1、有机化学A1,主讲教师：李艳梅 教授清华大学化学系 E-mail: URL: http:/ 1,Introduction 第一章 绪论,Organic Chemistry A (1) By Prof. Li Yan-Mei Tsinghua University,Content,Part I Organic compounds and organic chemistry- History第一部分 有机化合物与有机化学 历史简介 Part II Fundamental Knowledge第二部分 基础知识 Structure, reaction & Classification Formula
2、s Nomenclature NMR, IR, UV & MS,1. Organic compounds and organic chemistry 第一部分 有机化合物和有机化学,1.1 Introduction and a brief history有机化学历史简介1.2 Character of organic compound有机化合物的特性1.3 Research fields in organic chemistry 有机化学研究领域1.4 The methods to study organic chemistry and how to learn organic chemist
3、ry有机化学研究方法及如何学习有机化学课程,1.1 Introduction and a brief history有机化学历史简介,有机化学 ？,有机化合物 ？,Starch（淀粉）,Gasoline （汽油）,Salicylic acid,Acetylsalicylic acid,乙酰水杨酸（阿斯匹林）,Formalin aqueous solution of formaldehyde,Organic Chemistry in the History,To make human body into a mummy, formalin was often employed in ancien
4、t Egypt.,甲 醛,古埃及人利用有机化合物处理尸体,周礼,Vinegar production has already become an expect technology by Zhou dynasty.制醋,The demise of vitalism,In ancient ages, mixtures of organic compounds were abstracted from natural products. Chinese traditional drug, dye, and perfume are of this kind.,1828, preparation of
5、 urea from inorganic compounds indicates the demise of “vitalism”.,In 1806, famous chemist, Berzelius J. first used the word “organic chemistry”, and states, organic compounds could not be produced without “vital force（生命力）”,The fact that organic compounds could be obtained from inorganic compounds
6、without the help of organism was not accepted for a long time. In 1845 acetic acid and in 1854 ester were separately synthesized from inorganic compounds, indicating the final demise of vitalism.,兴趣阅读：See appendix file 0001: Letter between Whler and his adviser, Berzelius. See appendix file 0002: Wh
7、lers paper on synthesis of ureaSee appendix file 0003: Problems and answers on the urea synthetic paper(from Yale University),氰酸铵,A brief history,1900,2000,1800,Synthesis of urea,Friedrich Whler,Important events on organic chemistry,Means of “Organic chemistry” “有机化学”的含义,Kekl and Gmelin defined orga
8、nic chemistry as “chemistry of carbonaceous compounds” 将“有机化合物”定义为“含碳的化合物”，则“有机化学”即为“研究含碳化合物的化学” Of course, many carbonaceous compounds are not organic compounds,1865,Schorlemmers definition 肖莱马的定义,Based on chemical structural theory, Schorlemmer defined organic compound as “ hydrocarbon and its der
