有機化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

關(guān)于有機化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章有機化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)﹡本章重點內(nèi)容:1.有機化學(xué)研究對象與有機化合物的特點2.價鍵理論、分子軌道與雜化軌道理論3.共價鍵的形成與斷裂及鍵參數(shù)的含義4.有機化學(xué)酸堿理論5.有機化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系6.有機化學(xué)教材的知識結(jié)構(gòu)體系第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月①1806年,柏則里（Berzelius）首先提出“有機化學(xué)”名詞.

②生命力學(xué)說.(OrganicChemistry)③作為一門單獨學(xué)科,有機化學(xué)奠基于18世紀中葉.

1828年,F.W?hler在實驗室由公認的無機物氰酸銨(NH4OCN)經(jīng)熱分解人工合成了有機化合物尿素(NH2CONH2),突破了生命力學(xué)說的約束,促進了有機化學(xué)的發(fā)展.此后許多以簡單的無機物為原料合成了許多其它有機化合物.1.1有機化合物和有機化學(xué)一.有機化學(xué)的發(fā)展第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月④19世紀下半葉,有機合成得到了快速發(fā)展,20世紀初開始建立了以煤焦油為原料合成染料、藥物和炸藥為主的有機化學(xué)工業(yè).⑤20世紀40年代開始發(fā)展了以石油為主要原料的有機化學(xué)工業(yè),特別是生產(chǎn)合成纖維、合成橡膠、合成樹脂和塑料為主的有機合成材料工業(yè).第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

CH二.有機化學(xué)的定義

※有機化學(xué)—研究含碳化合物的化學(xué).凱庫勒（A.Kekulé,1829-1896).

※有機化學(xué)—研究碳氫化合物及其衍生物的化學(xué).肖萊馬（K.Schorlemer,1834-1892).有機化學(xué)—研究含碳化合物的化學(xué).凱庫勒（A.Kekulé,1829-1896).有機化學(xué)—研究碳氫化合物及其衍生物的化學(xué).肖萊馬（K.Schorlemer,1834-1892).有機化學(xué)—研究含碳化合物的化學(xué).凱庫勒（A.Kekulé,1829-1896).有機化學(xué)—研究碳氫化合物及其衍生物的化學(xué).肖萊馬（K.Schorlemer,1834-1892).教材封面第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月自然界中碳的循環(huán)

第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

有機化學(xué)(研究含碳化合物)

成為獨立學(xué)科的原因◆有機化合物用途廣泛,遍及國民經(jīng)濟及日常生活各個領(lǐng)域。需要系統(tǒng)研究其性質(zhì)、理論及合成方法與應(yīng)用.◆典型的有機化合物與無機物的性質(zhì)有著顯著的差異,需要用不同的方法和手段來進行研究.

有機化合物與無機物在性質(zhì)上的差別主要是由于其結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵差異形成的。有機化合物多為共價鍵而無機物則多為離子鍵。這就導(dǎo)致有機化合物有不同特點.第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月①組成元素少(C,H等),但種類繁多.

目前有機物的數(shù)目大于1400萬個，并以40萬個/年的速度遞增,原因是：A.

碳元素的結(jié)構(gòu)特點:核外電子排布1s22s22p2B.

碳原子相互結(jié)合能力很強（碳鏈和碳環(huán)）C.

碳的同素異形體的存在:(1)石墨(2)金剛石(3)富勒烯C60/C701.2有機化合物的特點(包括以下五個方面)：第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月石墨的晶體結(jié)構(gòu)(SP2)第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月金剛石的晶體結(jié)構(gòu)(SP3)第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月足球烯(富勒烯)(SP2-SP3):第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月D.

含碳化合物之間的轉(zhuǎn)化

CH4CH3Cl...CCl4C金剛石E.不同官能團化合物之間的轉(zhuǎn)化、碳鏈的增加和減少……

導(dǎo)致有機化合物種類繁多的原因除了上述C原子的特殊結(jié)構(gòu)以外,有機化合物中還存在同分異構(gòu)現(xiàn)象.

