1、老师的衷告学习是一种快乐，是一种生活需求和生存状态，如空气，如食物，不可或缺。凡事 预则 立，不 预则废 ：明确大学目 标，自信自律， 锲 而不舍。豁达 乐观 ， 协 作、包容， 营 造和 谐 融洽的人 际环 境。 Flower is the past while fading is true.Nothing is impossible, just do and beat it!武汉工程大学化工与制药学院袁 华 教授E-mail: Tel:13407131598Organic Chemistry有机化学第一章 有机化合物的结构和性质有机化学研究对象与有机化合物的特点 .共价键的 形成 与键参
2、数的含义：价键理论、分子轨道与杂化轨道理论；键角、键长与键能。共价键的 断裂 ： 均裂、异裂与协同反应。有机化学酸碱理论： 质子与电子对。有机化合物结构与性质的关系 .有机化学教材的知识结构体系 .本章重点内容 1806年 ,Berzelius首先提出 “ 有机化学 ” 概念；无机化学 . 生命力学说 ：有机化合物只能来源于有机体（ organic) 。 1828年 , F.Whler从无机物氰酸铵 人工 合成 了有机物 尿素 ,突破生命力学说约束 ,促进有机化学发展并成 为一门单独学科。 20世纪初开始建立了以 煤焦油 为原料合成染料、药物和炸药为主的有机化学工业 . 1940年以来，基于
3、石油 的有机合成工业（纤维 、橡胶 、树脂和塑料）不断发展，与人类生活息息相关。1.1 有机化合物和有机化学一 .有机化学 (Organic Chemistry)的发展CH二 . 有机化学的 研究对象 有机化学 研究 含碳 化合物的化学 . 凯库勒 （ A.Kekul, 1829-1896). 有机化学 研究 碳氢 化合物及其衍生物的化学 .肖莱马 （ K.Schorlemer, 1834-1892).有机化学 研究 含碳 化合物的化学 . 凯库勒 （ A.Kekul, 1829-1896). 有机化学 研究 碳氢 化合物及其衍生物的化学 .肖莱马 （K.Schorlemer, 1834-18
4、92).有机化学 研究 含碳 化合物的化学 . 凯库勒 （A.Kekul, 1829-1896). 有机化学 研究 碳氢 化合物及其衍生物的化学 .肖莱马 （K.Schorlemer, 1834-1892).教材封面Carbon and Hydrogen自然界中碳的循环 有机化学 (研究含碳化合物 )成为独立学科的原因 有机化合物已应用于人类经济生活的各个领域，需要系统研究其性质、理论及合成方法与应用 . 有机物与无机物的性质差异显著 ,需要用不同的方法和手段来进行研究 . 有机物多由 共价键构成 的 ，无机物多为 离子键组成的 。 有机化合物有不同特点 . 组成元素少 (C,H等 ) ,但种
5、类繁多 .有机物总数 1500万个，并逐年递增 ,原因有六：A. 碳元素的结构特点 :具有空轨道 1s22s22p2 B. 碳原子相互结合能力很强：碳链和碳环C. 含碳化合物之间的转化：CH4 CH3Cl . CCl4 C金刚石D. 不同官能团化合物之间的转化、碳链的增加和 减少 E. 碳存在同素异形体 :(1)石墨 (2)金刚石 (3)富勒烯 C60/C701.2 有机化合物的特点 (包括以下五个方面 )：石墨的晶体结构 (sp2)Graphite金刚石的晶体结构 (sp3)Diamond足球烯 (富勒烯 )(sp2-sp3)Spherical分子式相同而结构相异因而其性质也各异的不同化合物
6、 ,称为 同分异构体 ,这种现象叫同分异构现象。例如 : 乙醇 和二甲醚 (官能团异构） 丁 烷 和 异丁烷（碳链异构）原子数目和种类越多 ,同分异构体数越多 .F. 有机化合物结构上存在同分异构现象：一 .同分异构现象（丁烷与异丁烷）（ 1-丁烯与 2-丁烯）（二甲醚与乙醇）（乙烷的重叠式与交叉式）（顺 -2-丁烯与 反 -2-丁烯）构造异构： 分子中各原子间相互结合的顺序不同。构型 异构： 原子相互间的立体位置 （顺、反； Z、 E； R、 S）。构象 异构： 化学键的结合状态，原子间的相对位置。构造 -构型 -构象的区分构造（ constitution）：分子中原子间的连接次序；构型（
