【经典】《有机化学》教案 - 西北师范大学

《有机化学》教案

使用教材：曾昭琼主编《有机化学》第四版 主讲教师：杨志旺

第一章 绪 论

学习要求

1．掌握有机化合物的特性。

2．了解共价键理论，掌握共价键的键参数。 3．了解有机化合物按碳架和官能团分类的方法。

第一节 有机化学的研究对象

一．有机化合物(Organic compounds)与有机化学(Organic chemistry)的涵义

有机化合物——碳氢化合物及其衍生物 有机化学——研究碳氢化合物及其衍生物的化学

ORGANIC CHEMISTRY is the study of carbon compounds and their derives. 二、有机化学的产生和发展

1828年以前：有机物和无机物严格区分； 1828年：德国化学家魏勒(F. W?hler)制得尿素：

氰酸

异氰酸

(NH 4)2SO 4 + 2KOCN

2NH 4OCN + K 2SO 43 + HO C

N

重排

NH 3 + O C

“I must tell you that I can prepare Urea without requiring a kidney or an animal, either man or dog.” 1845年，柯尔伯(H. Kolber) 制得醋酸；

1854年，柏赛罗(M. Berthelot)合成油脂类化合物；

1857年，凯库勒(F. A. Kekulé)和库帕(A. S. Couper)分别提出提出四价的碳原子； 1861年，布特列洛夫提出了化学结构观点； 1865年，凯库勒提出了苯的结构式；

1874年，范特霍夫(J. H. van ’t Hoff)和勒贝尔(J. A. Le Bel)分别提出碳四面体学说； 费歇尔(E. Fischer)开创了天然有机化合物的新时代；……

我国的天然有机化合物合成处于世界领先水平:

1965年9月，首次合成了具有生理活性的蛋白质——结晶牛胰岛素（化学通报，1965.

5 P257-285)；

1979年完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的半合成；

1981年完成了全合成（化学通报，1982.12 P28）。

三、有机化合物的特点

1．组成和结构之特点

●种类繁多、数目庞大（已知有七百多万种、且还在不断增加）

原因：1）C原子自身相互结合能力强

2) 结合的方式多种多样（单键、双键、三键、链状、环状）

3) 同分异构现象（构造异构、构型异构、构象异构）

●组成元素少（C，H，O，N，P，S，X等）

2．性质上的特点

物理性质方面的特点：

◆挥发性大

◆熔点、沸点低

◆水溶性差（“相似相溶”）

◆密度低，硬度小

化学性质方面的特点：

◆易燃烧

◆热稳定性差，易受热分解

◆反应速度慢

◆反应复杂，副反应多

四、有机化学研究的三个内容——分离、结构、反应和合成

[分离] 从自然界或反应产物通过蒸馏、结晶、吸附、萃取、升华等操作孤立出单一纯净

的有机物。

[结构] 对分离出的有机物进行化学和物理行为的了解，阐明其结构和特性。

[反应和合成] 从某一有机化合物(原料)经过一系列反应转化成一已知的或新的有机化合

物(产物)。

五、有机化学的任务

发现新现象（新的有机物，有机物的新的来源、新的合成方法、合成技巧，新的有机反

应等）

研究新的规律（结构与性质的关系，反应机理等）

提供新材料（提供新的高科技材料，推动国民经济和科学技术的发展

探索生命的奥秘（生命与有机化学的结合）。

第二节 共价键的一些基本概念

有机化学是研究共价键化合物的化学。 一、共价键理论 1． 共价键理论 1） 共价键的形成

价键的形成是原子轨道的重叠或电子配对的结果，如果两个原子都有未成键电子，并且自旋方向相反，就能配对形成共价键。

例如：碳原子可与四个氢原子形成四个C —H 键而生成甲烷。

·· + 4H ··

×

H C

·

×·H

×

·H ·H

×

×

C

H

H

H H

C

由一对电子形成的共价键叫做单键，用一条短直线表示，如果两个原子各用两个或三个未成键电子构成的共价键，则构成的共价键为双键或三键

双键

三键

2）共价键形成的基本要点

（1） 成键电子自旋方向必需相反 （2）

共价键的饱和性P 4

O

H

H

O

H

H

H

C H

H H

H

C

H H

H

H

H

（3）

共价键的方向性

——成键时，两个电子的原子的轨道发生重叠，而P 电子的原子轨道具

有一定的空间取向，只有当它从某一方向互相接近时才能使原子轨道得到最大的重叠，生成的分子的能量得到最大程度的降低，才能形成稳定的反之。

+

H(1s)