第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

分子式相同而結(jié)構(gòu)相異因而其性質(zhì)也各異的不同化合物,稱為同分異構(gòu)體,這種現(xiàn)象叫同分異構(gòu)現(xiàn)象.例1:乙醇和二甲醚

CH3CH2-OH,CH3-O-CH3例2:丁烷和異丁烷

CH3CH2CH2CH3

CH3CHCH3CH3

＊碳化合物含有的碳原子數(shù)和原子種類越多,它的同分異構(gòu)體也越多.F.

有機化合物結(jié)構(gòu)上存在同分異構(gòu)現(xiàn)象一.同分異構(gòu)現(xiàn)象第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

構(gòu)造異構(gòu):分子中各原子間相互結(jié)合的順序不同而導(dǎo)致的異構(gòu)現(xiàn)象.例如:丁烷和異丁烷此外,有機化合物還可由于構(gòu)型（順、反；Z、E；R、S）和構(gòu)象不同而造成異構(gòu)現(xiàn)象.

有機化合物的結(jié)構(gòu)是指:分子中原子間的排列次序(構(gòu)造),原子相互間的立體位置(構(gòu)型),化學(xué)鍵的結(jié)合狀態(tài)(構(gòu)象)以及分子中電子的分布狀態(tài)(共振)等各項內(nèi)容在內(nèi)的總稱.二.構(gòu)造異構(gòu)現(xiàn)象三.有機化合物的結(jié)構(gòu)第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)造構(gòu)型構(gòu)象的概念構(gòu)造（constitution）：

分子中原子間的連接次序；構(gòu)型（configuration）：

一定構(gòu)造的分子中，原子和基團在空間的排布；構(gòu)象（conformation）：

一定構(gòu)型的分子中，由于單鍵的旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致原子和基團在空間的不同排布。構(gòu)型是固定的，而構(gòu)象一般是瞬間的。構(gòu)型的變化須破壞化學(xué)鍵，而構(gòu)象的變化則不會發(fā)生鍵的斷裂。第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②易燃燒：生成CO2和H2O

③熱穩(wěn)定性差：受熱易分解，熔點低，一般<400oC，而無機物一般熔點、沸點較高。④大多數(shù)有機物不溶或難溶于水：有機物多為非極性化合物。⑤反應(yīng)較慢且較復(fù)雜：無機反應(yīng)一般為離子反應(yīng)，往往可瞬間完成且產(chǎn)物簡單；而有機反應(yīng)一般為分子間反應(yīng)，需要較高的活化能，故反應(yīng)需要時間。同時，有機反應(yīng)的副反應(yīng)較多，一般產(chǎn)率達不到100%。第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月☆有機化合物的特點小結(jié):組成元素少,但種類多,數(shù)目大(C結(jié)構(gòu)特點及同分異構(gòu)).易燃.生成CO2和H2O熔沸點、熱穩(wěn)定性低.易溶于有機溶劑,難溶于水.反應(yīng)速度慢、時間長,往往伴隨副反應(yīng).

以上特點是由有機化合物中普遍存在的共價鍵決定的,因此有機化學(xué)也是研究共價鍵的形成和斷裂的科學(xué).第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月?碳元素:核外電子排布1S22S22P2,電負性居中,不易獲得或失去價電子,易形成共價鍵.(1)路易斯結(jié)構(gòu)式:用共用電子的點來表示共價鍵的結(jié)構(gòu)式.(2)凱庫勒結(jié)構(gòu)式:用一根短線代表一個共價鍵.路易斯結(jié)構(gòu)式凱庫勒結(jié)構(gòu)式1.3有機化合物中的共價鍵及形成理論C+4HCHH????????H????H—C—HHHH第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月原子軌道—原子中每個核外電子的運動狀態(tài)都可以用一個單電子的波函數(shù)（x，y，z）來描述.稱為原子軌道,因此電子云形狀也可以表達為軌道的形狀.（1）共價鍵的形成可看作是原子軌道在成鍵原子之間的

