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有机化学(中国地质大学)
名称:有机化学(中国地质大学)
分类:石油化工  
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时间:2017/10/15 9:30:24
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有机化学(中国地质大学)介绍

  

有机化学实验是有机化学教学中不可分割的重要组成部分,是验证、巩固和加强所学的理论知识,培养学生正确选择有机化合物的分离、鉴定和合成的方法,分析、解决实验中遇到问题的思维和动手能力,培养学生实事求是、严谨认真的科学态度,训练学生进行有机化学实验的基本技能和方法以及总结实验现象、整理实验数据、撰写实验报告的能力。实验部分包括有机化合物的分离、鉴定与合成,通过实验课程的学习,使学生系统掌握有机化学的基本知识理论和实验操作的基本技能,为将来从事高分子科学、精细化工、应用化学、环境工程等相关专业的研究打下扎实的基础,对其他专业拓宽基础知识也具有重要的作用。
有机化学历来是 药学专业的四大化学基础课之一。相对于其它三门基础课而言,有机化学是一门发展十分迅猛的学科。根据统计数字表明:在全世界已发现的约几千万种化合物中,有机化合物约占59/60,而目前有机化合物的数目还在以指数表达的速率迅速增加。这些层出不穷的有机化合物不仅带动了有机学科本身的发展,也成了其它化学学科的研究对象,这使有机化学在化学各学科中占有一种十分特殊的地位;此外,无论从事 药学哪一个领域的工作,都必须具备有机化学的基础知识,若从发展的眼光来看,这种需要还将进一步加强,有机化学的另一个特点是它与其它学科之间的交叉渗透十分广泛。例如:发展很快的生物有机是有机化学与生物学之间的边缘科学,它对于研究生命现象十分重要;有机金属化合物的化学则是有机化学与无机化学之间的边缘科学;迅速发展的材料科学则是有机、高分子和无机化学交叉渗透的新型学科。因此学生打好有机化学的基础对于将来从事新颖的边缘学科的研究也有十分重要的作用。
第一章  绪 论 (学时数3)
目标与要求: 1. 了解有机化学的发展简史,激发学生的学习兴趣和求知欲;
2. 掌握共价键理论及其在有机化学上的应用;
3. 了解研究有机物的一般方法及分类。
4.初步掌握诱导效应
教学重点:共价键的形成及其属性
教学难点: 共价键的形成
教学方法:
充分利用教材,尽可能多采取多媒体课件与课堂讲授相结合、理论与有机化学发展实例相结合的教学组织形式和方法进行教学。
本章主要内容
1.有机化学及其重要性
2 有机化合物的特性
3 有机化合物中的化学键--共价键
3.1 价键理论
3.2 分子轨道理论
3.3 共振论简介
3.4 共价键的属性
4 研究有机化合物的一般方法
5 有机反应的类型
6 有机化合物的分类
6.1 根据碳的骨架分类
6.2 按官能团分类
7. 诱导效应
本章基本概念:
有机化合物、有机化学、价键理论、分子轨道理论、共价键的属性、有机反应的类
型、有机反应中间体、诱导效应