9、ivatives”, and organic chemistry as “chemistry of hydrocarbon and its derivatives”. “碳氢化合物及其衍生物”,Hint,分类的关键：“性质”！而不是“组成”,1. Organic compounds and organic chemistry 第一部分 有机化合物和有机化学,1.1 Introduction and a brief history有机化学历史简介1.2 Character of organic compound有机化合物的特性1.3 Research fields in organic chem
10、istry 有机化学研究领域1.4 The methods to study organic chemistry and how to learn organic chemistry有机化学研究方法及如何学习有机化学课程,1.2 Character of organic compound 有机化合物的特性,Physical Properties,Low melting point 熔点低 Low boiling point 沸点低 High volatility 挥发性大 Often insoluble 多数难溶于水 Density often lower than water比重一般比水小,
11、Chemical Properties,稳定性不如无机物 Less stable易燃 Inflammation 反应速度慢 Low reaction rate 副反应多 Frequent side reaction,1. Organic compounds and organic chemistry 第一部分 有机化合物和有机化学,1.1 Introduction and a brief history有机化学历史简介1.2 Character of organic compound有机化合物的特性1.3 Research fields in organic chemistry 有机化学研究领
12、域1.4 The methods to study organic chemistry and how to learn organic chemistry有机化学研究方法及如何学习有机化学课程,1.3 Research fields in organic chemistry 有机化学研究领域,Nature Product Chemistry 天然产物化学,Separated, or extracted chemicals from nature products. Eg. Hormones, Auxin, Pheromone,Structure Determination 结构测定,Spec
13、troscopic,NMR IR Ultra Violate Mass spectrometry,Nonspectroscopic,Elementary analysis,Organic Synthesis 有机合成,Reaction Mechanism 反应机理,Cross science 与其它学科渗透 eg. with life science,Life procedure is consisted of chemical reactions of biological molecules, the transformation of matter and energy. Chemica
14、l biology aims to explore the life procedure on the molecular level.,Chemical theories and methods,Life science,with environment engineering,To reduce pollutionTo extract useful compounds from injurants,Green Chemistry,绿 色 化 学,1. Organic compounds and organic chemistry 第一部分 有机化合物和有机化学,1.1 Introducti
15、on and a brief history有机化学历史简介1.2 Character of organic compound有机化合物的特性1.3 Research fields in organic chemistry 有机化学研究领域1.4 The methods to study organic chemistry and how to learn organic chemistry有机化学研究方法及如何学习有机化学课程,1.4 The methods to study organic chemistry and how to learn organic chemistry有机化学研究
16、方法及如何学习有机化学课程,1.4.1 Special methods 特殊方法 1.4.2 Ordinary methods 常规方法Separation and purification 分离纯化Analysis 结构分析Elementary analysisDetermination of molecular weightDetermination of the formulaDetermination of the structureSynthesis 合成Mechanism 机理研究,1.4.1 Special methods 特殊方法,On high mountains, sea