重疊(交蓋)或電子(自旋相反)配對的結(jié)果。

（2）共價鍵的飽和性—一個未成對的電子配對成鍵后就不能與其它未成對電子偶合.（3）共價鍵的方向性(最大重疊原理):兩個電子的原子軌道的重疊部分越大,形成的共價鍵就越牢固.一、量子化學(xué)的價鍵理論（定域理論）:方向性決定分子空間構(gòu)型，因而影響分子性質(zhì).第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)當原子組成分子時,形成共價鍵的電子運動于整個分子區(qū)域.(2)

分子中價電子的運動狀態(tài),即分子軌道,用波函數(shù)來描述;(薛定諤方程的解)(3)

分子軌道由原子軌道線性組合形成(LCAO),形成的軌道數(shù)與參與成鍵的原子軌道數(shù)相等.1=1+2(符號相同,即:波相相同.成鍵軌道)2=1-2(符號不同,即:波相相反.反鍵軌道)二、分子軌道理論（離域理論）第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)每個分子軌道只能容納兩個自旋相反的電子.(5)電子總是首先進入能量低的分子軌道.2個氫原子軌道線性組合組成2個氫分子軌道成鍵軌道1=1+2反鍵軌道2=1-2第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(6)共價鍵具有方向性(最大重疊原理):2p1syx1s2pyx（a）x軸方向結(jié)合成鍵（b）非x軸方向重疊較小不能形成鍵第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月對稱性匹配(位相相同)。最大重疊(成鍵的方向性)。能量相近(雜化軌道)。

如何使原子軌道的能量相近呢?分子軌道形成時必須滿足三個條件：第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月三、雜化軌道理論2p

———2s—1s—能量碳原子基態(tài)的電子構(gòu)型第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2p———2s—1s—一個2s電子激發(fā)至能量較高的2pz空軌道只需要402kJ/mol.能量2p———2s—1s—————基態(tài)激發(fā)態(tài)sp3雜化態(tài)碳原子2s電子的激發(fā)和sp3雜化第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

C采取sp3雜化軌道與4個H原子的s原子軌道形成4個sp3-s型的C-H鍵(CH4)比形成CH2要穩(wěn)定的多.(414×4-402)kJ/mol。形成CH4

時仍有約1255kJ/mol能量釋放出。所以這個體系CH4比形成兩個共價鍵的CH2穩(wěn)定的多。這四個sp3雜化軌道的能量是相等的,每一軌道相等于1/4s成分,3/4p成分.sp3雜化軌道的圖形第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)鍵長——兩個成鍵原子的原子核之間的距離.(不同化合物中同一類型的共價鍵也可能稍有不同,平均鍵長)(2)鍵角(方向性)——任何一個兩價以上的原子,與其它原子所形成的兩個共價鍵之間的夾角.(3)鍵能

——氣態(tài)原子A和氣態(tài)原子B結(jié)合成氣態(tài)A-B分子所放出的能量,也就是氣態(tài)分子A-B離解成A和B兩個原子(氣態(tài))時所吸收的能量.(泛指多原子分子中幾個同類型鍵的離解能的平均值).離解能——一個共價鍵離解所需的能量.(指離解特定共價鍵的鍵能,例如甲烷中四個C-H鍵的離解能是不同的).1.4有機化合物中共價鍵的鍵參數(shù)第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)鍵的極性和元素的電負性等性雙原子分子H—H，Cl—Cl等的成鍵電子云對稱分布于兩個原子之間，分子的偶極矩為０，這樣的共價鍵沒有極性。下列化合物有極性（成鍵原子電負性不同）：

H(+)Cl(-)

（極性共價鍵）

H3C(+)

Cl(-)

（極性共價鍵）部分負電荷（-）部分正電荷（+）誘導(dǎo)效應(yīng)CH3→

CH2→

CH2→

Cl-+++第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月電負性——一個元素吸引電子的能力。偶極矩——正電中心或負電中心的電荷與兩個電荷中心之間的距離d的乘積.(方向性:正到負,一般用符號表示。qd(D,德拜)

在雙原子組成的分子中，鍵的極性就是分子的極性，鍵的偶極矩就是分子的偶極矩。在多原子組成的分子中，分子的偶極矩是分子中各個鍵的偶極矩的向量和。H—ClCH3—ClH—CC—Hμ=1.03Dμ=1.87Dμ=0第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月＊鍵參數(shù)的含義鍵長及鍵能:反映鍵的強度,即分子的穩(wěn)定性.鍵長越短,鍵能越強,分子越穩(wěn)定.鍵角:反映分子的空間構(gòu)型.鍵的偶極距及鍵的極性:反映鍵的斷裂能力,與反應(yīng)活性相關(guān).第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)均裂:

兩個原子之間的共用電子對均勻分裂,兩個原子各保留一個電子的斷裂方式.產(chǎn)生活潑的自由基(游離基).

