1、同学们：你们好！ 欢迎听讲有机化学 主讲：杨胜祥 联系电话：15267195188,1. 有机化合物和有机化学 2. 有机化合物结构式的几种表示法 3. 共价键与分子结构 4. 分子间作用力与化合物的物理性质 5. 有机化合物结构与性质,第一章 结构与性质,第一章 结构与性质,1. 有机化合物和有机化学1.1 定义 有机化合物：就是碳氢化合物及其衍生物。,有机化学：研究有机化合物的化学。,1.2 有机化合物特点 分子结构复杂。 例：C9H20 35种同分异构体。 容易燃烧。 例：甲烷（沼气、煤气）、汽油（烃类）。 难溶于水，易溶于有机溶剂。“相似相溶”。 熔点、沸点低。例：, 不导电。有机化合
2、物是非电解质。, 反应速度慢，且副产物多。例：无机： Ag+ + Cl- AgCl有机： Ag+ + CH3CH2Cl CCl 键断裂 有AgCl,纯度检验：固体测熔点液体测折光率或沸点,1.3、有机化学发展前沿和研究热点在有机化学的发展过程中，逐步形成了有机合成化学、天然有机化学、生物有机化学、金属与元素有机化学、物理有机化学以及有机物分离分析等领域。这些领域在各自的成长过程中相互渗透、相互依靠并相互促进，为有机化学学科的繁荣发展作出重要的贡献。,有机合成化学,有机合成的基础是各种各样的基元合成反应，发现新的反应或用新的试剂或技术改善提高已有反应的效率和选择性是发展有机合成的主要途径。高选择
3、性试剂和反应是有机合成化学中最主要的研究课题之一，其中包括化学和区域选择控制，立体选择性控制和不对称合成等。复杂有机分子的全合成一直是最受关注的领域，与生物科学相结合，重视分子的功能则是合成化学家的新热点。,天然有机化学,天然有机化学是研究动植物及生物体内源性生理活性物质的有机化学。目的是希望发掘有生理活性的天然化合物，作为发展新药先导化合物，或者直接用于临床或为农业生产服务。天然有机化学是植物化学、基础医学、药物化学、农业化学的基础。同时，天然有机化学的研究为有机化合物新的分离分析方法，新的专一性和立体选择性合成方法和立体化学等方面作出了重要贡献。,生物有机化学,生物有机化学是20世纪70年
4、代初发展起来的一门生物化学和有机化学之间的边缘学科。一方面，应用有机化学的结构理论、基团相互作用理论、有机化学反应机理和动力学理论，以及应用有机化学研究方法，在分子水平上研究生物分子的化学变化和反应规律。另一方面，通过模拟生物体系的化学变化，建立有机化学研究新体系（反应机理和有机合成新方法等）。,元素有机化学和金属有机化学,元素有机化学是当代有机化学研究中最为活跃的领域之一。有机磷化学、有机氟化学、有机硼化学和有机硅化学是当前元素有机化学中四个主要支柱。金属有机化学是近代化学前沿领域之一。金属有机化合物的合成、结构和反应性能的研究以及新型基元反应的开发和以有机合成为目标的金属有机化学都是金属有
5、机化学的主要研究内容。,物理有机化学主要是通过现代物理实验方法与理论计算方法研究有机分子结构及其物理、化学性能之间的关系，阐明有机化学的反应机理。有机化学反应途径的宏观和微观细节是物理有机化学的核心课题之一 。而生命科学中的物理有机化学研究，则包括主客体化学中的模拟酶催化反应，主体分子提供的微环境可控制反应，主体分子对客体分子的识别作用以及疏水亲脂作用等。,物理有机化学,有机物的分离和分析是人类认识和改造有机物质世界的重要手段。在有机化学发展的各个重要历史阶段以及有机化学在与其他学科相互渗透的主要界面点上，有机物的分离和分析都起到了关键性的作用。而分离和分析紧密结合是有机分析的一大特色。,有机