Cl(2p)

C C

C

C

S 和P 电子原子轨道的三种重叠情况

σ 键，“头碰头”重叠

π键，“肩靠肩”重叠

2． 分子轨道理论

分子轨道理论是1932年提出了来的，它是从分子的整体出发去研究分子中每一个电子的运动状态，认为形成键电子是在整个分子中运动的。

分子轨道理论的基本观点：当任何数目的原子轨道重叠时，就可形成同样数目的分子轨道。 例如：两个原子轨道可以线性的组合成两个分子轨道，其中一个比原来的原子轨道的能量低，叫成键轨道（由符号相同的两个原子轨道的波函数相加而成），另一个是由符号不同的两个原子轨道的波函数相减而成，其能量比两个原子轨道的能量高，这中种分子轨道叫做反键轨道。

A

B

轨道）ψ2=ψA ψB

ψ+

ψ1=A ψB

ψ-

（原子轨道）

能量

分子轨道能级图

和原子轨道一样，每一个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子，电子总是优先进入能量低的分子轨道，在依次进入能量较高的轨道。

由原子轨道组成分子轨道时，必须符合三个条件：

1）对称匹配原则——既组成分子轨道的原子轨道的符号（位相）必须相同。

+

+

成键轨道（Π）

反键轨道（Π）*

能

量

π轨道示意图

2）最大重叠原则

原子轨道重叠部分最大时，形成的键才最稳定。

3）能量相近原则

原子轨道的能量要相近，才能有效的组成分子轨道。

二、共价键的键参数

1．键长

使成键原子间引力与斥力达到平衡时的两原子之间的距离。

几种重要共价键的键长：C-H(0.109nm)；C-C (0.154nm)；C=C(0.134nm)；C≡C(0.120nm)

注意：在不同的有机物中，由于结构的不同，同类共价键的键长不相同。

2．键角

两共价键之间的夹角。它反映了分子的空间结构。

28′

键角反映了分子的空间结构。

3．键能

当A与B两个原子（气态）结合生成A—B（气态）时放出的能量。相反解离时所需要的能量称为解离能。

A (g)+

B (g)A B+ Q

(g)

A (g)+

B (g)

A B- Q

双原子分子，键的解离能就是键能，而多原子分之中共价键的键能是指同一类的共价键的解离能的平均值。如甲烷的四个C—H的离解能是不同的。

4．键矩——键的极性

键矩是用来衡量键极性的物理量。

定义：正、负电荷中心的电荷e与正、负电荷中心的距离d的乘积：

μ＝ed

键矩有方向性，通常规定其方向由正到负：

H

Cl

δ－

δ＋C

H

δ－δ＋

C

O

δ－

δ＋

当两个不同原子结合成共价键时，由于两原子的电负性不同而使得形成的共价键的一端带电荷多些，而另一端带电荷少些，这种由于电子云不完全对称而呈极性的共价键叫做极性共价键，

双原子分子：分子的极性=键的极性

多原子分子：分子的极性=分子中每个键极性的向量和

三、 共价键的断裂

有机化合物发生化学反应时，总是伴随着某些化学键的断裂和新的共价键的形成，共价键的断裂有两种断裂方式。

1． 均裂——成键的一对电子平均分给两个原子或原子团，生成两个自由基。

A:B A ? + B ?