第一节、 有机化学及其重要性
1. 有机化学的发展
最初有机物大都由动植物等有机体得到的物质,例如:糖、染料、酒和醋等 。在我国古代,周朝已知用胶,汉朝发明了造纸—— 有机物的初级认识 —— 性质的应用,非结构与性质的了解。十八世纪 —— 纯物质 概念:例如:从葡萄汁中获得了酒石酸,从尿中获得尿素,从酸牛奶中取得了乳酸等 。由于这些物质均为从有生命的物体中获得,(同无机物,例如:矿石、金属相比)并且由于当时的条件所限制,不能用人工合成,“有机”这一词便由此而生。
1828年,魏勒(Wholer)第一次人工合成了尿素。
1845年,Kolbe合成了醋酸
1854年,Berthelot合成了油脂
随着科学的发展,更多的有机物被合成,“生活力”才彻底被否定,从此有机化学进入了合成的时代。
2.有机化合物及化学的定义
有机化合物:指含碳的化合物,或者碳烃化合物及其衍生物。可含C、H、O、N、P、S等元素。
有机化学:是研究有机化合物的结构、性质、合成、反应机理及化学变化规律和应用的一门科学。
3.有机化学的研究任务
1) 分离、提取自然界存在地各种有机物,测定、确定其结构、性质—— 天然产物的提取、分离,结构鉴定、开发与应用研究:食品、药物
2) 研究有机物的结构与性质间的关系,有机物的反应、变化经历的途径、影响反应的因素,揭示有机反应的规律,以便控制反应的有利发展方向
3) 由简单的有机物(石油、煤焦油)为原料,通过反应—合成自然界存在or不存在的有机物 — 人们所需的物质。如: 维生素、药物、香料、染料、农药、塑料、合成纤维、合成橡胶等。
4、有机化合物的用途和作用
1)  构成动植物的结构组织 — 蛋白质和纤维素
2) 遗传信息物质 — DNA  RNA等
3)  贮藏养分(能量)物质 — 淀粉、糖、肝糖、油 脂;
4)  信号、调控物质— 信息素、激素、维生素、生长素等
5)  其它物质 — 如色素、气味(香臭)物质,可满足人们某些特殊需求的有机物
第二节  有机化合物的特点
与无机化合物比较:无机化合物由离子键组成,硬度大,熔点高,水溶性大。
1)  容易燃烧,CO2和H2O是主要燃烧产物。 (从生活中的防火知识进行演绎,得出大多数有机物易燃的结论;简单解释:碳碳键和碳氢键大都可以转变成碳氧键和氢氧键并且放出能量。)
2)  固体化合物的熔点低,很少超过400℃。
很多典型的无机物是离子化合物,它们的结晶是由离子排列而成的,晶格能较大,若要破坏这个有规则的排列,则需要较多的能量,故熔点、沸点一般较高。而有机物多以共价键结合,它的结构单元往往是分子,其分子间的作用力较弱。因此,熔点、沸点一般较低。在实验室里便于测定,所以常用有机物的熔点来鉴定,鉴别有机物。
3)  难溶于水,易溶于有机溶剂。从石油、食油、氯仿、苯的水溶性导出大多数有机物不溶于水的结论简单解释:相似者相溶。相似相溶:(是物质溶解性能的一经验规律)极性强的化合物易溶于极性强的溶剂中,极性弱或非极性化合物易溶于弱极性或非极性的溶剂中。
例如:NaCl易溶于水中(有溶剂化作用)、油不溶于水中(分子间作用力小)、汽油溶于石蜡中(分子间作用力相差不大)、 乙醇溶于水(有氢键的作用。)。
4)  转化速度慢,副产物多,反应物转化率和产物的选择性很少达到100% .
无机反应一般都是离子反应,往往瞬间可完成。例卤离子和银离子相遇时即刻形成不溶解的卤化银沉淀。有机反应一般是非离子反应,速度较慢,但也有例外,有机炸药的爆炸。为了加速有机反应常采用加热,加催化剂或用光照射等手段。
5)  反应复杂,副产物多,反应物转化率和产物的选择性很少达到100% .
有机反应常伴有付反应发生。有机物分子比较复杂。能起反应的部位比较多。因此反应时常产生复杂的混合物使主要的反应产物大大降低。一个有机反应若能达到60-70%的产率,就比较令人满意了。但科学研究中为了提取某种需要的物质,往往产率只有1%也认为是可行的。由于产物复杂,所以有机物的分离技术是很重要的。
6) 数量多,结构复杂。有机物至今已有二千多万种以上,而且还不断增加,每天,全世界被发现和被合成的有机物大约有1000种。构成有机物的元素不多,但数量很多,其主体C原子结合的很牢固,结合的方式也多种多样,存在多种异构体(碳链、位置、几何、旋光等等)。
第三节 有机化合物的结构理论
1. 凯库勒结构式
19世纪后期凯库勒和古柏尔在有关结构学说的基础上,确定有机化合物中碳原子为四价;碳原子除能与其它元素结合外,还可以和其它碳原子以单键、双键和叁键相互结合成碳链或碳环,并把一些化合物用化学式表示:如甲烷、乙烯、乙烯和环戊烷等,这些化学式代表了分子中原子的种类、数目和彼此结合的顺序和方式,称为凯库勒结构式。
20世纪,荷兰化学家范霍夫和法国化学家贝尔提出了饱和碳原子的四面体结构学说,在甲烷分子中,碳原子处在四面体的中心,四个氢原子处在四面体的四个顶点上。
2. 离子键和共价键
离子键,成键原子间通过电子转移产生正、负离子,两者相互吸引所形成的化学键。
共价键:成键的两个原子各提供一个电子,通过共用一对电子相互结合的化学键。
配位键:是一种特殊的共价键,它的特点是:形成共价键的一对电子是由一个原子提供的。有机化合物中绝大多数化学键是共价键。
构造式:分子中原子的连接顺序和方式称为分子的构造.表示分子中各原子的连接顺序和方式的化学式。
电子式:用两小点表示一对共用电子对的构造式。
价键式:用短横线(-)表示共价键的构造式。
3. 共价键的本质
1) 价键理论 ( 电子配对理论 )
A、基本要点:
(1) 假定分子的原子具有未成对电子且自旋反平行时,就可偶合配对,每一对电子成为一个共价键。
(2) 共价键具有饱和性。
(3) 共价键具有方向性。电子云重叠愈多,形成的键愈强。
(4) 能量相近的原子轨道可进行杂化,组成能量相等的杂化轨道,这可使成键能力更强,体系能量降低,成键后可达到最稳定的分子状态。
2) 分子轨道理论
(1) 基本概念
A. 原子轨道:原子中电子的运动状态叫原子轨道.原子中的电子有s电子,p电子等,它们相应的运动状态为s轨道和p轨道.
B. 分子轨道:分子中的电子的运动状态,由原子轨道的重叠而形成,共价键可用原子轨道的重叠形成的分子轨道来描述;用波函数 y 表示。
分子轨道理论 是1932年提出来的,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,认为形成化学键的电子是在整个分子中运动的,通过薛定谔方程的解,可以求出描述分子的电子运动状态的波函数Ψ。实际求解波函数Ψ是很困难的。通常只能用近似方法,最常用的是原子轨道线性组合法得到。缩写LCAO。即把分子轨道看成是所属原子轨道的线性组合。