17、bottom, in space,Kkuls dream Pasteurs method separation of tartaric acid,极端条件下 Special environment,偶然因素 Special conditions,1.4.2 Ordinary methods 常规方法,Separation and purification 分离纯化,Distillation 蒸馏,Sublimation 升华,Extraction 萃取,TLC 薄板分析 薄层色谱,Crystallization 重结晶,Chromatography 柱色谱,Analysis 结构分析,Elem
18、entary analysis 元素分析,Chemical analysis Elementary analyzer,Determination of molecular weight 分子量的确定,Physical methods 物理方法,Instrumental methods 仪器分析方法,Melting point and boiling point test,Mass spectrometry,Determination of the formula 分子式的确定,Example 1,1 4 2 2,CH4N2O,Experimental formula,Mr = 120,C2H8
19、N4O2,Determination of the structure 结构的确定,Chemical methods,Specific reactions,Instrumental methods,NMR, IR, UV,Synthesis 合成 Mechanism 机理研究,How to learn organic chemistry 如何学习有机化学课程,归纳性学科 而非演绎性学科,学习建议：从结构和机理角度找规律多进行比较与归纳适当量的练习,建议大家再了解一些其它相关知识：,国际著名有机化学研究机构 我国著名有机化学研究机构 国际著名有机化学家 我国著名有机化学家 国际著名有机化学相关企
20、业 我国著名有机化学相关企业,学科素养：基本思维和处理问题方式 学科“文化”历史、人物、事件 研究机构、著名人物、刊物,职业素养突发化学事件的思考与处理绿色素养（环境素养）防护素养,假如你，一个清华大学毕业的学生，正在现场。你将如何处理这个事件？,Content,Part I Organic compounds and organic chemistry- History第一部分 有机化合物与有机化学 历史简介 Part II Fundamental Knowledge第二部分 基础知识 Structure, reaction & Classification Formulas Nomencl
21、ature NMR, IR, UV & MS,Part II Fundamental Knowledge第二部分 基础知识2.1 Structure, Reaction & Classification结构、反应与分类2.2 Formulas 结构式2.3 Nomenclature 命名下一章：NMR, IR, UV & MS,2.1.1.1 Carbon element 碳元素 2.1.1.2 Covalent bond共价键,2.1 Structure, Reaction & Classification 结构、反应与分类,2.1.1 Organic structures 有机化合物的结构
22、,2.1.1.1 Carbon element 碳元素,第二周期 第四主族（IVA）,Electro negativity of some familia elements,H,2.2,Li,1.0,Na,0.9,K,0.8,Be,1.5,Mg,1.2,Ca,1.0,Cu,1.9,Zn,1.6,Ag,1.9,Cd,1.7,Hg,1.9,B,2.0,Al,1.5,C,2.5,Si,1.7,N,3.1,P,2.1,O,3.5,S,2.4,F,4.1,Cl,2.8,Br,2.7,I,2.2,Ge,2.0,Sn,1.7,Pb,1.6,As,2.2,Sb,1.8,Bi,1.7,Se,2.5,第二周期 第
23、四主族（IVA）,电负性,既不容易得电子， 也不容易失电子,difficult,Or,easy,碳原子外层有四个电子：,总之：碳原子既不易得电子，又不易失电子以共价键结合外层有四个电子 可形成四根共价键,2.1.1.1 Carbon element 碳元素 2.1.1.2 Covalent bond共价键,2.1 Structure, Reaction & Classification 结构、反应与分类,2.1.1 Organic structures 有机化合物的结构,2.1.1.2 Covalent bond 共价键,Chemical bond,Ionic Bond,Covalent Bo
24、nd,Coordination Bond,Bonding Theories,Valent Bond Theory,Molecular Obital Theory,离子键,共价键,配位键,价键理论,分子轨道理论,Valence Bond Theory 价键理论,Four key points:,A. Electrons with opposite spin form covalent bonds; B. Saturation of a covalent bond; C. Direction of a covalent bond; D. Hybrid orbital theory.sp3,sp2,
