有机化学南京理工大学绪论.pptx

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1、1.3 有机物构造式的表示方式1.4 分子间相互作用力1.5 酸碱的概念1.6 有机反应的类型第1页/共42页1.11.1有机化合物1.1.11.1.1有机化合物和有机化学 有机化学的研究内容有机化合物组成结构性质的变化规律性质有机反应第2页/共42页有机化合物的组成：基本元素：C C 其它元素：H,N,O,X,S,P,Si H,N,O,X,S,P,Si 等有机化合物：常指含碳原子的化合物，泛指为碳氢化合物及其衍生物CH3CH2OH乙醇(乃诗仙李白所爱之酒也)使人们的行程来也匆匆,去也匆匆,乃航空汽油也甲苯甲烷(沼气)第3页/共42页 C C原子与其它原子形成分子时的排布规律 丁醇C4H10O

2、a 碳架 b 其它原子分布在C原子周围第4页/共42页 C与其它原子结合力化学键 化学键：在分子中，原子或原子团相互结合的强引力叫做化合键。化学键离子键共价键相互提供电子独立提供电子a a方向性b b饱和性c c空间特性金属键 第5页/共42页通过价电子转移而形成的带有相反电荷的离子之间，由于静电吸引而形成的化学键叫离子键。例如：钠原子和氯原子反应时（气态），钠给出一个电子形成钠正离子，氯得到一个电子形成氯负离子，这两个正负离子（NaNa+和ClCl-）由静电吸引（离子键）而形成氯化钠晶体（NaNa+和ClCl-）。离子键第6页/共42页共价键共价键KeculKecul 价键式Lewis Le

3、wis 结构式 a a带有单个电子的两个原子，通过电子对的共用形成的化学键。例如：碳原子的四个价电子分别与四个氢原子的价电子共用（共价键）而形成甲烷分子。有机化合物中原子和原子间的连接都是共价键，因此有机化合物的共同结构特征共价键结合。第7页/共42页b b 由一个原子提供一对电子形成的共价键叫做配位键。用符号“”表示，箭头指向接受电子的原子。例如(CH(CH3 3)3 3NONO，（氧化三甲胺）其中氮和氧所共有的一对电子完全是由氮所提供的。c c金属键（略）金属键的最大特征是外层价电子很容易失去，形成正离子和自由电子，自由电子不是固定在某一金属离子附近的，而是在离子晶格中自由运动，由于自由电

4、子不停的运动，而将金属的原子或离子连接在一起所形成的化学键叫做金属键。第8页/共42页1.1.2 有机化合物的分类与官能团有机化合物可有机化合物可按碳架和官能团分类两种。按碳架和官能团分类两种。按碳架分三类按碳架分三类开链化合物开链化合物两端碳链不相连，碳碳之间的键两端碳链不相连，碳碳之间的键 乙烷（单键）1-1-丁烯（双键）丙炔（三键）CH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CCH单键单键 C-C三键三键C C 双键双键C C第9页/共42页环状化合物环状化合物两端碳链相连而成环两端碳链相连而成环环环状状化化合合物物碳碳环环化化合合物物杂杂环环化化合合物物脂环化合物：性质和开链化合物相似脂环

5、化合物：性质和开链化合物相似芳香族化合物芳香族化合物:具有特殊的物理和化学性质具有特殊的物理和化学性质脂杂环化合物脂杂环化合物芳杂环化合物芳杂环化合物第10页/共42页脂环化合物：脂环化合物：环己烷 环戊二烯 环辛烯 环己醇芳香族化合物芳香族化合物苯 萘 苯酚 氯苯杂环化合物：杂环化合物：四氢呋喃 噻吩 吡啶 糠醛 第11页/共42页2、按官能团分类按官能团分类特殊的原子或原子团叫做官能团特殊的原子或原子团叫做官能团官能团官能团展现有机化合物的性质展现有机化合物的性质具有进行反应和发生转变的功能具有进行反应和发生转变的功能表表1.1 有机分子中常见的官能团有机分子中常见的官能团第12页/共42

6、页表表1.1 有机分子中常见的官能团有机分子中常见的官能团化合物类型化合物类型 化合物化合物 官能团构造官能团构造 官能团名称官能团名称第13页/共42页1.2 有机化合物的结构理论有机化合物的结构理论1.2.1原子轨道和八隅体原子轨道和八隅体（1 1）原子轨道 电子在原子中的运动状态叫做原子轨道，用波函数表示。电子的运动状态常用s s轨道和p p轨道来描述。其物理意义是电子在某轨道域出现的概率。将出现的概率绘制成图，就像带负电荷的“云”，谓之电子云轨道也。第14页/共42页轨道的形状轨道的形状 电子云以原子核为中心呈球体状称电子云以原子核为中心呈球体状称s轨道。在原子第一层只有轨道。在原子第

