华南理工大学本科生《有机化学》课件 第1章

分子(molecules): 组成的原子 一定的排列顺序 相互影响 相互作用 结合的整体 分子结构 原子排列的顺序和相互作用 分子式 表示组成分子的原子种类和数目 CH3CH2OH 乙醇 C2H6O CH3OCH3 二甲醚
分子结构式 ——表示分子中原子连接的顺序
表示方式：
H
短线式 缩简式
H
C H
H
表1.2 一些共价键的键能 共价键 键能/kJ· mol-1 共价键 键能/kJ· mol-1
C C C C C C H N O F
3 4 3 3 4 4 1 0 6 8 7 4 5 0 5
C C C C CBiblioteka C l B r I C C
3 2 2 6 8
3 8 1 1 3
9 5 8 1 7
(3) 键角 键角：键与键之间的夹角。
4
（ -I ） C H H H H C l 33C 22C 2C 2 1
δ δ δ
δ δ δ
δ δ
δ
δ
（+I） C H － C H － C H － C H － O 3 2 2 2
δ δ
δ
诱导效应产生的原因—成键原子的电负性不同。 诱导效应的传递—逐渐减弱,传递不超过五个原子。
1.4.3 共价键的断裂和有机反应的类型
化合物类型
烯 炔 卤 醇 醚 醛 酮 羧 酸 腈 胺 硝 基 化 合 物 硫 醇 磺 酸 烃 烃 代 烃 和 酚
H H C C C C
化合物
C H 2 C C H H 3 X 2 H 5 O H ,C 6 H 5 O H O C 2H 5 2H 5 H 3 C H
2
官能团构造
C C C X O H C O C H O C C O O H N H 2 O 2 H O 3H C
软酸——接受电子的受体原子较大，带正电 荷程度弱，对外层电子抓得松；软 酸价电子层有未共用电子对。例：
. . . . . . + + . . R － X 、 C u 、 B r 、 B r － B r . . . .
硬碱——给出电子的原子电负性高，可极化 性小，对外层电子抓得紧。如： （ B r ˉ 不 为 硬 碱 ） 、 N H 、 R O H ˉ O H 、 F ˉ 3 软碱——给出电子的原子电负性低，可极化 性大，对外层电子抓得松。如： ˉ C N 、 ˉ S H 、 R S H
H C N
（不稳定）
软碱
1.7.1 按碳架分类 (1)开链化合物(脂肪族化合物) C原子连接成链状 有 (2) 脂环(族)化合物 机 C原子连接成环状 化 合 (3) 芳香族化合物 物 含有芳环结构 (4) 杂环化合物 含有由C原子和其它原子(如 O, N,S)连接成环的化合物
1.7 有机化合物的分类
共价键的形成： 由两个原子间共用一对电子产生的化学键
C +4 H
H HCH H
H H C H H
Lewis 结构式
价键式
八隅体规则 最外层电子： H 2 电子 其它原子 8 电子 类似于氖的稳定结构
乙烯：
H C H H H C C H C H H H
HC CH
乙炔：
HC C H
(1) 价键理论 共价键的形成：是成键原子的原子轨道 (电子云)相互交盖的结果
1s
能量相等 杂化：混合后再重新分配 有机化合物的结构特征：C原子为4价 (b) 碳原子轨道的sp2杂化 (c) 碳原子轨道的sp杂化
(3) 分子轨道理论
1.4.2 共价键的属性 （1）键长 成键原子的原子核间的平均距离
表1.1 一些共价键的键长 共价键 键长/nm 共价键 键长/nm
C C C C
H + 氢原子
H
H H
=
轨道交盖
氢分子
图1.1 氢原子的 s 轨道交盖形成氢分子
(2) 轨道杂化 碳原子在基态时的电子构型：
C:
1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0
杂化轨道理论: (a) 碳原子轨道的sp3杂化 基态 激发态
2p 2s 1s
电子 跃迁 2p
sp3 杂化态
3 sp 杂化
2s
1s
+ C H C O O + H C H C O O H 3 3
弱酸 强碱 有机酸特征——含有活性氢官能团，官能团 中含有电负性大的O、N原子 与氢相连。如： CH3COOH、ArOH、ROH
