl，CH3-CH3等。,键极性的度量 定性的相对比较：键的极性大小主要取于成键两原子的电负性值之差。例如，H-O 极性大于H-N 键的极性。,碳、氮在不同杂化状态下的电负性值：,定量的度量：由键偶极矩=qd（又称键矩）来度量。：键偶极矩 单位：Cm q：正电荷或负电荷中心电量 单位：C d：正负电荷中心间距离 单位：m,常见共价键的偶极矩：,极性键的表示：偶极矩是向量，用一箭头表示指向键的负电荷端。如：,键的极化性 键的极化性 在外电场作用下，共价键的极性发生变化称做键的极化性。带电荷的

15、试剂（分子、离子等）都可以看作外电场。例如在极性溶剂中，C-X键的极性变大，就是碳卤键的极化性。,用极化度来度量键的极化性 极化度反映成键两原子核电荷对共价键的电子对约束的相对程度，极化度不仅与成键原子的体积、电负性、键的种类有关，还与外电场强度有关。碳卤键的极化度顺序：C-IC-BrC-ClC-F；C=C的极化度比C-C的大，因为C=C有键；外电场越强（带电荷多）键的极化度越大。成键电子和原子核都在运动中，也能使非极性键在瞬间产生键矩。,分子的极性由组成分子的各共价键极性决定的。分子的极性大小用分子的偶极矩度量。分子的偶极矩等于组成分子的各共价键偶极矩的和。例：,CH4的偶极矩为零非极性分子

16、,CH3Cl的偶极矩为 6.2410-30C.m,6.极性分子,一些常见化合物气态时的偶极矩：,绝大多数有机化合物分子都有共价键，共价键的键长、键能反映了键强度，分子的热稳定性；键角反映了分子的空间形象；键偶极矩和键的极性反映了分子化学反应活性和影响分子的物理性质。,1.2.4 有机化合物构造式表示法 1.概念,分子中原子间相互连接的顺序叫分子的构造。,构造式,表示分子构造的化学式叫构造式。,分子的构造,2.有机化合物分子的构造须用构造式表示,有机化合物是含碳的化合物。碳与本身或H、O、N、P、S、X等原子以四个共价键相连。可形成碳链、碳环，也可与杂原子（除碳以外原子）形成杂链或杂环。碳原子可以单键、双键、三键方式与自身或其它原子相连。因此分子式已不能表示唯一的化合物，必须用构造式。,路易斯构造式：也称电子构造式。用两个圆点表示形成共价键的两个电子，放到成键两原子之间。这种表示优点是各原子的成键关系、价电子数清楚。,构造式的书写方法：,短线构造式：用一短线表示一个共价键，放在成键两原子间。其缺点是书写麻烦，占篇幅。,缩简构造式：把成键的两原子放在一起，必要 时再用短线表示共价键，这是目