7、一层只有1s轨道，是能量最轨道，是能量最低的轨道。低的轨道。在原子的第二层共计有四个轨道。一个在原子的第二层共计有四个轨道。一个2s轨道，轨道，三个能量相同的三个能量相同的P轨道，即轨道，即Px、Py、Pz轨道。三个轨轨道。三个轨道彼此相互垂直。道彼此相互垂直。第15页/共42页（形象地讲，（形象地讲，2 2个个p p轨道形成红十字会标志，另轨道形成红十字会标志，另一个一个P P轨道则穿过十字中心），分别在轨道则穿过十字中心），分别在xyzxyz轴上轴上呈呈“8 8”，由两辩组成，原子核在由两辩组成，原子核在“8 8”状轨道状轨道的中间坐标零之处。的中间坐标零之处。p p电子通过原子核的直线电

8、子通过原子核的直线为轴对称而集中在原子核两边的一定区域内。为轴对称而集中在原子核两边的一定区域内。每个每个p p轨道都有一个节面，如轨道都有一个节面，如PzPz轨道围绕轨道围绕z z轴呈轴呈轴对称，轴对称，xyxy平面为节面，节面上的电荷密度为平面为节面，节面上的电荷密度为零。零。P轨轨道道第16页/共42页（2）八隅体和分子的稳定性）八隅体和分子的稳定性外层轨道为满的构型才是稳定结构。八隅体八隅体本不是八，隅之成八。隅本不是八，隅之成八。隅互用也。互用也。分子8电子构型（八隅体）原子外层轨道原子外层轨道2电子构型惰性元素 氦2电子构型惰性元素 氖氩氡8电子构型第17页/共42页 乙烯乙炔外层

9、轨道均为8 8电子构型而稳定。例如 外层轨道2 2个电子构型乙醇氢：2 2个电子构型氧：8 8个电子构型碳：8 8个电子构型 在乙醇分子中对于单独的各个原子的外层轨道都不足以满足其稳定构型。电子互用，达到2 2个电子和8 8电子构型而稳定也。第18页/共42页2 2 杂化轨道什么是杂化 杂化的实质就是能量相近的轨道重新组合。能量相近就是独个原子的轨道杂化必须是同层轨道才能重新组合。如碳原子的1s1s和2s2s轨道不能杂化，不符合能量相近原则。不同的原子则视具体情况而定。轨道形态 S S轨道以原子核为中心呈球体状。P P轨道以原子核为中心的8 8字状。为什么要杂化 为了从理论上解释化合物的各种性

10、质。第19页/共42页怎样杂化 原子轨道是描述电子绕核运动状态的常用spsp轨道，故原子轨道与原子轨道杂化有三种形式。即SPSP、SPSP2 2、SPSP3 3。SPSP3 3杂化一个S S轨道与三个P P轨道杂化SPSP3 3杂化如何进行的？众所周知，碳原子在基态时的外层轨道为1 1个2S2S轨道和3 3个P P轨道。其外层轨道构型为：2S2S2 2，2Px2Px1 1、2Py2Py1 1、2Pz2Pz0 0，杂化轨道描述如下 2p 2s 能能 量量2p 2s 基态基态激发态激发态sp3杂化态杂化态第20页/共42页2S轨道的轨道的1个电子被激发到个电子被激发到2Pz空轨道上，形成空轨道上，

11、形成碳原子的外层轨道都具有碳原子的外层轨道都具有1个电子即个电子即2S1、2Px1、2Py1、2Pz1。2s轨道和轨道和3个个2P轨道重新组合轨道重新组合得到得到4个个SP3杂化轨道。杂化轨道。S成分成分1/4，P成分成分3/4，但轨道不再绕核呈对称分布，一瓣增大，另一但轨道不再绕核呈对称分布，一瓣增大，另一瓣缩小，瓣缩小，SP3轨道的形态为轨道的形态为2S未杂化未杂化2P未杂化未杂化+杂化杂化4个个SP3杂化轨道杂化轨道3第21页/共42页 当进行反应时，碳原子的4 4个Sp3Sp3轨道与4 4个原子或基团进行反应，这就是碳原子为什么总是四价的原因。杂化轨道吸附电子的能力为：SPSPSPSP