以H2分子为例。介绍求解结果所以得的直观图形,来了解共价键形成的过程。
Ψ1= C1ΨA+ C2ΨB   ,     Ψ2 = C1ΨA- C2ΨB
Ψ1Ψ2是H2分子轨道。
ΨAΨB是HA、HB原子的原子轨道。C1 C2是系数。
图示:
由图可见,两个电子从1S轨道转入H2分子的分子轨道Ψ1时,体系的能量大大降低,这样成键Ψ1的轨道低于H原子的1S态电子的能量。相反,反键的轨道轨道Ψ2的能量则高于H原子的1S态电子的能量。所以氢原子形成氢分子时,一对自旋相反的电子进入能量低的成键轨道中,电子云主要集中于两个原子之间从而使H2分子处于稳定的状态,反键轨道恰好相反,电子云主要分布于两个原子核的外侧,有利于核的分离面不利于原子的结合。所以当电子进入反键轨道时,反键轨道的能量高于原子轨道,则体系不稳定,H2分子自动离解为两个H原子。
(2) 分子轨道的基本要点:
a. 假设分子中每个电子运动是在整个分子中运动的。
b. 每个分子轨道都有一个相应的能量,分子的总能量就近似的等于各电子占据着的分子轨道能量的总和。
c.每一个分子轨道最多只能容纳2个电子,并自旋方向相反。
d.电子填充分子轨道时,首先占据能量最低的分子轨道。
e.分子轨道是原子轨道的线性组合,有几个原子轨道就可组合成等同的分子轨道。
(3) 组成分子轨道的三个原则:
a. 对称匹配的原则。组成分子轨道的原子轨道的符号(即位相)必须相同,才能匹配组成分子轨道。否则就不能组成分子轨道。
b. 能量接近原则。成键的原子轨道的能量相相近能量差愈小愈好,这样才能够有效地组成分子轨道。
c. 最大重叠原则。原子轨道重叠的部分要最大,愈大愈好,使所形成的键稳定。
虽然分子轨道理论对共价键的描述更为确切,但由于价键理论的定域描述比较直观,易于理解,因此在有机化学中使用较多的还是价键理论。只有在一些具有明显离域的体系中才用分子轨道理论。
(4) 价键法和分子轨道法
A.  H原子的电子构型:1s1 ,  H和H形成H2:
 价键法:
H-H键的电子云围绕键轴成对称分布,叫s键. (p轨道和p轨道之间也可形成s键)
B.  C原子电子构型:  1s22s22 px12py12pz0
C 原子以杂化状态存在能量更低,更稳定:  1s22s12px12py12pz1.
杂化方式有3种:
1)SP3杂化
            SP3杂化正四面体
    2) SP2杂化轨道
              杂化— 平面型结构
    3)SP 杂化
                        SP 杂化— 直线型结构                           
C. 当C原子成键时,如:
(1)  H2C=CH2(乙烯),其中 C原子为sp2杂化:
价键法:
分子轨道理论: p 键的形成
(2)   HC ºCH(乙炔),其中C原子为sp杂化.
价键法:
分子轨道理论:
   3) 共价键的属性
(1) 键长 :形成共价键的两个原子核间距离。键长越短,表示键越强、越牢固。
   (2) 键角 :两个共价键之间的夹角。键长和键角决定着分子的立体形状。
   (3) 键能 :指断单个特定共价键所吸收的能量,也称为该键的离解能。键能越大,两个原子结合越牢固,键越稳定
   (4) 键的极性:  键的极性与键合原子的电负性有关,一些元素电负性数值大的原子具有强的吸电子能力。常见元素电负性为:
       H    C     N    O   F   Si    P    S    Cl    Br    I
      2.1   2.5    3.0   3.5  4.0  1.8   2.1  2.5   3.0   2.5    2.0
    对于两个相同原子形成的共价键来说,可以认为成键电子云是均匀的分布在两核之间,这样的共价键没有极性,为非极性共价键。但当两个不同原子形成共价键时,由于原子的电负性不同,成键电子云偏向电负性大的原子一边,这样一个原子带有部分正电荷。电子云不完全对称而呈现极性叫做极性共价键。
键的极性大小,键的极性以偶极矩 m 表示,单位 德拜D(Debye):
偶极矩 m 是一个向量,用         表示其方向,箭头指向负电中心。
共价键的偶极矩 在 0.4 —— 3.5 D 之间,偶极矩越大,键的极性就越强;
(5) 分子的偶极:键的极性影响整个分子的极性,分子的偶极矩是各键的键矩总和,键矩的向量。
例H-H是非极性,键矩为0,其电子云均匀分布于两个原子之间。
又例:CH3-Cl电子云靠近其中电负性较大的原子。因此,用带微量电荷表示。这样的键角有一定键矩,键矩为1.86D,是极性共价键。
CH4的键矩为0,是对称分子。
注意由极性键组成的分子不一定是极性分子。
分子的极性对熔点、沸点、溶解度等都有一定的影响。
第四节  研究有机化合物的一般方法
1. 一般研究方法
1)  分离纯化—— 获得纯品(单一化合物 或 单体)
2)  纯物质的物理常数测定:bp,mp,折射率,旋光度等
3)  纯物质的定性和定量分析:确定组成元素,官能团数量,实验式等
4)  物质结构的测定与表征:分子结构(原子在分子中的连接顺序、分布方式等)
5)  人工合成,性能与结构的研究
2. 化学方法
官能团的化学反应
化学降解法
3. 物理方法
分子结构包括分子的构造、构型和构象。
构造:分子中原子互相连结的方式和次序。
构型:在构造式的基础上,分子中原子的空间排列方式。
构象:由于围绕单键旋转而产生的分子在空间的不同排列形式。
第五节  有机反应的类型
化学反应—涉及分子中化学键的断裂,即旧化学键的裂解断裂,新的化学键的形成,同时生成新的分子的过程。
1.化学键断裂方式
1) 均裂:成键的一对电子平均分给两个原子或原子团。
2) 异裂
3) 周环反应(协同反应)
反应不受外界条件的影响,反应时共价键的断裂和生成,是经过多中心环状过渡态协同地进行。
2. 有机反应的类型
1) 自由基型反应:按照均裂进行的反应叫游离基型反应 or 自由基型反应:烷烃的卤代反应等。在气相或惰性溶剂中:光照或高温下  — 均裂为主     —— 自由基型反应
2) 离子型反应: 按照异裂方式进行的反应叫 离子型反应:如卤代烃的取代反应。在极性溶剂中,或在酸、碱催化下 —— 异裂为主       ——  离子型反应
3) 协同反应:—— 如周环反应:特点旧键的断裂和新键的形成是同时发生的;反应过程中不生成游离基或离子活性中间体。

