有机化合物和有机化学

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第 一章 绪 论 第二节 共价键（一、路易斯共价键理论)
碳原子既不容易得到电子,也不容易失去电子。因此, 有机 化合物分子中的原子间主要以共价键相结合, 以满足八隅律。
H HC H
H
H
H
HC CH H C C H
这种用电子对表示共价键结构的化学式称为 Lewis
结构式。它主要用于说明有机反应机制中电子的转移。
第一章 绪 论
1.有机化合物和有机化学 2.共 价 键 3.分子的极性和分子间的作用力 4.有机化合物的功能基和反应类型 5.有机酸碱概念 6.确定有机化合物结构的步骤与方法 7.分子轨道和共振
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第 一章 绪 论 第一节 有机化合物和有机化学
第一节 有机化合物和有机化学
17世纪中期, 把从自然界中取得的各种物质,按照来源分为:
sp2
杂化
烯烃
sp
杂化
炔烃
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第 一章 绪 论 第二节 共价键（四、共价键的属性)
四、共价键的属性
键长 ：成键原子的核间距离 键角：两共价键之间的夹角
决定分子 空间构型
键能：离解能或平均离解能 → 化学键强度
键的极性: 成键原子间的电荷分布 → 影响理化性质
几种共价键的键长、键角、键能
H+
+H
C+ C+
H
H
价键式
H HCH
H
H C
H
H C
H
缩写式
CH4
单键
H2C CH2 双键
乙炔 H + C C + H
HCC H
HC CH 叁键
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氯甲烷
Lewis 电子式
H + H + C Cl +
H
价键式
H H C Cl
H
缩写式
CH3Cl CH3 Cl
乙醇
HH
+ H +C
+
+ C +
O+ H
H
Cδ+
δI-
H δ+
δ-
CI
H
Cδ+
δ-
I
HH
HH
HH
偶极-偶极作用力
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第 一章 绪 论 第三节 分子的极性和分子间作用力（二、分子间作用力)
当一种化合物分子中包含 H—O、H—N 或 H—F 等结 构时, 分子间往往具有很强的吸引力, 一个分子中带部分正 电荷的氢原子吸引另一个分子中电负性很强，并带有孤对 电子的原子(O、N或F)。这种吸引力称为氢键(约 21kJ.mol1)。氢键是一种特别强的偶极一偶极作用力。
C—H
键键长长//pnmm
01.01909
键角/ °
键能/kJ·mol-1 415.3
C—C 01.15544 109.5 345.6
C = C C≡C
01.13344 01.12200
120
180
610
835
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第 一章 绪 论 第二节 共价键（四、共价键的属性)
对于同种原子形成的共价键，公用 电子由两个原子核均等“享用”：
H
BCNO F
Si P S Cl Br
有机化合物中常见的元素 I
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第 一章 绪 论 第一节 有机化合物和有机化学
有机化学是医学课程中的一门重要基础课， 也是生命科学不可缺少的化学基础。
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第 一章 绪 论 第二节 共价键（一、路易斯共价键理论)
第二节 共价键
一、路易斯共价键理论
部分负电荷(δ-)，另一方带部分正电荷(δ+)：
d+
d-
H3C ——— Cl
这种成键电子云不是平均分配在两个成键原子核之
间的共价键称为 极性(共价)键 (polar covalent bonds) 。
H
电负性增强
2.20 C N O F
2.55 3.04 3.44 3.98 电
P
2.19
S
2.58
Cl
3.16
Br
负 性 减 弱
2.96
I
键的极性大小取决于成键原 子的电负性差, 电负性差越大键 的极性越大。一般, 两个元素的 电负性差值≥1.7为离子键；＜1.7 为共价键，其中电负性差值在 0.7～1.6为极性共价键。
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第 一章 绪 论 第三节 分子的极性和分子间作用力（一、分子的极性)
H3C ——— CH3
两个成键原子既不带正电荷 ,也不带负电 荷，这种键没有极性，叫非极性共价键。
H C
HH
H
C H
H
H C
HH
H
C H
H
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第 一章 绪 论 第二节 共价键（四、共价键的属性)