12、2 2SPSP3 3杂化轨道分布a a、SPSP3 3杂化轨道以碳原子为中心，4 4个Sp3Sp3杂化轨道对称分布在碳原子周围，互成109.5 109.5 的角度，因而呈正四面体结构。第22页/共42页2S未杂化未杂化2P未杂化未杂化+杂化杂化3个个SP2杂化轨道杂化轨道2b b、同理SPSP2 2杂化，就是1S1S轨道和2P2P轨道杂化成3 3个SPSP2 2杂化轨道即：SPSP2 2杂化轨道形状和SPSP3 3杂化轨道相似，但它们处在同一平面且对称分布在碳原子周围，三者之间成120120角度。碳的碳的SP2和和Pz轨道轨道第23页/共42页c c、SPSP杂化 就是1S1S轨道和1P1P轨

13、道杂化成2 2个SPSP杂化轨道即：SPSP杂化轨道对称分布在碳原子两侧，成为一条直线，方向相反，两者之间为180180角度2S未杂化未杂化2P未杂化未杂化+杂化杂化2个个SP杂化轨道杂化轨道1碳的碳的SP、2Py、2Pz轨道轨道第24页/共42页键和键的形成a键 乙烯的分子式为C2H4，构造式为:碳与碳之间由一键和一个键连接的。键是由两个碳原子各出一个SP2杂化轨道沿对称轴方向重叠而成。即：CC 键 轴向重叠SP2SP2轴向重叠第25页/共42页键的特性键呈圆柱型对称，比较牢固，可极化性小，可沿键轴自由旋转键的特性 易断裂（易进行化学反应）不能绕轴自由旋转。旋转会使两个p p轨道离开平行状态

14、，从而破坏轨道电子云的重叠。b 键键是由两个碳原子各出一个P轨道平行重叠而成。键分布在键的上面和下面。故乙烯是由一个C-C键和C-C键形成的。第26页/共42页分子轨道理论（MOMO）描述共价键形成的一种理论。其观点是：在分子中任何电子可看成是在所有核和其余电子所形成的势场中运动。描述分子单个电子运动的状态函数()()称为分子轨道。分子轨道理论：离域原子轨道理论：定域分子轨道数目和原子轨道数目相等。成键轨道和反键轨道a a 核间电子云密度增大的为成键轨道b b 核间电子云密度减小的为反键轨道 1.2.3 分子轨道理论分子轨道理论4 4 原子轨道组成分子轨道的三条件三条件能量相近最大重叠对称性（

15、位相）相同第27页/共42页*键在两个原子核间有一个节面 键在两个原子核间无节面 PP平行重叠形成键节面是由于原子轨道组成分子轨道，位相不同而形成的。它表示分子轨道上运动的电子极难光顾，即电子出现在节面概率为零。第28页/共42页总结：1.原子轨道不存在位相问题2.原子轨道组成分子轨道符合三个条件 能量相近 最大重叠 对称性（位相）相同 3.对同一个原子而言，能量相同才能形成分子轨道，能量不同难于形成分子轨道分子轨道(能量相同，最大重叠，位相相同）不能形成分子轨道(能量不同)第29页/共42页5分子轨道容纳电子要符合三原则Pauli每个轨道最多容纳两个电子，且两个电子自旋必须反平衡Hund 能

16、量相等的分子轨道，电子将尽可能占据不同的轨道，且自旋平行a 能量最低原理b pauli不相容原理c 洪特规则4.对不是同一个原子而言，视具体情况而定，即：第30页/共42页1.2.4 1.2.4 键长 键角和键能键长两个原子以共价键结合时两个原子核间的距离叫做键长。SP3SP2 SPSP3SP2 SP，p p成分越多，键长越长键角同一原子上的两个键之间的夹角叫做键角。反映空间结构。键能将两个用共价键连接起来的原子拆开成原子状态时所需要吸收的能量称之为键的解离能。表表1-3 一些共价键的键能一些共价键的键能共价键共价键键能键能/kJmol-1共价键共价键键能键能/kJmol-1第31页/共42页