第六节 有机化合物的分类
1.按基本骨架分类
(1) 脂肪族化合物: 分子中碳原子相互结合成碳链或碳环。
(2) 芳香族化合物: 碳原子连接成特殊的芳香环。
(3) 杂环化合物:   这类化合物具有环状结构,但是组成环的原子除碳外,还有氧.硫.氮等其他元素的原子。
2. 按官能团分类
   官能团是决定某类化合物的主要性质的原子、原子团或特殊结构。显然,含有相同官能团的有机化合物具有相似的化学性质。
                
常见的官能团及相应化合物的类别

碳碳双键                              烯烃

碳碳叁键                             炔烃
卤素原子           —X                       卤代烃
羟基              —OH                       醇、酚

醚基                                醚

醛基                                    醛

羰基                                    酮等

羧基                                  羧酸

酰基                                    酰基化合物
氨基               —NH2                     胺
硝基               —NO2                     硝基化合物
磺酸基             —SO3H                    磺酸
巯基               —SH                      硫醇、硫酚
氰基               —CN                      腈

第七节 有机化学中诱导效应
由极性键的诱导作用而产生的沿其价键链传递的电子偏移效应称为诱导效应,简称I 效应.包括静态诱导效应和动态诱导效应.
     诱导效应沿化学键由近而远传递, 距离越远, 影响越小, 一般传递三个化学键以上就可以忽略不计.
诱导效应对羧酸酸性的影响
羧酸在水溶液中解离平衡常数Ka表示酸的强弱:

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