6、化合物的分离和分析,药物化学、农药化学、有机功能材料、香料化学、石油化工产品的深度加工和农林牧资源及工农业废弃物的高值化。新型药物、新农药、有机功能材料及香料新品种的创制将带动分子设计、有机合成、立体化学、构效关系等研究水平的提高，而农副产品加工中的废弃物的高值化将会是有机化学的有发展前景的应用领域。,有机化学中的重要应用研究,2. 有机化合物结构式的几种表示法,2.2 价线式（用一根短线表示共价键）,2.1 电子结构式（用电子对表示共价键）,用化学符号来表达分子中各原子之间结合的式子， 叫物质分子的化学结构式或构造式,2.4 键线式（只明显突出C）,2.3 缩简式 （将价线式中短线省去，但双
7、键、叁键不能省）,练习：用简写式、键线式写出C4H8的所有可能的结构式。,答案：,简写式：,键线式：,3 共价键与分子结构,3.1 原子轨道和核外电子排布 1、原子轨道：波函数（ ）就是原子轨道。,波函数：描述核外电子运动状态的函数。,描述某个电子的参数为（n，l，m）,一个原子的核外空间中，有许多能级不同的原子轨道， 具有不同能量的电子，在不同能级的原子轨道上运动。 从距原子核最近的内层向外排列有：1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、 而轨道的能级次序：E1s E2s E2p E3s E3p E4S E3d ,不同类型的原子轨道及其大小、形状各不相同。,2、电子云：,几率：电子在原子核
8、外作高速运动，用统计的方法可以指出原子核外某处电子出现的机会多少，这种机会在数学上称为几率。 几率密度：高速运动的电子在核外空间某处单位微体积内出现的几率。 在量子力学中用/2表示。 电子云：用黑点疏密来表示电子在核外空间几率密度分布的图象称作“电子云”。 比较： 电子云图形与原子轨道图形相似，但无正、负之分。,3、核外电子排布和电子构型：,原理： 能量最低原理： 电子在核外排布时，总是首先占据能量最低的轨道，然后再顺次向能量较高的轨道上填充。 保里不相容原理（不相容原理）：在同一原子中，不允许有运动状态完全相同的两个电子。即在同一个原子轨道上最多只能填充两个自旋相反的电子。 洪特规则（多轨道
9、原理）：在填充简并轨道时，电子将尽可能多的分占不同的轨道，且自旋方向相同。简并轨道：原子轨道中能量相同的轨道。,例如：, 氢的核外电子排布： 电子结构式：1H 1s1 原子轨道图式： 1H 碳的核外电子排布： 电子构型：6C 1s2 2s2 2p2 原子轨道图式： 6C,练习： 氮的核外电子排布 氧的核外电子排布,7N 1s2 2s2 2p3 ； 7N,8O 1s2 2s2 2p4 ； 8O,注：处于s 轨道的电子称为s（态）电子；处于p 轨道的电子称为p（态）电子；,几个概念： 价层轨道：每个原子参与成键的最外层轨道。 孤电子对：价层轨道上已有的一对电子。 未成对电子（单电子）：价层轨道上只
10、有的一个电子。,答案：,3.2 共价键理论,目前，解释共价键本质的理论主要有：价键理论、分子轨道理论和杂化轨道理论。,3.2.1 价键理论 （又称电子配对法）,共价键的本质两个相同的原子或电负性相差不大的原子间 ，由于成键电子的原子轨道重叠而形成的化学键。,价键理论的基本要点：,两个原子接近时，只有自旋方向相反的成单电子方可 配对成键。 一个原子有几个成单电子，即可形成几个共价键。 共价键具有饱和性。,例如：HCl,+, 成键电子的原子轨道重叠程度越大形成的共价键越稳定。即共价键的方向性。,1H ：1s1,17Cl：1s22s22p63s23p5, 形成共价键时，价电子轨道中原已成对的电子有可