当两个不同原子成键时，由于两个键合原子拉电子能力
不同，即电负性不同，使共用电子对发生偏移，一方原子带
HH
丙酮
O
H
H
++
+
H +C
C
C+ H +
H
H
H HC
H
H C OH H
HO HC C
H
H CH H
CH3CH2OH
O
H3C C O
CH3
CH3CCH3
CH3COCH3
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第 一章 绪 论 第二节 共价键（二、现代共价键理论)
二、现代共价键理论基本要点
当两个原子互相接近到一定距离时, 自旋方向相反的 单电子相互配对, 使电子云密集于两核之间, 降低了两核 间正电荷的排斥力, 增加了两核对电子云密集区域的吸 引力，因此, 使体系能量降低, 形成稳定的共价键。
1916年 Lewis 提出了经典共价键理论：当两个 或两个以上相同的原子或电负性相近的原子相互结 合成分子，分子中原子间可以通过共享一对或几对 电子达到稳定的稀有气体的电子构型，形成化学键。 这种由共享电子对形成的化学键称为共价键 （covalent bonds）。
稀有气体除氦仅有两个价电子外，其他的价电 子层中均为八个电子，路易斯共价键理论又称为八 隅律（octet rule）。
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第 一章 绪 论 第一节 有机化合物和有机化学
有机化合物和有机化学的现代定义：
有机化合物(organic compounds) — 含碳的化合物 有机化学(organic chemistry)是研究有机化合物 的结构、性能和合成方法的一门科学。
CO32-、CO2、CO、CN-、OCN-、SCN-等由于 其性质与无机物相似，习惯上仍列为无机物
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第 一章 绪 论 第二节 共价键（三、碳的杂化轨道)
三、碳的杂化轨道
价键理论揭示了共价键的本质，但它无法解 释甲烷分子(CH4)中4个碳氢键的键角相同，均为 109°28´的事实。1931 年鲍林在价键理论的基础 上，提出了杂化轨道理论 (orbital hybridization theory)：原子在形成分子时，由于原子间的相互 影响，同一个原子内的不同类型、能量相近的原 子轨道可以重新组合成能量、形状和空间方向与 原来轨道完全不同的新的原子轨道。这种重新组 合过程称为杂化，所形成的新的原子轨道称为杂 化轨道（hybridization orbitals）。
O d+
H
H
d- H O
H
O d+
CH3
H
氢键
d- H
O
CH3
氢键不仅影响化合物的物理性质和化学性质，
而且对保持大分子（如蛋白质和核酸等）的几何形 状起着重要作用。
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第 一章 绪 论 第三节 分子的极性和分子间作用力（二、分子间作用力)
非极性分子虽然偶极距为零，但分子在运动过程 中能产生瞬时偶极。非极性分子瞬时偶极之间的作用 力又称为范德华力（Van der Waals forces）。这种作 用力虽然很弱，但在活细胞膜的磷脂非极性链之间起 着极其重要的作用。
细胞膜的流体镶嵌模型
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范德华力
• 范德华作用在不同地方有不同定义，十分混乱。 正规的定义是除了共价和离子-离子之间的静电作 用以外的分子间相互作用。范德华力本质其实就 是静电作用，只是表观看来现象不同，它包括：
• 1）取向力：固有多极矩与固有多极矩的作用 • 2）诱导力：固有多极矩与因固有多极矩诱导而产
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C: 1s22s22p2
最外层4个价电子 中等电负性 可通过与其它原子共享电子满足八隅体（成共价 键）
单键 —— 由一对共享电子形成的键 双键 —— 由两对共享电子形成的键 叁键 —— 由三对共享电子形成的键
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有机化合物结构的常用表达方式
甲烷 乙烯
Lewis 电子式
H + H + +C + H H
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杂化轨道理论与有机分子结构
原子轨道理论（s 轨道、p 轨道） 共价键：两个带有自旋反平行单电子轨道的交叠
（s 键 和 p 键） 杂化轨道理论：成键之前原子轨道进行了重组
H
C
H
H
H C-H键长度相等
四面体型分子
H C
H
H C
H
有一根键较活泼
平面型分子
HCC H
有两根键较活泼 直线型分子
简化的Lewis结构式:
.H
H C .O
H
或
.
CH3OH
H
.
