《有机化学·第二版》PPT课件李贵深

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有机化学绪论第一节有机化学和有机化合物一、有机化学的研究对象有机化合物与人类生活有着密切关系人类对有机化合物的认识过程1828年，德国化学家伍勒在研究氰酸盐的过程中，意外地发现了有机物尿素的生成。AgOCN+NH4ClNH4OCN+AgClNH4OCNOH2N-C-NH2有机化合物的涵义在有机化合物中，绝大多数都含有碳、氢两种元素，有些还含有氧、硫、氮、磷、卤素等其它元素。所以，现在人们认为，有机化合物就是碳氢化合物（烃）及其衍生物。有机化学的涵义有机化学就是研究碳氢化合物及其衍生物的化学。在化学上，通常把含有碳氢两种元素的化合物称为烃。因此，有机化学也就是研究烃及其衍生物的化学。二、有机化学与农业科学的关系1.农业科学的发展促进了有机化学的发展，同样，有机化学的发展也促进了农业科学的进步和深入发展。2.要从分子水平上认识生命过程并研究生命现象。化学的理论、观点和方法在整个生命科学中起着不可缺少的作用。3.大量天然的和合成的有机化合物正在越来越广泛地应用于农业生产。有机化学既是学习农业科学的基础，又是进行农业科学研究的工具。三、有机化合物的特性1．易燃烧除少数例外，一般有机化合物都含有碳和氢两种元素，因此容易燃烧，生成二氧化碳和水，同时放出大量的热量。大多数无机化合物，如酸、碱、盐、氧化物等都不能燃烧。因而有时采用灼烧试验可以区别有机物和无机物。2.熔点、沸点低无机化合物静电力有机化合物范德华力NaClCH3COCH3相对分子质量58.558.08熔点/°C801-95.35沸点/°C146556.23.难溶于水，易溶于有机溶剂水是强极性化合物。大部分无机化合物是离子键型化合物，易溶于水，不易溶于有机溶剂；有机化合物是共价键型化合物，极性小，不溶于水，易溶于有机溶剂——“相似相溶”原理。4.反应速度慢无机反应是离子型反应，一般反应速度都很快。有机反应大部分是分子间的反应，反应过程中包括共价键旧键的断裂和新键的形成，所以反应速度比较慢。AgNO3+NaClAgCl+NaCl5．副反应多，产物复杂有机化合物的分子大多是由多个原子结合而成的复杂分子，所以在有机反应中，反应中心可以在不同部位同时发生反应，得到多种产物。反应生成的初级产物还可继续发生反应，得到进一步的产物。因此在有机反应中，除了生成主要产物以外，还常常有副产物生成。书写有机反应方程式时常采用箭头，而不用等号，一般只写出主要反应及其产物，有的还需要在箭头上标明反应的必要条件。6.同分异构现象普遍存在同分异构现象是指具有相同分子式，但结构不同，从而性质各异的现象。乙醇和甲醚，分子式均为C2H6O，但它们的结构不同，因而物理和化学性质也不相同。乙醇b.p.78.5oC甲醚b.p.-25oCH-C-C-O-HHHHHHH-C-O-C-HHHH第二节共价键的一般概念化学键有多种形式，但最常见的是离子键和共价键。离子键是通过电子转移形成的，共价键是通过共用电子对形成的。无机化合物是以离子键结合的，有机化合物是以共价键结合的。一、共价键理论1．原子轨道原子是由原子核和核外电子两部分组成的。电子在核外的分布就好像云雾一样，因此把这种分布形象地称为电子云。如果用一个界面把这样的分布划出一个区域，电子在这个区域内出现的几率很大。这种电子在空间可能出现的区域称为原子轨道。1s、2p轨道的电子云示意图基态时碳原子和氧原子核外的电子排布6C8O2s2p2s2p1s1s基态时，原子中的电子都按能量最低原理、互不相容原理和洪特规则排布在原子轨道中，每一个原子轨道只能容纳两个自旋方向相反的电子。2.价键理论(1)两个原子都有一个或多个未成对电子且自旋相反(2)原子相互靠近轨道重叠时重叠的程度最大——方向性(3)成键电子只能在成键区域内运动——定域性(4)一个电子最多只能和一个自旋方向电子配对——饱和性H(1s)Cl(2p)能稳定成键不能稳定成键不能成键3．