11、能受到与之成键的原子的干扰而被激发成单电子；同一原子中能量相近的原子轨道有可能改变原有状态，混杂起来并重新组合成新的原子轨道，这一过程称为原子轨道的杂化，杂化后组成的新轨道称为杂化轨道。,思考：CH4 分子的的构型，怎样形成的呢？,3.2.2 杂化轨道理论,基本要点,同一原子轨道中有几个能级相近的原子轨道杂化，杂化后得到数目相同的杂化轨道。,杂化轨道比原来未杂化的轨道成键能力强，形成的化学键更稳定。,例如：碳、氮、氧原子轨道的杂化,碳原子轨道的杂化,杂化态,1.类型sp3 4个等能量的杂化轨道，每个轨道各占1/4 s 成分，3/4 p 成分。 C：等性sp3杂化 ，轨道间夹角109.5，正四面
12、体。例如：烷烃分子中的碳原子。,电子跃迁,基态C,激发态C,杂化,sp3杂化态C,sp3杂化 轨道形状,4个sp3杂化 轨道的空间分布,O：不等性sp3杂化，例如水分子中的氧原子，杂化轨道间夹角 104.5。,sp3杂化态,N：不等性sp3杂化，例如氨气分子中的氮原子，杂化轨道间夹角107。,sp3杂化态,sp2 3个等能量的杂化轨道，每个轨道各占1/3 s 成分，2/3 p 成分。一个未参与杂化的 p轨道，与3个杂化轨道所在的平面垂直。 C：等性sp2杂化，轨道间夹角120，平面三角型，例如烯烃分子中碳碳双键的碳原子。,sp2杂化态,碳原子的sp2杂化轨道,3个sp2杂化 轨道的空间分布,1
13、20,sp2杂化态,O：不等性sp2杂化，例如酚羟基、杂环化合物中的氧原子。,N：不等性sp2杂化，例如杂环化合物分子中的氮原子。,sp2杂化态,sp 2个等能量的杂化轨道，轨道间夹角180，直线型，每个轨道各占1/2 s 成分，1/2 p 成分，2个未参与杂化的 p 轨道互相垂直，并且分别与2个杂化轨道所在的直线垂直。 C：等性sp杂化，例如炔烃分子中碳碳三键的碳原子。,sp杂化态,碳原子的sp杂化轨道,2个sp杂化 轨道的空间分布,180,2甲烷、乙烯、乙炔的结构及sp3、sp2、sp 杂化轨道的电负性,sp3杂化轨道形状,碳原子的sp3杂化轨道,甲烷分子,碳原子的sp2杂化轨道和未杂化的
14、pz,乙烯分子,3. 键与 键的差异：,不同杂化方式的轨道形状、s 成分的多寡及不同杂化碳原子的电负性。, 键 键,存在的情况,a可以单独存在。 必须与键共存。,b存在于任何共价键中。 仅存在于不饱和键中。, 键 键,键的形成情况,a成键轨道沿轴向在直线 成键轨道对称轴平行， 上相互重叠。头碰头 从侧面重叠。肩并肩,电子云的分布情况,a 电子云集中于两原子 电子云分布在 键所 核的连线上，呈圆柱形分布。 在平面的上下两方，呈块状分布。,b 键有一个对称轴，轴 只有对称面，对称面上 上电子云密度最大。 的电子云密度最小（=0）。, 键 键,键的性质,a键能：较大。 较小。 稳定（重叠程度大） 易
15、反应（重叠程度小）,b键的旋转：以 键连接 以 键连接的两原子不 的两原子可相对的自由旋转。 能相对自由旋转。,c键的可极化度：较小。 较大。,4.总结： 碳碳单键、双键、叁键 单键 H3CCH3 双键 H2C=CH2 叁键 HCCH,三、分子轨道理论分子轨道：是以“形成共价键的电子是分布在整个分子之中”的离域观点为出发点的。分子轨道即分子中价电子的运动状态，可用波函数来描述。其基本要点是： 分子轨道是由原子轨道通过线性组合而成； 组合前后的轨道数守恒：即有几个原子轨道就可以组合成几个分子轨道。 电子根据能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund规则逐级排列在分子轨道中。 成键原则是：轨道能