7、configuration）：一定构造的分子中，原子和 基团在空间的排布；构象（ conformation）：一定构型的分子中，由于单键的旋转而导致原子和基团在空间的不同排布。构型是固定的，而构象一般是瞬间的。构型的变化须破坏化学键，而构象的变化则不会发生键的断裂。 组成元素 少 ,但数目种类 多 易 燃 烧：生成 CO2和 H2O 热稳定性 低 ：受热易分解，熔点低，一般 400C，而无机物一般熔点、沸点较高。 水溶性 差： 有机物多为非极性化合物。 反应较 慢 且较 复杂： 不同于无机离子间的快速反应，有机反应一般为分子间反应，需要较高的活化能，反应时间长，同时副反应较多，一般产率达不到
8、100% 。有机化合物的特点特殊的共价键组成决定了上述特点。碳元素的核外电子排布 1s22s22p2,电负性居中 ,不易获得或失去价电子 , 易形成 共价 键 .(1) 路易斯结构式 : 用共用电子的 点 来表示共价键的结构式 .(2) 凯库勒结构式 : 用一根 短线 代表一个共价键 .1.3 有机化合物中的共价键及形成理论路易斯结构式 凯库勒结构式C + 4H C HH HH CHHHH原子轨道 原子中每个核外电子的运动状态，用波函数 （ x， y， z） 来描述 . 称为原子轨道 ,用轨道的形状表达电子的运动轨迹 .（ 1） 共 价键的形成 ： 原子轨道 固定在成键原子之间 的重叠 (交盖
9、 )或电子 (自旋相反 )配对的结果。 （ 2） 共价键 的 饱和性 ： 一个未成对的电子配对成键 后就不能与其它未成对电子偶合 .（ 3） 共价键 的 方向性 (最大重叠原理 ):两个电子的原子轨道的重叠部分越大 ,形成的共价键就越牢固 .（一 ） 量子化学的价键理论（定域理论） :方向性决定分子空间构型，因而影响分子性质 .(1)当原子组成分子时 ,形成共价键的 电子运动于整个分子区域 .(2)分子轨道： 分子中价电子的运动状态 ,用波函数 描述 。(3)分子轨道由原子轨道 线性组合 形成 (LCAO) ,形成的轨道数与参与成键的原子轨道数相等 .1=1 + 2 (符号相同 ,即 :波相相
10、同 成键轨道 )2=1 - 2 (符号不同 ,即 :波相相反 反键轨道 )（二 ）分子轨道理论（离域理论）(4)每个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子 .(5)电子总是首先进入 能量低 的分子轨道 .2个氢原子轨道线性组合组成 2个氢分子轨道成键轨道 1=1 + 2 反键轨道 2=1 - 2 1s2pyx2p 1syx（ a） x轴方向结合成键 （ b） 非 x轴方向重叠较小不能形成键断裂共价键需要吸收能量；组成共价键往往放出能量。(7)分子变化的基本规律：(6)共价键具有方向性 (最大重叠原理 ): 对称性匹配 (位相相同 )。 最大重叠 (成键的方向性 )。 能量相近 (轨道杂化 )。如何
11、使原子轨道的能量相近呢 以甲烷分子 CH4形成为例：C原子 （ 1s22s22p2）最外层未成对电子（价电子）只有两个，应该只能和 2个 H原子的核外电子配对组成分子 CH2;为什么客观稳定存在的分子却是 CH4呢？杂化轨道理论(8)分子轨道形成时必须满足三个条件：（三 ）杂化轨道理论2p 2s 1s 能量碳原子基态的电子构型2p 2s 1s 一个 2s电子激发至能量较高的 2pz空轨道只需要 402 kJ/mol能量 . 形成一个新的 C-H共价键会放出 414 kJ/mol能量 .能量2p 2s 1s 基态 激发态 sp3杂化态碳原子 2s电子的激发和 sp3杂化 形成的 4个 sp3杂化