A:BA·+B·例如：

Cl:Cl(光照)Cl·+Cl·CH4+Cl·CH3·+H:Cl

＊有自由基參與的反應(yīng)叫自由基反應(yīng).

1.5共價鍵的斷裂--均裂與異裂第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)異裂:

共價鍵斷裂時,兩原子間的共用電子對完全轉(zhuǎn)移到其中的一個原子上的斷裂方式.結(jié)果產(chǎn)生正、負離子(有正或負離子參與的反應(yīng)叫離子型反應(yīng)).

A:BA++B-例如：(CH3)3C:Cl

(CH3)3C++Cl-(3)協(xié)同反應(yīng)——舊鍵的斷裂和新鍵的生成同時發(fā)生的反應(yīng)。反應(yīng)過程中無任何活性中間體,沒有明顯分步的共價鍵均裂或異裂.例如：D-A雙烯加成反應(yīng).第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月凡是能給出質(zhì)子的物質(zhì)叫酸,凡是能與質(zhì)子結(jié)合的物質(zhì)叫堿.在有機化學(xué)中的酸堿一般指此類.酸給出質(zhì)子后即形成了該酸的共軛堿，堿則反之。

1.6有機化學(xué)中的酸堿概念(1)布倫斯特(Bronsted)質(zhì)子酸堿理論強酸的共軛堿必是弱堿（如：HCl和Cl-）弱酸（CH3COOH）的共軛堿是強堿（CH3COO-）酸堿的概念是相對的：如HSO4-(既是酸,也是堿)第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月凡是能接受外來電子對的都叫做酸,凡是能給予電子對的都叫做堿.酸和堿又可分別稱為電子對的受體和給體.(2)路易斯(Lewis)電子酸堿理論第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

B的核外電子排布:1s22s22p1;

Al的核外電子排布:1s22s22p６3s23p1

BF3(酸)+:

NH3(堿)

F3B-NH3sp3

AlCl3(酸)+:

Cl-(堿)

Cl3Al-Cl=AlCl4-

缺電子化合物:共價性高,有空軌道.能接受外來電子對，是Lewis酸第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月路易斯(L)酸：能接受外來電子對,具有親電性.在反應(yīng)時,有親近另一分子的負電荷中心的傾向,又叫親電試劑.路易斯(L)堿：能給予電子對,具有親核性.在反應(yīng)時,有親近另一分子的正電荷中心的傾向,又叫親核試劑(“核”作為正電荷的同義語).如：(3)親電性與親電試劑;親核性與親核試劑HO-+CH3—ICH3—OH+I-

??????δ+δ-第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)酸的強弱

HA+H2OH3O++A-

Keq=[H3O+][A-]/[HA][H2O]

在稀水溶液中的酸性常數(shù)Ka

:

Ka=Keq[H2O]=[H3O+][A-]/[HA]

一般以pKa值(pKa=-lgKa

)來表示酸的強弱;pKa值越低酸性越強.(4)酸堿的強弱和酸堿反應(yīng)

有機化學(xué)中酸堿的強弱一般指布倫斯特酸堿.第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)堿的強弱同理堿強度以pKb表示,也常用其共軛酸的pKa值來表示.共軛酸強則其共軛堿是個弱堿.(3)

酸堿的強弱和酸堿反應(yīng)利用各化合物的pKa值來預(yù)測酸堿反應(yīng)的進行,例:

CH3COOH+OH-CH3COO-+H-OH乙酸(pKa=4.72)

共軛堿(強)共軛堿(弱)水(pKa=15.74)