16、量接近，能够最大重叠，位相相同,符合“轨道能量接近，能够最大重叠，位相相同”的成键原则能组合成能量比原子轨道低的稳定的分子轨道,例 两个氢原子组成的氢分子,=c11 + c22 *=c11 - c22,氢原子形成氢分子的轨道能级图,几种类型的分子轨道,3.2.3 共价键类型（ 键 和 键）,按照成键原子轨道重叠的方式不同，将共价键 分为 键 和 键。, 键：原子轨道沿键轴方向以“头碰头”方式重叠的共价键。,s-s 键,p-p 键,ssp3 键,sp3sp3 键, 键：原子轨道以“肩并肩”方式重叠形成的共价键。,原子轨道重叠,成键轨道,乙烯分子中的价键分布,p-p原子轨道重叠,p轨道 p轨道,p
17、-p 键成键轨道,乙炔分子中的价键分布,sp sp,原子轨道重叠,成键轨道, 键 和 键的特点, 键特点： 键特点： 电子云分布轴对称 电子云平面对称 稳定（重叠程度大） 易反应（重叠程度小） 可以旋转 不可旋转 可以单独成键 不单独成键（总是与键一起形成双键或叁键）,例题：指出下列化合物中C原子的杂化状态：,CH3CH2CH=CHCCH,CH2=C=CH2,结论：单键（ ） 双键（ + ） 叁键（ + PY+PZ ）,思考：双键、叁键比单键短，为什么？,sp3,sp3,sp3,sp3,sp3,sp2,sp2,sp2,sp2,sp2,sp2,sp,sp,sp,总结： 碳碳单键、双键、叁键 单键
18、 H3CCH3 双键 H2C=CH2 叁键 HCCH,3.2.4 共价键的属性,即：共价键的性质。常用键长、键能、键角和键的极性等物理参数来描述。, 、键长 两个成键原子的原子核之间的平均距离。键长从一个侧面反映共价键的强度。键长越短，键越牢固。在不同的分子中原子所受的影响不同，因此，相同的共价键的键长在不同分子中稍有差别。,、键能 形成共价键的过程中体系释放出的能量，或共价键断裂过程中体系所需的能量。键能比键长更能反映共价键强度。成键原子轨道重叠程度越大，键能就越大，键也越牢固。,、键角 键与键之间的夹角。键角决定了分子的空间结构，键角的大小与中心原子有关，也随着分子结构的不同而稍有改变。,
19、电负性（x）：原子在分子中吸引成键电子的能力。X越大，吸电子能力越强。 规定：xF=3.98(最大)。其他为相对值。,、 键的极性 由成键原子的电负性差异而引起。,偶极矩（）：度量分子极性大小的物理常数。是电荷所带电量（库仑,C）与正负电荷中心之间距离（米,m）的乘积。,=q.d,例如:,+, -, =3.5710-30 C.m,非极性共价键：两个相同原子形成的共价键。（x=0）极性共价键：两个不同原子形成的共价键。（x0）x越大，极性越强。, =0, =3.28 10-30 C.m, =6.47 10-30 C.m,偶极矩为零即非极性分子；不为零即极性分子。 偶极矩越大,分子的极性越强。,多
20、原子分子的偶极矩,是整个分子中各个共价键偶极矩的矢量合。例如：,固有偶极：极性分子会产生偶极，这种偶极不受外界条件 的影响，是分子固有的，称为固有偶极。,4. 分子间作用力与化合物的物理性质,4.1 分子间作用力（取向力、诱导力、色散力、氢键） 取向力：极性分子存在固有偶极，当两个极性分子相互靠近时，固有偶极定向排列产生的作用力称为。 诱导力：当极性分子与非极性分子相互靠近时，极性分子的固有偶极会使非极性分子发生变形而产生的偶极叫诱导偶极。诱导偶极与固有偶极相互产生的作用力称为。 色散力：非极性分子本身不存在固有偶极，但由于每个分子中的电子和原子核都在不停地运动，使电子云与与原子核间常会发生瞬