有机碱特征——含有孤电子对饱和O、N原子 官能团。如：
H . . . . + C H C H O C H C H [ C H C H O C H C H ]I H I 3 2 2 3+ 3 2 2 3 . . + [ C H C H O H ]H S O H S O C H C H O H + 3 2 2 4 2 4 3 2 . . + C H C O O H C H C O O N H C H C H C H C H N H + 3 3 3 2 3 3 2 2
C H N O
0 .1 5 4 0 .1 0 9 0 .1 4 7 0 .1 4 3
C C C C
Cl Br C C
0 .1 7 7 0 .1 9 1 0 .1 3 4 0 .1 2 0
(2)键能 键能： 形成共价键时体系释放的能量, 或断裂共价键时体系吸收的能量。 键能反映了共价键的强度，键能越大 则键越牢固。
有些有机物既是酸也是碱：
O R O H 、 R N H 、 R CN H 2 2
勃朗斯台特酸都是Lewis酸的一部分； 勃朗斯台特碱就是Lewis碱。
1.6.2 Lewis酸碱——电子酸碱理论 Lewis酸碱定义： 能接受电子对的分子或离子为酸。 能给出电子对的分子或离子为碱。 Lewis酸碱特点： Lewis酸一定是含有空轨道原子的分子或 离子。如：AlCl3 。 Lewis碱一定是含有孤电子对原子的分子 或离子。如：ROR 。
开链化合物： 脂环化合物：
O H
环己烷 环戊二烯 环辛烯 环己醇
C H C H C H C H C H C H C H C C H C H C H O H 2 3 3 3 2 3 3 2
芳香族化合物：
O H
苯 萘 苯酚
C l
氯苯
杂环化合物：
O S N C H O O
四氢呋喃
噻吩
吡啶
糠醛
1.7.2 按官能团分类 容易发生反应的原子或基团称为官能团。
R O ˉ＋ H
+
R O H
1.6.3 硬软酸碱原理 硬酸——接受电子的受体原子较小，带正 电荷程度高，对外层电子抓得 紧；硬酸价电子层没未共用电子 对。例如：
+ + + + 2 + 2 + 3 + H L i N a KM g C a A l B F l C l O O 3A 3S 3C 2 H X
“硬”、“软” 是用来描述酸碱抓电子 的松紧程度。 硬酸 硬碱 软酸 软碱 外层电子抓得紧
外层电子抓得松
酸碱结合成络合物的稳定规律： 硬亲硬，软亲软 都得稳定化合物。
+ H
ˉ O H ＋
硬碱 软碱
硬酸 软酸
（稳定）
H O 2
+ ˉ C N ＋ C u
C u C N
（稳定）
硬酸
+ ˉ C N ＋ H
有机反应：
溶剂 CCl4
底物
试剂
产物
反应物
共价键断裂的方式： 均裂：
RL R +L 自由基
异裂：
C + L
碳正离子
C L
C+ L
碳负离子
有机反应活性中间体： 碳正离子、碳负离子、自由基
1.5 分子间相互作用力
1.5.1 偶极–偶极相互作用
偶极–偶极相互作用： 一个极性分子带有部分正电荷的一端 与另一个分子带有部分负电荷的一端之间 的吸引作用。
酸 碱 .. H O +N H 2 3 .. C H C O O H+N H 3 3 O H H +N 2 共 轭 碱 O H
共 轭 酸 + H +N 4
+
C H C O O+ N H 3 4 O H +N 3
强酸的共轭碱是弱碱：
H S O 2 4
+ H + H S O 4
强酸 弱碱 弱酸的共轭碱是强碱：
δ
H Cl
δ
H
Cl
μ = 3.57 × 10-30 C· m 共价键的极性大小是用偶极矩(μ)来度量的。 μ= q.d
q: 电荷 d: 正负电荷之间的距离 μ:单位为C· m (库[仑]· 米)
诱导效应： 由于分子内成键原子或基团的电负性 不同而引起分子内成键电子云向电负性较大 (或电负性较小)的原子团方向偏移的电子效 应，就称为诱导效应( I )。 这种影响沿分子链静电诱导地传递下去：
C H C H 3 2 ＼ . A l C l .+ O 3 C H C H 3 2
C H C H 3 2 ＼ . A l C l . O 3 C H C H 3 2