按均裂进行的反应叫做自由基反应。

2． 异裂——成键的一对电子在断裂时分给某一原子和原子团，生成正负离子。

C : X

C - + X +(碳负离子，R -)

+ + X -(碳正离子，R +)

在有机反应中, 按异裂进行的反应叫做离子型反应。

离子反应

亲电反应——由亲电体（带正电荷）进攻碳负离子部分而发生的反应亲核反应——由亲核体（带负电荷）进攻碳正离子部分而发生的反应

亲电试剂——在反应过程中接受电子的试剂称为亲电试剂。

亲核试剂——在反应过程中能提供电子而进攻反应物中带部分正电荷的碳原子的试剂。

第三节 研究有机化合物的一般步骤

1．分离提纯：结晶/升华/蒸馏/色谱…. 2．纯度的检定：熔点/沸点/密度/折射率…. 3. 元素分析:

4．实验式和分子式的确定：燃烧试验/计算….

5．结构式的确定：化学方法+物理方法（紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱、质谱等）。 分子的结构包括分子的构造、构型和构象。 构造(construction)：原子之间互相连接的顺序。 构型(configuration)：分子中原子在空间的排列方式。

构象(conformation)：通过单键的旋转而产生的原子或基团之间不同的空间排布方式。5．构造式的书写：

路易斯(Lewis)点电子式：

路易斯(Lewis)价键式：

H

C

H

H H

楔形式：

H

H

透视式(桥架式)：

H

H H

H

H

H

H

H H

CH3CH3

费歇尔投影式：H H

H

H

一般用价键式。

第四节有机化合物的分类

有机化合物碳干结构

开链化合物

碳环化合物

杂环化合物

脂环化合物

芳香族化合物官能团

烷烃

烯烃

炔烃

醇

酚

醚

醛

酮

酯

羧酸

卤代烃

胺

第五节 有机化学中的酸碱理论

布朗斯特(J.N.Br?nsted)酸碱理论——酸碱质子理论 凡是能给出质子的是酸，凡能与质子结合的是碱。 1. 布朗斯特酸碱理论是有机化学中常用的酸碱概念。 2. 布朗斯特酸碱理论中酸碱是以“共轭”的形式存在的。

酸失去质子，剩余基团就是它的共轭碱(conjugate base)。碱得到质子生成的物质就是它的共轭酸(conjugate acid)

给出质子能力强的就是强酸(strong acid)，接受质子能力强的就是强碱(strong base)。 强酸的共轭碱是弱碱(weak base) ，强碱的共轭酸必是弱酸(weak acid)。

布朗斯特酸碱理论中 ，强碱的概念是相对的。某一分子或离子在一个反应中是酸而在另一个反应中却可能是碱。

Cl Cl H 2O + H 2O

-

+ NH 4+

CH 3COO -+ H 3+O SO 42-+ H 3+O HSO 4-+ H 3+O -+ H 3+O 共轭碱共轭酸H 3+O + OH -

HCl + NH 3CH 3COOH + H 2O

HSO 4-+ H 2O

H 2SO 4 + H 2O HCl + H 2O 酸碱

酸或碱的强度用K a (pK a )或K b (pK b )来表示。水溶液中，共轭酸碱间有pK a ＋ pK b ＝14的关系。 路易斯(Lewis)酸碱理论——酸碱电子对理论(广义酸碱理论)

路易斯酸是电子对接受体(electron pair acceptor)，路易斯碱是电子对给予体(electron pair donor)。酸核碱的加合物叫酸碱配位化合物(acid-base complex)。

如HCl 中，H+是酸，Cl-是碱，NaOH 中，Na+是酸，OH-是碱。

R

Mg X

R'

O R'

R'O R'

NO 2

O 2N

O 2N

δ＋

δ－

碱

酸

附：本课程参考书

?《基础有机化学》(第三版)，邢其毅主编，高教版；

?《有机化学》(第二版)，徐寿昌主编，高教版；

?《有机化学—结构与性能》(中文版，原著第四版)，(美)K. Peter C. V ollhardt & Neil E. Schore 合著，戴立信等译，化学工业出版社；

?Fundamentals of Organic Chemistry(有机化学基础，英文版，原书第五版), John McMurry 著，机械工业出版社；

?《有机化学学习指导》，李景宁主编，高教版。