§1-1有机化学的研究对象

第一章绪论§1-1有机化学的研究对象一、有机化合物和有机化学涵义矿物、无生命的物质——无机物有生命的机体中获得的物质——有机物1．有机化合物是指碳氢化合物及其衍生物。

2．有机化学是研究有机化合物的结构、性质及其变化的一门学科。

二、有机化学的产生和发展有机化学作为一门科学是在十九世纪产生的，但是有机化合物在生产和生活中的应用则由来已久。

我国在夏、商时代人们就会从植物中提取染料、香料、药物等，以及酿酒、制醋、制糖等以满足生活的需要，积累了比较丰富的实践经验，但由于生产力的落后，人类对有机物的认识仍然停留在初级阶段，还没有发展成为一门科学科。

十八世纪末，分离和提纯技术进展很快，人们开始从动植物体中提取一些较纯的有机物。

其中杰出的代表瑞典科学家舍勒，他先后分离和提纯了大量有机物：酒石酸（1769年）、草酸（1776年）、乳酸（1780年）等。

这些化合物有许多共同的性质，但与人们从矿物中得到的化合物相比有明显的区别。

在十九世纪初，曾认为这些化合物是在生命体内由生命力的影响而生成的，因而有别于从无生命的矿物中得到的化合物。

因此将从动植物体内得到的物质称为有机物，从无生命的矿物中得到的化合物称为无机物。

限于当时科学水平，便错误地认为有机物只能从动植物有机体中得到，无形中在无机物和有机物之间划了一条不可愈越的鸿沟。

这个唯心的“生命力”论曾阻碍过有机化学的发展，有机物需要靠神秘的“生命力”在活体内才能制造，决不能在实验室中用化学方法从无机物制备。

这种思想曾一度牢固地统治着有机化学界，使人们放弃了用人工合成有机物的想法。

1828年，德国化学家维勒，在实验室将无机物氰酸铵溶液蒸发得到有机物尿素。

NH 4OCNH 2N C O NH 2无机物合成有机物维勒的这一成果并没有立即得到同行们的承认，但人工合成尿素的成功，直接地冲击了“生命力”论，打破了有机物和无机物之间的绝对界限。

继维勒工作之后，更多的有机物被人工合成成功，开创了有机合成的道路。

1845年，德国的柯尔柏(H.Kolnbe)合成醋酸。

1854年，法国的柏塞罗(M.Bevthlot)合成了油脂。

事实证明了人工合成有机物是完全可能的，从而流行一时的“生命力”论，终于被击溃了。

恩格斯在《自然辩证法》导言中写道：“由于用无机的方法制造出过去一直只能在活的机体中产生的化合物，它就证明了化学定律对有机物和无机物同样适用，而且把康德还认为地无机界和有机界之间的永远不可逾越的鸿沟大部分填起来了。

”这样，有机化学进入了合成的时代。

随着有机合成的迅速发展，积累了大量的实验资料，人们愈来愈清楚地知道，在有机物与无机物之间并没有一个绝对的界限，它们遵循着共同的变化规律，但在组成上和性质上这两类物质的确存在着某些不同之处。

有机化学进入了合成时代后，发展很快，积累了很多有机物，为了深入研究有机化合物，就需要进行分子结构的研究。

1858年德国化学家凯库勒和英国化学家库帕提出有机化合物分子中碳原子是四价及碳原子之间相互连接成碳链的概念，成为有机化合物分子结构的，最原始和最基础的理论。

1861年布特列洛夫运用了碳四价的概念，首次提出了化学结构的概念。

认为结构是原子在分子中结合的序列，绝大多数有机物具有固定的结构，而结构规定了化合物的物理特征和反应行为。

1874年范特霍夫和勒贝尔建立分子的立体概念，说明了对映异构和顺反异构现象。

开创了从立体观点研究有机化学的立体化学。

这是经典的有机化学结构理论基本建立。

三、有机化合物的特点碳原子的价电子层1S22S22P2。

因此，有机物分子是共价键结合的。

这里说的是特点，是相对无机物比较而得到的一般特点，当然也有例外情况。

1.数量多，结构复杂。

（有机物普遍存在同分异构现象，目前已知的有机化合物的数目已达到二千多万种。

）2.可燃性：绝大多数有机物都是可燃的。

3.热稳定性差，熔、沸点较低。

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。

因此有机物的熔点一般小于400℃，无机物的熔点一般较高。

4.难溶于水。

水的极性很强，而有机物一般为非极性或极性较弱的化合物，所以有机物多数都不溶于极性溶剂中。

（相似相溶原理）5.反应速度慢，产物较复杂。

常有副产物，副反应。

有机反应一般是非离子反应，速度较慢。

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。

四、有机化学的重要性有机化学是一门基础理论课程，是有机化学工业的理论基础。

随着有机化学的发展，有机化学已延伸到国民经济的各个领域，成为和衣食住行密切相关的一门科学。

人们的衣、住、行和日常生活用品都离不开有机物，食物中的脂肪、蛋白质和碳水化合物，在本质上都是有机物。

医药中的大多数西药都是有机物。

日常用品中的塑料制品，合成纤维、羊毛和棉花，橡胶都离不开有机物。

§1－2 共价键的一些基本概念化学键离子键: 阴阳离子共价键: 共用电子对一、共价键的本质1．价键理论基本要点：（1）成键的两个原子都具有未成键电子，且自旋相反，就可配对，每一对电子成为一个共价键。