25、sp hybrid orbitalVSEPR theory,Electrons with opposite spin form covalent bond.自旋方向相反的电子配对形成共价键,B. Saturation of a covalent bond 共价键具有饱和性,If a electron has been involved in one covalent bond, no third electron would be accepted. 当原子的一个未成键电子与其他原子的一个电子配对之后,就不能再与第三个电子配对。,C. Direction of a covalent bond
26、共价键具有方向性,成键时,两个电子的原子轨道发生重叠,重叠部分的大小决定共价键的牢固程度,两种较稳定的重叠成键方式:,原子轨道沿轨道的对称轴方向重叠, 键,两个平行的p轨道侧面交叠, 键,-bond,s-s,s-p,sp3-sp3,-bond,电子云分布沿键轴呈圆柱形对称,电子云密度在两个原子键轴平面的上方和下方最高,D. Hybrid Orbital Theory 杂化轨道理论,sp3 hybridization,C,sp3 hybridization,C,sp3 hybridization,sp2 hybridization,-,+,p orbital,sp2 orbital,sp2 hy
27、bridization,+,-,sp2 hybridization,sp hybridization,-,-,+,+,p orbital,sp orbital,-,-,+,+,sp hybridization,-,-,+,+,sp hybridization,不同杂化态碳原子的电负性差异,sp3,sp2,sp,sp杂化形式的轨道成键后，两成键原子间电子云密度最大的区域最偏向该碳原子 可视为sp杂化的碳原子的电负性最大 即：s成分越多的杂化形式，可视为电负性越大,VSEPR Theory 价电子对互斥理论,Valance Shell Electron-Pair Repulsion Theory,
28、Electron pairs repel each other, so that the farthest apartment is always reached. 价电子对互相排斥，使得成键轨道具有最大的距离和最小的干扰。,Molecular Orbital Theory 分子轨道理论,要点：原子形成分子后，成键电子并不局限于某一个原子或某几个原子之间，而是在整个分子中运动。通过薛定谔方程可求出描述分子中电子运动状态的波函数 (分子轨道）。成键电子按一定规则填充在不同分子轨道中。,优点：将分子视为一个整体，某一电子的运动状态不仅受某一原子的影响，而是受所组成分子的原子的共同作用。 缺点：求解
29、困难 改进：原子轨道线性组合法（LCAO）即：将分子轨道视为所属原子轨道的线性组合。,组合方法：, 化学键由原子轨道重叠产生, 任何数目的原子轨道重叠时就可以形成同样数目的分子轨道, 定域键（与共轭离域键相对）的原子轨道数为2，结果组成两个分子轨道，其中一个比原来的原子轨道的能量低成键轨道。另一比原来轨道的能量高反键轨道（以加“*”表示）。,LCAO(Linear Combination of Atomic Orbital),=,A =,AA 1,|A| 1,Atomic Orbital,Molecular Orbital,反键轨道,成键轨道,Bond Energy 键 能,Polarity
30、键的极性,Parameters of a covalent bond 键参数（描述共价键的物理量）,自学,Bond Energy,Bond Energy,E,反应所放出的能量或逆向反应吸收的能量,“键能”,Dissociation energy 离解能,CH4,CH3 + H,CH2 + H,CH + H,C + H,D1,D2,D3,D4,Bond energy of C-H bond:,键能和离解能不同,离解能：指定的某一种离解方式,键能：具有平均的概念,键能,键的强度,越不易断裂,Bond Length,A,B,成键的两个原子核之间的平均距离：,（形成共价键的两个原子之间存在着一定的吸引
31、力和排斥力，使原子核之间保存着一定的距离，此距离为键长。）,A,B,Bond length is the average distance of the nuclear of the two bonding atoms.,C,C,C,C,C,C,C,H,Average Bond length,0.154nm,0.134nm,0.120nm,0.109nm,Bond Angel,eg. CH4C2H2,HCX bond angle,109o28,180o,两个共价键之间的夹角 反映了分子的空间结构,Polarity,相同原子形成共价键时电子云对称分布在两个原子核之间两核正中位置电子云密度最大,正
32、电荷中心与负电荷中心相重叠,不同电子形成共价键时电子云偏向于电负性大的，使之微负 （）,C,C,C,F,Polar bond 极性键,Nonpolar bond 非极性键,C,F,d,+q1,-q2,Bond moment 键矩, = ed = (q1+q2)d,Unit: Debye,Molecular polarity,Bond polarity,Polar Bonds,Nonpolar Molecule,2.1.2 Organic reactions 有机化合物的反应,2.1.2.1 Cleavage of covalent bonds 共价键的断裂 2.1.2.2 Reaction t