C H C H 3 2 ＼ . B F .+ O 3 C H C H 3 2
C H C H 3 2 ＼ . B F . O 3 C H C H 3 2
1.1 有机化合物和有机化学 1.2 有机化合物的特性 1.3 分子结构和结构式 1.4 共价键 1.4.1 共价键的形成 (1) 价键理论 (2)(2) 轨道杂化 (3) 分子轨道理论 (4)1.4.2 共价键的属性 (1) 键长 (2)(2) 键能 (3)(3) 键角
第一章
绪
论
(4) 键的极性和诱导效应 1.4.3 共价键的断裂和有机反应的类型 1.5 分子间相互作用力 1.5.1 偶极-偶极相互作用 1.5.2 van der Waals 力 1.5.3 氢键 1.6 酸碱的概念 1.6.1 Brø nsted 酸碱理论 1.6.2 Lewis 酸碱理论 1.6.3 硬软酸碱原理 1.7 有机化合物的分类 1.8 有机化合物的研究程序
官能团名称
碳 碳 卤 羟 醚 碳 双 键 碳 三 键 基 ( 卤 原 子 ) 基 键
C
C
C H C H C C C C C H H H
2
3 3
O C O C
醛 基 酮 基 ( 羰 基 ) 羧 基 氰 氨 硝 巯 磺 基 基 基 基 基
C H O H
3
3 3 3 5 5
H 6H
O C N N H 2 N O 2 S H S O 3H
O C N N S S
本章小结： 1、碳原子不同杂化轨道的空间分布和电负性 ▲ SP3杂化轨道在空间分布是以碳原子为中 心，四个轨道指向正四面体四个顶点； ▲ SP2杂化轨道在空间分布是以碳原子为中 心，三个轨道共在一个平面，对称 轴之 间的夹角为120。； ▲ SP杂化轨道在空间分布是以碳原子为中 心，两个轨道对称轴之间的夹角为180。。 ▲ 不同杂化碳原子的电负性（吸电子能力） 由大到小是：SP杂化碳＞SP2杂化碳＞SP3 杂化碳。
2、诱导效应：
Y: 电负性很强，原子半径较小
两个甲醇分子之间形成的氢键：
H C 3 O H O C H 3 H
分子间作用力大小顺序为： 氢键 >> 偶极-偶极吸引力 > van der Waals力
1.6 酸碱的概念 1.6.1 Brø nsted 酸碱理论 Brø nsted 定义： 酸：给出质子的分子或离子。 碱：接受质子的分子或离子。
CH3CH2CH2CH3
键线式
O
1.4 共价键
有机化合物中典型的化学键：共价键 有机化合物的共同结构特征：共价键结合 1.4.1 共价键的形成 离子键的形成： 一个或更多的电子从一个原子转移到 另一个原子形成离子时产生的键。 它是带有相反电荷的质体间的吸引力。
N a(气) C l(气) + e N a(气) + C l(气) N a(气) + e C l(气) N aC l(气)
H－Cl
＋
H－Cl
＋
＋
＋
H－Cl Cl－H
-
-
-
极性分子之间的一种相互作用
1.5.2 van der Waals 力 van der Waals (范德华)力： 非极性分子之间存在的吸引力 ＋ ＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
-
-
-
-
瞬间偶极和诱导偶极之间相反电荷的 区域彼此吸引。 1.5.3 氢键
Y ( Y : N , O , F 等 原 子 ) H
有机化合物的组成 基本元素：C 其它元素： H, N, O, X, S, P, Si 等 有机化合物为碳氢化合物及其衍生物 有机化学是研究 C 化合物的化学 有机化学的研究内容： 组成 结构 有机化合物 性质 有机反应 性质的变化规律 结构与反应性之间的关系
1.1 有机化合物和有机化学
1.2 有机化合物的特性 1.3 分子结构和结构式
H H C H 109.5 ° H
104 ° O
甲烷 乙醚 甲醛 键角反映了分子的空间结构 (4) 键的极性和诱导效应 共价键的类型： 非极性共价键： 两个相同的原子成键, 电子云对称分 布在两个原子之间。
H 118° C H
121° O
H H C lC l
极性共价键: 不同的原子成键时，由于原子的电负性 不同，使电负性较强原子一端的电子云密度 较大。