12、轨道能量相等，每个轨道相当于 1/4 s成分，3/4 p成分，为 不对称 的哑铃型 . C原子的 4个 sp3杂化轨道与 4个 H原子的 s原子轨道形成 4个 sp3-s型的 C-H共价 键，组成甲烷分子 (CH4)。 由于杂化轨道的 重叠更大 ， 组成 CH4体系比形成两个共价键的CH2分子 更 稳定 。能量 释放： 4144-402=1254kJ/mol; 4142=828kJ/molsp3杂化轨道 甲烷的四个 sp3杂化轨道(1)键长： 两个成键原子的原子核之间的距离 . (不同化合物中同一类型的共价键可能稍有不同 ,平均键长 ) (2)键角 (方向性 )： 任何一个两价以上的原子 ,与
13、其它原子所形成的两个共价键之间的夹角 .(3)键能 ： 气态原子 A和气态原子 B结合成 气态 A-B分子所 放出 的能量 ,也就是气态分子 A-B离解成 A和 B两个原子 (气态 )时所吸收的能量 .(泛指多原子分子中几个同类型键的离解能的平均值 ). 离解能 ： 某个共价键离解所需能量 . (指离解某个 特定 共价键的键能 ,如甲烷中四个 C-H键的离解能是不同的 ).1.4 有机化合物中共价键的键参数(4)键的极性和元素的电负性等性双原子分子 H-H， Cl-Cl等的成键电子云对称分布于两个原子之间，分子的偶极矩为，这样的共价键没有极性。下列化合物有极性（成键原子电负性不同）：H(+)
14、Cl(-) （极性共价键）H3C(+) Cl(-) （极性共价键） 部分负电荷（ -）部分正电荷（ +）诱导效应CH3 CH2 CH2 Cl-+由于分子内成键原子电负性不同，导致成键电子云分布发生偏转，且这种影响沿分子链通过静电诱导传递下去。这种分子内原子间相互影响的电子效应称为诱导效应 （ inductive effect).电负性 ： 一个元素吸引电子的能力。偶极矩 ： 正电中心或负电中心的电荷与两个电荷中心之间的距离 d的乘积 .(方向由正到负 ,用符号 表示。 qd (D,德拜 ) 在双原子分子中，键的极性就是分子的极性，键的偶极矩就是分子的偶极矩。 在多原子组成的分子中，分子的偶极矩
15、是分子中各个键的偶极矩的向量和。HCl CH 3Cl HC CH=1.03D =1.87D =0键参数的含义 键长及键能 :反映键的强度 ,即分子的稳定性 . 键长越短 ,键能越强 ,分子越稳定 . 键角 :反映分子的空间构型 . 键的偶极距及键的极性 :反映键的断裂能力 ,与反应活性相关 .键长越短 , 键能越大，成键越稳定，断裂越困难。(1)均裂 :两个原子之间的 共用电子对均匀分裂 ，成键的两个原子各保留一个电子的断裂方式 .产生活泼的 自由基 (游离基 ).A:B A + B例如 ：Cl : Cl (光照 ) Cl + ClCH4 + Cl CH3 + H : Cl有自由基参与的反应叫
16、自由基反应 .1.5 共价键的断裂 -均裂与异裂（自由基与正、负离子的形成）(2)异裂 :共价键断裂时 ,两原子间的共用 电子对完全转移到其中的一个原子上的断裂方式 .结果产生正 、负离子 (有正或负离子参与的反应叫离子型反应 ).A:B A+ + B-例如： (CH3)3C : Cl (CH3)3C+ + Cl-(3)协同反应 旧键的 断裂和新键的生成同时发生的反应。反应过程中无任何活性中间体 ,没有明显分步的共价键均裂或异裂 .例如： D-A双烯加成反应 .凡是能给出 质子 的物质叫酸 ,凡是能与 质子 结合的物质叫碱 .在有机化学中的酸碱一般指此类 .酸给出质子后即形成了该酸的 共轭碱
17、，碱则反之。1.6 有机化学中的酸碱概念(1) 布伦斯特 (Bronsted)质子酸碱理论强酸的共轭碱必是弱碱（如： HCl和 Cl-）弱酸（ CH3COOH） 的共轭碱是强碱（ CH3COO -）酸碱的概念是相对的：如 HSO4-(既是酸 ,也是碱 )凡是能接受外来 电子对 的都叫做酸 ,凡是能给予 电子对 的都叫做碱 .酸和碱又可分别称为电子对的受体和给体 .缺电子化合物共价性高 ,有空轨道 .能接受外来电子对，是 Lewis酸 . 如 AlCl3、 BF3等。(2)路易斯 (Lewis)电子酸碱理论Al 的核外电子排布 : 1s22s22p63s23p1AlCl3 (酸 ) + : Cl- (碱 ) Cl3Al-Cl = AlCl4-