33、ypes反应类型,Hemolytic cleavage 均裂,自由基 Free radical,Unshared electron pair 未配对电子,CH3,Cl,Hetrolytic cleavage 异裂,负离子 Anion,正离子 Cation,Carbonion 碳负离子,CH3+,Carbonium ion 碳正离子,2.1.2 Organic reactions 有机化合物的反应,2.1.2.1 Cleavage of covalent bonds 共价键的断裂 2.1.2.2 Reaction types反应类型,2.1.2.2 Reaction types 反应类型,Rad
34、ical reaction,Ionic reaction,Concerted reaction,Radical induced reactions,Carbonion or carbonium ion induced reactions,The forming of new bonds and breaking of old bonds occur at the same time.,自由基反应：由自由基引起的反应,离子型反应：由碳正离子或碳负离子引起的反应,协同反应：新键形成与旧键的断裂同时发生（后述）,By carbon sketch,Chain,Carbon cycle,Hetrocyc
35、le,2.1.3 Classification 有机化合物的分类,按碳架分类,开链化合物,碳环化合物,杂环化合物,脂环化合物,芳香族化合物,按官能团分类,官能团：有机化合物分子特别能起化学反应的一些原子或原子团，它通常可以决定化合物的主要性质。,具体分类请自学,Part II Fundamental Knowledge第二部分 基础知识2.1 Structure, Reaction & Classification结构、反应与分类2.2 Formulas 结构式2.3 Nomenclature 命名下一章：NMR, IR, UV & MS,2.2 Formulas 结构式,2.2.1 Lewi
36、s electron-dot structure 路易士电子式,H,C,H,H,H,Electron-dot structure (Lewis structures)（路易士电子式）,有机化合物中不常用,2.2.2 Construction formula 构造式,Dash formula （蛛网式）,Condensed formula （构造式、构造式简式）,将直链上相同的亚甲基合并侧链基团用括号写于所连原子的右侧第一个碳原子上的取代基可写在左侧,CH3(CH2)3CH3,CH3CH2CH2CH2CH3,CH3C(CH3)2CH3,2.2.3 Line-bond structure 键线式,
37、H、C可省去不写，其它元素不可省略 端点与拐角各代表一个碳原子 单线代表单键，双线代表双键，叁线代表叁键 甲烷、乙烷、乙烯和乙炔等一般不用键线式表示,Rather than,CH3CH2OCH2CH3,C and H atoms are omitted, while other types of atoms are not.,Part II Fundamental Knowledge第二部分 基础知识2.1 Structure, Reaction & Classification结构、反应与分类2.2 Formulas 结构式2.3 Nomenclature 命名下一章：NMR, IR, UV
38、 & MS,2.3 Nomenclature 命名,2.3.1 几个与命名有关的词 2.3.2 基本步骤 2.3.3 复杂结构命名的几个小原则,Prefix & Suffix,(A) 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 (B) 1o, 2o, 3o, 4oPrimary secondary tertiary tetra- ( 伯 仲 叔 季 ) (C) -yl, -ylene, -ylidyne( 基 亚基 次基) (D) n-, iso-, neo-( 正 异 新 伯 仲 叔 季),2.3.1 几个与命名有关的词,“天干地支”简称“干支”，是夏历中用来编排年号和日期用的。 天干：甲、乙、
39、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸； 地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥，也称十二地支。,(A) 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸,来源于中国“天干地支”的“天干”,与碳原子个数关联,Alkanes are usually named after Chinese era.,甲是拆的意思, 指万物剖符而出. 乙是轧的意思, 指万物出生, 抽轧而出. 丙是炳的意思, 指万物炳然著见. 炳，长势正旺 丁是强的意思, 指万物丁壮. 戊是茂的意思, 指万物茂盛. 己是纪的意思, 指万物有形可纪识. 庚是更的意思, 指万物收敛有实. 辛是新的意思, 指万物初新皆收成. 壬是任的意思,
40、指阳气任养万物之下. 癸是揆的意思, 指万物可揆度.,(B) 1o, 2o, 3o, 4oPrimary, secondary, tertiary, tetra- ( 伯、仲、叔、季),与一个碳原子相连的碳原子 1o碳（伯碳、一级碳） 与两个碳原子相连的碳原子 2o碳（仲碳、二级碳） 与三个碳原子相连的碳原子 3o碳（叔碳、三级碳） 与四个碳原子相连的碳原子 4o碳（季碳、四级碳）,与伯碳原子相连的氢原子 1o氢（伯氢、一级氢） 与仲碳原子相连的氢原子 2o氢（仲氢、二级氢） 与叔碳原子相连的氢原子 3o氢（叔氢、三级氢）,伯,仲,叔,季,(C) -yl, -ylene, -ylidyne (