17、1.2.5 1.2.5 键的极性键的极性 电负性原子核对成键电子吸引的能力叫做电负性。吸电子能力，电负性。原子核越小，具有正电荷越多，吸电子能力强，电负性强 F电负性最大共价键的极性 由共价键结合的两个不同原子共享一对电子，它们并不均等拥有电荷，导致正负电荷中心并不重合，共价键产生极性，键的极性可用+和-表示。+表示正电荷，-表示负电荷。正负电荷中心重合 非极性 正负电荷中心不重合 极性共价键的可极化性 无论是极性的还是非极性的共价键均能在外电场影响下引起电子云密度的重新分布，从而使极性发生变化。这种性质称为共价键的可极化性。C-X（卤素）键的可极化性大小顺序为：（卤素）键的可极化性大小顺序为

18、：CICBrCCl键的可极化性是键的一种暂时性质，极性是键的固有性质。由于键电子束缚较紧，对极化较迟钝，键电子束缚较松，对极化较敏感第32页/共42页偶极矩某些分子的正电中心和负电中心不相重合，这种在空间具有两个大小相等，符号相反电荷在分子中就构成一个偶极，偶极可以 表示，它表示方向从正电荷到负电荷，则偶极矩为正电中心或负电中心上的电荷值q与两个电荷中心之间距离d的乘积，用表示 =qd,单位c*m（库仑米）偶极矩是向量和，在四氯化碳分子中，偶极相等，方向呈反相对应，故向量和为零，即为0 第33页/共42页1.2.6 1.2.6 孤对电子和形式电荷原子形成分子后，为满足八隅体结构，某些原子上仍有

19、未用于成键的价电子，叫做孤对电子（非键电子）。例如 氧原子有6 6个价电子 2 2对孤对电子（4 4个价电子）1 1对孤对电子 （2 2个价电子）通常孤对电子不被表示出来 第34页/共42页碳架式：将分子中直接与碳原子相连的氢原子略去，只表示出碳架结构，基团在相应的碳原子上用键线连接，开库勒结构式(键线式)常用短线表示：例如1.3 1.3 有机物构造式的表示方式什么叫构造式表示分子中原子间连接次序的化学式称为构造式。一根表示单键 =根表示双键 根表示三键 开氏（键线式）缩略式 碳架式构造式缩略式：将分子中各个原子按次序表达出来，相同原子用阿拉伯数字表明。例如：CH3CH2CH2CH2OH CH

20、3CH2CH2（OH）CH3 1-1-丁醇 2-2-丁醇第35页/共42页1.4 1.4 分子间相互作用力范氏力 氢键范氏力：存在于极性和非极性分子中。氢键:与电负性很强的原子相连的氢，能和电负性很大的原子产生吸引的氢键。N N、O O、F F氢键范氏力性质 饱和性 方向性第36页/共42页1.5 1.5 酸碱的概念有机分子中的酸碱常用 进行描述质子理论电子理论质子理论放出质子的物质为酸，即形成该酸的共轭碱接受质子的物质为碱，即形成该碱的共轭酸A-H B +H+酸碱碱酸某些物质具有双重性：第37页/共42页电子理论（电子理论（LewisLewis）LewisLewis酸：有空轨道，是亲电试剂

21、LewisLewis碱：有孤对电子，亲核试剂 酸 接受电子（电子对受体）（亲电试剂）H H3 3N +BFN +BF3 3 H H3 3N-BFN-BF3 3碱：给出电子（电子对给体）（亲核试剂）RNHRNH2 2 ROH ROH酸酸碱碱第38页/共42页化学反应的本质：旧键的断裂和新键的生成1.6 有机反应的类型由键的断裂形式，可将有机反应归为三类极性反应即异裂反应或离子型反应极性反应即异裂反应或离子型反应亲核反应进攻试剂为负离子或负电荷，常用亲核反应进攻试剂为负离子或负电荷，常用Nu-表示亲电反应表示亲电反应离子型离子型亲电反应进攻试剂为正离子或正电荷，常用亲电反应进攻试剂为正离子或正电荷，常用E+表示亲电反应表示亲电反应如如亲核反应亲核反应离子型离子型亲电反应亲电反应A A、亲电反应烯和卤素的亲电加成反应第39页/共42页自由基反应协同反应OH-进攻与卤素相连的正电荷的碳，卤素带着一对电子离去。进攻与卤素相连的正电荷的碳，卤素带着一对电子离去。C-Cl极化性越大，极化性越大，反应越容易反应越容易B B 亲核反应+相关章节讲第40页/共42页以反应物与产物相互关系，可分为取代反应亲电取代亲核取代自由取代加成反应亲电加成亲核加成自由基加成协同加成消除反应极性消除协同消除-消除-消除重排反应氧化还原反应第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页