O H O N 或 HONO2
O
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经典结构理论
八隅体 (Octet)：原子总是倾向获得与惰性气体相 同的价电子排布 (价电子层达到8电子的稳定结构) 离子键 (ionic bond)： 原子间通过电子转移产生 的正负离子相互结合而成键 共价键 (covalent bond)：原子间通过共用电子对 相互结合而成键（电子共享）
动物物质 植物物质
有机物(organic)
矿物物质
无机物(inorganic)
随后又将矿物物质称为无机物, 而将动物 物质和植物物质称为有机物。
在化学发展史的长河中曾经有过一段时期, 有机化合物 被认为只能来源于有生命的机体, 不可能由无机物合成。
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第 一章 绪 论 第一节 有机化合物和有机化学
在有机化合物中, 碳并不直接以 原子轨道参与形成共价键, 而是先 杂化, 后成键。碳原子有3种杂化形 式 — sp3、sp2 和 sp 杂化。
sp3
杂化
烷烃
杂化
2s
2px
2py
2pz
激 发
激发态:
2s1
+
2px1
+
2py1
+
2pz1
2s
2px
2py
2pz
基态：2s2 + 2px1+ 2py1+ 2pz0
第三节 分子的极性和分子间的作用力
一、 分子的极性
任何分子都是由带正电荷的原子核和带负电 荷的电子组成的。因此，分子的极性取决于整个 分子的正、负电荷中心是否重合，若两者重合， 就是非极性分子，两者不能重合为极性分子。
分子的极性大小通常用分子的电偶极矩μ表示。
μ= q × d
q 为极性分子中正电荷或负电荷中心上的电荷值，d
为正负电荷中心之间的距离。μ的单位：C•m (库仑•
米) 或“德拜” (debye, D)。1D=3.336×10-30C•m。
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第 一章 绪 论 第三节 分子的极性和分子间作用力（一、分子的极性)
μ越大，分子的极性越大，反之，极性越小。μ=0 的分 子为非极性分子。极性分子的μ一般在1～3D范围内。
大，因此，化合物分子的极性大小直接影响其 沸点、熔点、溶解度等物理性质和化学性质。
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第 一章 绪 论 第三节 分子的极性和分子间作用力（二、分子间作用力)
二、 分子间的作用力
有机化合物分子间的作用力主要是偶极-偶极 作用力(dipole-dipole interactions)。一个分子的偶 极正端与另一分子的偶极负端之间的吸引力, 称为 偶极-偶极作用力。
每个原子所形成共价键的数目取决于该原子中的单电 子数目, 即一个原子含有几个单电子, 就能与几个自旋方 向相反的单电子形成共价键, 这就是共价键的饱和性。
当形成共价键时, 原子轨道重叠程度越大, 核间电子 云越密集, 形成的共价键就越稳定。因此, 共价键总是 尽可能地沿着原子轨道最大重叠方向形成, 这就是共价 键的方向性。
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第 一章 绪 论 第三节 分子的极性和分子间作用力（一、分子的极性)
分子的极性是分子中所有化学键极性的向量和。对于双 原子分子，键的极性就是分子的极性。多原子分子的极性不 仅取决于各个键的极性，也取决于分子的形状。
μ =0 (非极性分子)
H H
H
Fra Baidu bibliotekμ =1.87 (极性分子)
分子的极性越大，分子间相互作用力就越
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第 一章 绪 论 第二节 共价键（三、碳的杂化轨道)
碳原子的6个核外电子运动于各自的原子轨道中：
1s
2s
2px z 2py
2pz
C：1s2 2s22p2
价电子层：
2s2 + 2px1+ 2py1 + 2pz0
y
x
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第 一章 绪 论 第二节 共价键（三、碳的杂化轨道)
1828年德国年轻化学家F.Wöhler在实验过程中 发现典型的无机化合物—氰酸铵能转化成有机化合 物—尿素（从哺乳动物尿中分离出来的化合物）。
O
NH4 OCN 加热 H2N C NH2
氰酸铵
尿素
此后人们又陆续合成了许多有机化合物。科学实验的事实 打破了只能从有生命的机体得到有机化合物的错误理念。许多 生命物质如蛋白质、核酸等如今也都成功地合成了。由于历史 的沿用，现在人们仍然使用“有机”两个字描述有机物和有机 化学, 不过它的含义与早期“有机”的含义已完全不同。