21、间相对位移，结果产生了瞬时偶极。非极性分子之间由于瞬时偶极而产生的作用力称为。,氢键：（一种特殊的分子间作用力）,氢键的形成：（以H2O为例） 氢键的表示：XHY 。X、Y可以是同种原子，也可以是异种原子。但必须是电负性大、原子半径小的且有孤对电子的原子。如：F、O、N 。 氢键的特点：氢键具有方向性、饱和性。 氢键类型：分子内氢键分子内形成的氢键。分子间氢键分子间形成的氢键。 例如：邻硝基苯酚分子内氢键 甲醇与水分子间氢键,4.2 分子间力与物理性质,沸点 a、分子间能形成氢键，且形成氢键的能力强。氢键个数 越多，沸点越高； b、分子的极性越大，沸点越高； c、在a、b 相近时，相对分子质量
22、越大，分子间接触面 越大，沸点越高； d、在a、b、c 相近时，分子链上的支链越多，分子间距离越大，沸点越低。,例题：比较下列各组化合物沸点高低：,分析时，先看分子内是否有氢键；再看分子量和分支。, 熔点：变化规律与沸点相似。 溶解度：“相似相溶” 即分子极性接近的化合物容易互溶。,答案： cba cabd,答案：沸点：,例题： 正己烷和水，彼此不互溶；甲醇和水，彼此互溶。,5.键的可极化度 键的极性：键的极性大小取决于成键两原子电负性的差值，与外界条件无关，是永久的性质。 键的极化性：键的极化性是共价键在外电场的作用下，使键的极性发生变化。键的极化性用键的可极化度来度量，其大小除与成键原子的
23、体积、电负性和键的种类有关外，还与外电场强度有关，是暂时的性质。 外电场诱导下产生的偶极诱导偶极 引起键的极化 外加条件使共价键极性改变的能力键的可极化度。成键原子半径 共价键的可极化度。键的极性和可极化度是决定有机物性质的重要因素。, 定义 ：同分异构体、同分异构现象 同分异构分类,同分异构现象,结构异构（构造异构）,立体异构,碳链异构 如：正丁烷和异丁烷 官能团异构 如：乙醇和二甲醚 位置异构 如：1丙醇和2丙醇 互变异构 如：乙酰乙酸乙酯（酮式与烯醇式） 价键异构,构象异构 顺反异构（几何异构） 对映异构（旋光异构）,5.1 同分异构现象,5. 有机化合物结构与性质,5.2 有机化合物分
24、类,按碳架分类,开链化合物（脂肪族化合物）：分子中，碳原子用单键或重键连接成直链或叉链。,碳环化合物,杂环化合物：碳环中有O、S、N等杂原子元素。,脂环化合物：性质与开链的相似，但结构中有环。 芳香族化合物：分子中有一个或多个苯环，性质与脂环化合物有很大差别。,例如：,按官能团分类,有机反应实质：某些共价键的断裂和新共价键的形成。,5.3有机反应类型,1、自由基（或游离基） 型反应 旧键断裂时，成键的一对电子平均分配给两个成键原子或基团，产生具有未成对电子的原子或原子团，称为自由基。共价键的这种断裂方式称为均裂。而自由基间结合的反应为。,2、离子型反应 旧键断裂时，成键的一对电子为其中一个原子或基团所占有而生成正离子和负离子，共价键的这种断裂方式称为异裂。通过正、负离子间进行的反应 为 。,根据共价键断裂方式的不同，把有机反应分为：,亲电试剂（为缺电子试剂）,亲核试剂（为富电子试剂）,3、周环反应 反应过程中旧键的断裂和新键的生成是同时进行的，无反应中间体生成。,总结：,本章总结：,1 掌握共价键类型，单、双、叁键键型（组成），C原子杂化方式。 2 掌握分子间力与有机物的物理性质关系。 3 熟悉有机物的结构与性质。,