乙酸的酸性比水強質(zhì)子的轉(zhuǎn)移總是由弱堿轉(zhuǎn)移到強堿反應(yīng)向右進行.第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)開鏈族化合物(脂肪族化合物):

1.7有機化合物的分類一.按碳鏈分類第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)碳環(huán)族化合物(化合物由碳原子構(gòu)成碳環(huán))

A:脂環(huán)族化合物:

B:芳香族化合物:(3)雜環(huán)化合物:第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月按分子中含有相同的、容易發(fā)生某些特征反應(yīng)的原子或原子團及特征化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)進行分類:①原子(如鹵素原子)②原子團(如:羥基

-OH、醛基-CHO、羰基>C=O、羧基

-COOH、硝基-NO2，氨基-NH2、腈基-CN等)③某些特征化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)(如雙鍵>C=C<、叁鍵-

CC-

)等分類.

含有相同官能團的有機化合物具有類似的物理化學(xué)性質(zhì)，所以按官能團分類為研究復(fù)雜的有機化合物提供了系統(tǒng)方便的研究方法,確定了有機化學(xué)的知識結(jié)構(gòu)主線.二.按官能團分類第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月有機化學(xué)教材的主線:根據(jù)官能團的不同，可以將有機化合物分為烷烴、烯烴、炔烴、脂環(huán)烴、芳香烴、鹵代烴、醇和醚、酚和醌、醛和酮、羧酸及其衍生物、硝基化合物、胺和腈、重氮和偶氮化合物、雜環(huán)化合物等等.第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1.8有機化學(xué)的發(fā)展及學(xué)習(xí)有機化學(xué)的重要性

①有機化學(xué)是一門迅速發(fā)展的學(xué)科當代有機化學(xué)發(fā)展的重要趨勢：與生命及物理科學(xué)的結(jié)合。第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

②有機化學(xué)的研究任務(wù)與方法

有機化學(xué)的重要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象（如新反應(yīng)、新化合物、新性質(zhì)等）和認識新規(guī)律（如反應(yīng)機理、結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系等）。因此有機化學(xué)是從分子水平研究自然界物質(zhì)變化的一門科學(xué)。其研究過程和方法一般為：有機化合物的合成有機化合物的分離提純（結(jié)晶、蒸餾、升華、萃取、層析等方法）有機化合物的結(jié)構(gòu)分析(紅外、核磁

、質(zhì)譜等)第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月③有機化學(xué)研究面臨的問題與研究熱點

和世界上大多數(shù)國家一樣，我國化學(xué)和化學(xué)工業(yè)的實際情況是：1.石油、煤炭、天然氣是不可再生的、日漸枯竭的、主要依賴的、造成了嚴重環(huán)境污染的能源；2.礦物資源沒有得到環(huán)境友好的利用，制約了化學(xué)與冶金工業(yè)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展；大量生物再生資源浪費，缺乏戰(zhàn)略與基礎(chǔ)研究。※能源與環(huán)境資源問題※第47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

未來五十年內(nèi)的化學(xué)研究重點是有機化學(xué)與

物理化學(xué)、生物化學(xué)等學(xué)科的交叉發(fā)展;研究熱點包括生物技術(shù)、材料技術(shù)、催化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用.

例如：◆光解水制和H2和O2（氫作為經(jīng)濟的原料）；◆CO2作為原料用于化工生產(chǎn)；◆藥物合成與應(yīng)用中的超分子催化反應(yīng)；◆復(fù)合高分子材料替代大多數(shù)金屬與合金（航天）；◆化工原料由石油烴轉(zhuǎn)移到再生生物資源(生物質(zhì)能源)；◆由活體植物生產(chǎn)化工產(chǎn)品（彩棉）……

這些都與有機化學(xué)密切相關(guān),也是有機化學(xué)的研究熱點！第48頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月④學(xué)習(xí)有機化學(xué)的重要意義:有機化學(xué)是一門基礎(chǔ)課，也是化學(xué)工程與工藝、生物工程、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、藥物合成、食品科學(xué)、工業(yè)分析、選礦等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，掌握有機化學(xué)的知識體系，是大學(xué)今后的專業(yè)課學(xué)習(xí)和以后的工作的重要基礎(chǔ)。第49頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2