如果原子A和原子B均各有一个未成对电子，它们即可形成共价单键。

例HF，H的一个1S电子和F的一个2P电子，形成一个共价单键H-F。

如果原子各有两个或叁个未成对电子，那么它们可以形成双键或叁中N原子的三个2P轨道中有有一个未成对电子可以形成共键。

例N2价叁键。

He没有未成对电子，因此He原子接近时，不能形成共价键。

（2）共价键具有饱和性。

如果一个原子的未成对电子已经配对，它就不能再与第三个电子配对，这就是饱和性。

（3）共价键具有方向性。

电子云重叠程度越大，形成的键愈牢固。

因此要尽可能在电子云密度最大的地方重叠。

例：2．分子轨道理论分子轨道理论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。

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。

分子中电子的运动状态,即分子轨道,用波函数ψ来表示。

现以最简单的氢分子的形成过程为例，如果氢分子H A 原子的原子轨道ΨA 和H B 原子的原子轨道ΨB 线性组合成氢分子轨道，可近似表示如下：Ψ1= C 1ΨA +C 2ΨBΨ2= C 1ΨA -C 2ΨB上式中C 为参数。

图示：+Ψ1Ψ2反键轨道—成键轨道AΨBA BΨB能量Ψ2=ΨA ΨB Ψ1ΨA =ΨB +))_由图可见，两个电子从1S 轨道转入氢分子的分子轨道Ψ1时，体系的能量大大降低，这样,成键轨道Ψ1的能量低于氢原子的1S 态电子的能量。

相反，反键轨道Ψ2的能量则高于氢原子的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H 2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，氢分子自动离解为两个氢原子。

成键轨道Ψ1中ΨA和ΨB符号相同，这两个位相相同的波函数相互作用的结果，使Ψ1电子几率密度增大，原子轨道重叠达到了最大的程度，形成了稳定的共价键。

而反键轨道Ψ2是两个位相不同的波函数相互作用，结果是有利于核的分离，而不利于原子的结合。

综上所述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。

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。

（2）最大重叠。

原子轨道重叠的部分要最大时，才能使所形成的键最稳定。

（3）能量接近。

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。

(注意，原子的内层电子在形成分子时不发生作用，仍在原来的轨道上。

)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。

二、共价键的参数共价键的重要性质表现于键长、键角、键能和偶极矩等物理量。

1．键长：形成共价键的两个成键原子核之间的距离。

形成共价键的两个原子之间存在着一定的吸引力和排斥力，使原子核之间保持一定的距离，这个距离叫键长。

单位可用nm或pm表示。

注意：同一类型的共价键的键长在不同的化合物中可能稍有差别。

因为构成的共价键的原子在分子中还是孤立的，而是相互影响的。

CH3 CH≡CH0.1530nm 0.1510nm 0.1456nm2．键角：指两个共价键之间的夹角。

键角反映了分子的空间结构。

注意：在不同的化合物分子中，由于相同的原子形成的键角也有差别，这是由于分子中各原子或基团相互影响的结果。

3．键能：当A和B两个原子（气态）结合生成A-B分子（气态）时放出的能量。

（单位：KJ/mol）也可以理解为A-B双原子（气态）分子共价键解离为原子（气态）时所需要的能量。

共价键的断裂，必须吸热，△H＞0；形成共价键的时放热，△H＜0。

注意：对于多原子分子的键能不同于键的解离能，中多原子分子共价键的键能是断裂分子中全部同类共价键所需解离能的平均值。

例如，甲烷中四个C-H的解离能是不一样的，其C-H键能是平均解离能。

4．偶极矩：指共价键的键矩，用来衡量键的极性。

键的极性影响整个分子的极性，分子的偶极矩是各键键矩的向量和。

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 I2.1 2.53.0 3.54.0 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。

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。

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共价键叫做极性共价键。

例：CH 3-Cl 电子云靠近其中电负性较大的氯原子。

因此，用带微量电荷表示。

这样的键角有一定键矩，是极性共价键。

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。

三、共价键的断裂方式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。

A B B A +A B B A+C X +C C +X 碳正离子碳负离子+§1-3研究有机化合物的一般步骤一、分离、提纯二、纯度的检验三、实验式和分子式的确定四、结构式的确定1．化学方法官能团的化学反应2．物理方法分子式分子结构式分子结构包括分子的构造、构型和构象。