41、 基、亚基、次基),基： 一个化合物从形式上去掉一个单价的原子或原子团的剩余部分称之为“基”,甲基,乙基,正丙基,Ethyl Et,Name,Abv.,Chinese naming,Methyl Me,n-Propyl n-Pro,IUPAC nomenclature allowed group naming,Name,Isopropyl,Abv.,i-Pr-,Chinese naming,异丙基,Isobutyl,i-Bu-,异丁基,Isobutyl,i-Bu-,叔丁基,Sec-butly,S-Bu-,仲丁基,复杂的基（系统命名） 从基的第一个原子开始，沿最长链编号,亚基：一个化合物从形式上
42、去掉两个单价或一个双价的原子或原子团的剩余部分,例如：,1,4 -,1,3 -,亚基,Methylene,Ethylene,1,2-ethylene,Butylene,1,4-butylene,1,3-butylene,次基：一个化合物从形式上去掉三个单价（同一原子）或一个叁价的原子或原子团的剩余部分,次基,次甲基 Methylidyne,次乙基 Ethylidyne,(D) n-, iso-, neo-,正,straight chain, no branch,n-,n-pentane,正戊烷,n-pentyl,正戊基,正,异,新,伯,仲,叔,季, 化合物命名：直链，无支链, 基的命名：从直链
43、烷烃上失去伯氢,the group obtained when one primary hydrogen is removed,正,异,新,伯,仲,叔,季,异,iso-,a straight chain with one methyl group on site 2,iso-pentane,异戊烷,iso-butane,异丁烷, 化合物的命名：只有第二位上有一个甲基，其余为直链,iso-butyl,异丁基,iso-pentyl,异戊基, 基的命名：只有第二位上有一个甲基，且从长链的另一端失去伯氢,异,iso-,正,异,新,伯,仲,叔,季,新,two methyl groups on site
44、2,neo-, 化合物的命名：只有第二位上有两个甲基，其余为长链,新戊烷,新己烷, 基的命名：只有第二位上有两个甲基，且从长链的另一端失去伯氢,新戊基,新己基,新,neo-,正,异,新,伯,仲,叔,季,伯,Primary,H,H,H,10,Primary carbon,C,10,Primary hydrogen,正,异,新,伯,仲,叔,季,仲,Secondary,H,H,20,Secondary carbon,C,20,Secondary hydrogen,the alkyl group obtained when a secondary hydrogen is removed,从直链烷烃上去
45、掉一个仲氢原子所得的烷基,仲丁基,正,异,新,伯,仲,叔,季,叔,Tertiary,H,H,Tertiary carbon,C,30,Tertiary hydrogen,30,the alkyl group obtained when a tertiary hydrogen is removed,去掉一个叔氢后所得的烷基，且一般仅限于如下结构,叔丁基,叔戊基,正,异,新,伯,仲,叔,季,季,Quaternary,40,Quaternary carbon,C,IUPAC nomenclature,1979 AD.,1980 AD.,One name,Constitution,Translatio
46、n,One compound,原则:“一名对一物”（可能“一物对多名”）,IUPAC概况: 化学通报 8:57（1984）大学化学 13(2):61(1998) IUPAC系统命名细则参见网络学堂资料,Three Steps:1) parent name 找母体2) numbering 编号3) nomenclature 书写,2.3.2 基本步骤,Step I: parent name 找母体,A. 母体是哪一类化合物？ “母体官能团”,“辈份”高,“辈份”中,“辈份”低,一般不做母体官能团,以“辈分”最高的为“母体官能团”，确定化合物类别,烷烃,烯烃,炔烃,烯炔,（取代）烷烃,羧酸,（取代
47、）羧酸,B. 确定母体,“主链”,含母体官能团的最长链,主链：戊酸,Step II: numbering 编号,A. 优先照顾母体官能团，使其位次最小,B. 如果两种编号方式母体官能团位次均一样，则可兼顾取代基,1,1,2,2,3,3,4,4,5,1,注：既有双键又有叁键！,使双键、叁键有最低的编号 若编号有选择，则优先双键,1,1,Step III: nomenclature 书写,取代基位号-取代基名称-母体官能团位号-母体,若有几个相同的支链，则在支链前加“二、三”等数字 表示支链位置的几个阿拉伯数字之间用逗号,3-羟基戊酸,3,3-二甲基戊酸,3-甲基-3-戊醇,2.3.3 复杂结构命
48、名的几个小原则,均为“己烷”，如何选主链？,小原则一：候选主链如有多个等长的碳链，则选含有支链数目最多的为主链。,Substitution groups on 3, 4 sites.,Substitution groups on 2, 4 sites.,两种选法均含有两个支链，何如？,小原则二（最低系列规则）：若两条链链长相同，且支链数也相同，则选支链位号最小的为主链，并以此规则编号。,比较编号大小的原则：按编号顺序比较，先比第一个，若相同则比第二个依此类推。,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,2,4,5,2,3,5,最低系列规则亦用于编号,顺序规则：为了决定有关原子或基团排列顺序而人为定下的规则，序列小的写在前面。,如何编号？,从小的基团一端开始编号,