碳原子的价键特点和杂化轨道(1)碳原子的价键特点碳原子基态时，核外电子排布为：1s22s22px12py1碳原子之间相互结合或与其它原子结合时，都是通过共用电子对而结合成共价键。碳原子是四价的，它可以与其它原子或自身形成单键，也可以形成双键或叁键。2s2p2p2p(2)碳原子轨道的杂化碳原子在基态时，只有两个未成对电子，碳原子应是两价的。而在有机化合物中，碳均为4价。美国化学家鲍林，1954年获诺贝尔化学奖，1963年获诺贝尔和平奖。1931年，Pauling提出原子轨道杂化理论碳原子在成键的过程中首先要吸收一定的能量，使2s轨道的一个电子跃迁到2p空轨道中，形成碳原子的激发态。激发态的碳原子具有四个单电子，因此碳原子为四价的。跃迁2px2py2pz2px2py2pz2s2s基态激发态碳原子的2s电子跃迁后得到的四个原子轨道，它们处在不同的能级中的，成键后碳原子的四个价键不可能是等同的。事实上，在饱和烃中，碳原子的四个价键是等同的。为了解决这个矛盾，杂化轨道提出：碳原子在成键时，四个原子轨道可以“混合起来”进行“重新组合”形成四个能量等同的新轨道，称为杂化轨道。杂化轨道的能量稍高于2s轨道的能量，稍低于2p轨道的能量。杂化轨道的数目等于参加组合的原子轨道的数目。碳原子的杂化分为三种类型：sp3杂化、sp2杂化、sp杂化①sp3杂化实例：CH4一个sp3杂化轨道两两夹角10928,②sp2杂化实例：CH2=CH2　　③　Sp杂化（1）二个sp杂化轨道的分布（2）二个p轨道相互垂直碳原子的sp杂化轨道示意图实例：HCCHsspspspsps（3）σ键和π键共价键按共用电子对的数目，分为单键和重键单键：共用一对电子，用一半短线表示。重键：共用两对或两对以上电子，用二条或三条半短线表示。单键双键三键按成键原子轨道重叠方向不同，共价键又可分为σ键和π键H-C-HHHC=C-CC①σ键两个成键原子轨道沿对称轴方向相互重叠（头碰头”方式重叠）而形成的键叫σ键。ClClHClHHσ键的特点形成σ键的原子轨道是沿着对称轴的方向相互重叠的，所以σ键的电子云分布近似圆柱形。因此，以σ键连接的原子或基团可以绕键轴自由旋转，键不致发生断裂。因重叠程度最大，故键比较牢固，在化学反应中比较稳定，不易发生断裂。σ键存在于一切共价键之中。②π键两个成键原子轨道以对称轴相平行互相重叠（两个p轨道从侧面“肩并肩”地重叠）而形成的键叫π键。ppπ键的特点π键不能单独存在，必须与σ键共存。p轨道从侧面重叠，在π键形成以后，就限制了σ键的自由旋转。而且电子云重叠程度较小，键能较小，发生化学反应时，π键易断裂。π键的电子云分散暴露在两核连线的上下两方呈平面对称，π键的电子云离原子核较远，受核的约束较小。因此，π键的电子云具有较大的流动性，易受外界的影响而发生极化，具有较强的化学活性。二、共价键的属性1.键长形成共价键的两个原子核之间的平均距离称为键长。键长的单位为nm（10-9m）。一般说来，共价键越短，表示键越强，越牢固。键键长/nm键能/kJ·mol-1键键长/nm键能/kJ·mol-1C-H0.109413.8C-N0.147304.6C-O0.143357.7C-S0.181272.0C-F0.141484.9C-Cl0.177338.6C-Br0.194284.5C-I0.213217.6C-C0.154345.6C=C0.134610.0C≡C0.120836.8C=O0.123736.0(醛)748.0(酮)C=N0.127748.9C≡N0.115880.2O-H0.096462.8N-H0.104390.8S-H0.135347.3键键长/nm键能/kJ·mol-1键键长/nm键能/kJ·mol-1C-H0.109413.8C-N0.147304.6C-O0.143357.7C-S0.181272.0C-F0.141484.9C-Cl0.177338.6C-Br0.194284.5C-I0.213217.6C-C0.154345.6C=C0.134610.0C≡C0.120836.8C=O0.123736.0(醛)748.0(酮)C=N0.127748.9C≡N0.115880.2O-H0.096462.8N-H0.104390.8S-H0.135347.32.键角两价以上的原子与其它原子成键时，两个共价键之间的夹角称为键角。例如，甲烷分子中∠HCH为109°28’。而在其它烷烃分子中，由于碳原子连接的情况不尽相同，相互影响的结果，其键角也稍有差异。丙烷分子中的∠C-CH2-C就不是109°28’，而是112°。3.键能键能表示共价键的牢固程度。当A和B两个原子（气态）结合生成A-B分子（气态）时，放出的能量称为键能。A-B双原子分子（气态）离解为原子（气态）时，所需要的能量叫做A-B键的离解能，以符号D（A-B）表示。对于双原子分子，A-B键的离解能就是它的键能。键的离解能和键能单位通常用kJ·mol-1表示。A（气态）+B（气态）→A-B（气态）键能越大，说明两个原子结合得越牢固。4.键的极性、分子的极性和分子间力（1）键的极性键的极性是由于成键的两个原子之间的电负性差异而引起的。CH3δ+→Clδ-共价键的极性大小可用偶极矩（键矩）μ来表示。μ=q·R式中，q=正、负电荷中心所带的电荷值（库仑C）R=正、负电荷间的距离（m）（2）分子的极性在双原子分子中，共价键的极性就是分子的极性。但对多原子的分子来说，分子的极性取决于分子的组成和结构。多原子分子的偶极矩是各键的偶极矩的向量和。HHHHCCClClClClHCClClClμ=0μ=0μ=3.63×10-30C·m甲烷四氯化碳三氯甲烷键的极性和分子的极性对物质的熔点、沸点和溶解度都有很大的影响，键的极性也能决定发生在这个键上的反应类型，甚至还能影响到附近键的反应活性。（3）分子间力①偶极—偶极作用力这种作用力产生在极性分子之间。使分子定向排列。这种分子间力也称为定向力。δ+δ-δ+δ-δ+δ-CH3－Cl……CH3－Cl……CH3－Cl②范德华力非极性分子在运动中可以产生瞬间偶极。这种瞬间偶极所产生的相互作用力称为范德华力（也称色散力）。范德华力不仅存在于非极性分子中，也可存在于极性分子中。范德华力比共价键作用力弱得多。③氢键当氢原子与电负性很大、原子半径很小的氟、氧、氮原子相连时，由于这些原子吸电子能力很强，使氢原子带部分正电荷，因而氢原子可以与另一分子的氟、氧、氮原子的未共用电子对以静电引力相结合。这种分子间的作用力称为氢键。氢键有方向性和饱和性，其强度介于分子间作用力和共价键之间。HF....HF....HF....HF..................................HOR....HOR....HOR....HOR........................三、共价键的断裂方式和有机反应类型在化学反应里，同时发生旧键的断裂和新键的生成。共价键有两种断裂方式：均裂和异裂（1）均裂共价键断裂时，共用电子对平均分配给两个原子，生成自由基:通过自由基进行的反应叫自由基反应。自由基反应一般要在光照条件或高温加热下进行。A:BA+B..（2）异裂共价键异裂时，成键的一对电子保留在一个原子上。异裂有两种情况：异裂一般需要酸、碱催化或在极性物质存在下进行。共价键异裂生成离子而引发的反应称为离子型反应。离子型反应又可分为亲电反应和亲核反应。亲电反应又可再分为亲电加成反应和亲电取代反应；亲核反应也可再分为亲核加成反应和亲核取代反应。+CY..CY.....+..-CY....CY.....-++CY....CY.....-++第三节有机化合物的分子结构有机化合物分子结构式的常见书写方法价键式结构简式OHHCHHCHHHHHHC=CCCHHHccccccHHHHHCH3CH2OHHC=CH22CCHH有机分子的立体模型凯库勒模型（球棍模型）斯陶特模型（比例模型）甲烷分子的模型有机分子的透视式表示方法CH3C2H5CBrHCH3C2H5BrHCCH3CC2H5BrHCCH3C2H5BrH第四节有机化学中的酸碱理论一、布朗斯特酸碱质子理论凡是能给出质子的分子或离子都是酸；凡是能与质子结合的分子或离子都是碱。酸失去质子，剩余的基团就是它的共轭碱；碱得到质子生成的物质就是它的共轭酸。CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+共轭酸碱中，一种酸的酸性愈强，其共轭碱的碱性就愈弱，因此，酸碱的概念是相对的，某一物质在一个反应中是酸，而在另一反应中可以是碱。+OH-H2O+CH3COO-CH3COOHH2O+NH4++NH3H3O+RONa+H2OROH+NaOH在酸碱反应中，总是较强的酸把质子传递给较强的碱。（较强碱）（较强酸）（较弱酸）（较弱碱）二、路易斯酸碱电子理论1923年，路易斯提出酸碱电子理论，酸和碱的反应可用下式表示：A是路易斯酸，它至少有一个原子具有空轨道，具有接受电子对的能力。因此，酸是能接受外来电子对的电子接受体。如：BF3，AlCl3，SnCl2，ZnCl2，FeCl3；Li+，Ag+，Cu2+；R+，RCO+，Br+，NO2+，H+等都是路易斯酸。A+BAB....B是路易斯碱，它至少含有一对未共用电子对，具有给予电子对的能力。因此，碱是能给出电子对的电子给予体。如：H2O，NH3，RNH2，ROH，ROR，，RSH；X-，OH-，RO-，SH-，R-；烯或芳香化合物等都是路易斯碱。路易斯酸在有机反应中常称为亲电试剂；路易斯碱在有机反应中常称为亲核试剂。酸和碱反应生成的AB叫做酸碱加合物。AlCl3是路易斯酸，Cl－是路易斯碱，而AlCl4－是酸碱加合物。对有机物来说，也可以看成是酸碱加合物。例如，甲烷CH4可以看成酸H+和碱CH3－的加合物；乙醇CH3CH2OH可以看成酸H+和碱CH3CH2O－的加合物。大部分无机反应和有机反应，都可以设想为一种路易斯酸碱反应。路易斯碱与布朗斯特碱两者没有多大区别，但路易斯酸要比布朗斯特酸概念广泛得多。AlCl3+Cl-AlCl4-1.扼要归纳典型的以离子键形成的化合物与以共价键形成的化合物的物理性质。练习题： 离子键化合物共价键化合物熔沸点高低溶解度溶于强极性溶剂溶于弱或非极性溶剂硬度高低2.NaCl与KBr各1mol溶于水中所得的溶液与NaBr及KCl各1mol溶于水中所得溶液是否相同？如将CH4及CCl4各1mol混在一起，与CHCl3及CH3Cl各1mol的混合物是否相同？为什么？答：NaCl与KBr各1mol与NaBr及KCl各1mol溶于水中所得溶液相同。因为两者溶液中均为Na+,K+,Br－,Cl－离子各1mol。由于CH4与CCl4及CHCl3与CH3Cl在水中是以分子状态存在，所以是两组不同的混合物。3.碳原子核外及氢原子核外各有几个电子？它们是怎样分布的？画出它们的轨道形状。当四个氢原子与一个碳原子结合成甲烷（CH4）时，碳原子核外有几个电子是用来与氢成键的？画出它们的轨道形状及甲烷分子的形状。C+624H+11CCH4ÖÐCÖÐÓÐ4¸öµç×ÓÓëÇâ³É¼üΪSP3ÔÓ»¯¹ìµÀ,ÕýËÄÃæÌå½á¹¹CH4SP3ÔÓ»¯HHHHC1s2s2p2p2pyzx2pyxyz2pzxyz2pxxyz2sHC+624H+11CCH4ÖÐCÖÐÓÐ4¸öµç×ÓÓëÇâ³É¼üΪSP3ÔÓ»¯¹ìµÀ,ÕýËÄÃæÌå½á¹¹CH4SP3ÔÓ»¯HHHHC1s2s2p2p2pyzx2pyxyz2pzxyz2pxxyz2sH4.写出下列化合物的Lewis电子式。a.C2H2b.CH3Clc.NH3d.H2Se.HNO3f.HCHOg.H3PO4h.C2H6i.C2H2j.H2SO4a.CCHHHHCCHHHH»òb.HCHHClc.HNHHd.HSHe.HONOOf.OCHHg.OPOOOHHHh.HCCHHHHHOPOOOHHH»òa.CCHHHHCCHHHH»òb.HCHHClc.HNHHd.HSHe.HONOOf.OCHHg.OPOOOHHHh.HCCHHHHHOPOOOHHH»ò