大学有机化学绪论和第一章

1. 原子轨道
S 轨道
P 轨道
2. 共价键理论
核心内容
1) 共价键是成键两原子通过共享电子对而形成的。
Lewis结构式和Kekulé结构式
H 4H + C H C H H H H C H H
Lewis式
H H C H H
Kekulé式
H H P H
Lewis式
H H P H
Kekulé式
有机物分离及结构测定是人们从分子水平认识物质世界 的基本手段。 50年代以后人们已不仅仅依靠萃取、结晶、分馏等方法 来实现分离和分析。目前，各种层析技术已成为各有机实验 室的常规手段，检出灵敏度已达到ppm甚至ppb（十亿分之一） 的水平。 60年代以来发展的四大波谱技术，NMR、IR、UV、MS 已广泛普及。加上X-衍射技术等手段，使有机物的结构问题 已难不倒有机化学家。<100 ug时，也能给出确切的结构信息。
物理有机化学
有机合成和分离、结构分析的成就，促进了有机化学 的理论基础—物理有机化学的发展。而物理有机化学又 可指导有机化学向更深层次进展。 G. N. Lewis, E. Hükel, K. Ingold, L. Pauling,
Woodward-Hoffman, 福井谦一等。 90年代计算机技术的发展，使得分子动力学、化学计 算等成为有机化学家好助手。 中国科学家在有机化学的发展中也做出了突出的贡献。
1.2 有机化学何以成为一门独立的学科
（1）有机物数目特别多，且增加很快
地球上现在有103种元素, 为什么将碳化物单独分开？ 1880年 1910 1940 1961 12,000种 150,000 500,000 1750,000 CA统计（大学化学, 2001,3,1-6） 主要含： C，H 有的含：O，S，P，N，X等元素 特点： 元素种类少但数目繁多
大学基础有机化学
Fundamentals of University Organic Chemistry
聂 进
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• 主要参考书目：
1. 荣国斌，大学基础有机化学，化学工业出版社等，2011. 2. 胡宏纹， 有机化学，第三版， 高等教育出版社，2008。 3. 徐寿昌，有机化学，第二版，高等教育出版社，1992。 4. 曾昭琼，有机化学，第二版，高等教育出版社，1993。 5. 邢其毅, 徐瑞秋, 周正，有机化学，高等教育出版社， 1983。 6. 龚跃法，聂进，有机化学（上、下），华东理工大学出 版社，2010。
O furan 呋喃
2. 按官能团分
Leabharlann Baidu
S thiophene 噻吩
N H pyrrole 吡咯
官能团：有机分子中特别能起反应的原子或基团。如醇 的-OH、烯烃的 C=C 等。 具有相同官能团的分子能发生同样的反应，故为同类 化合物。可分为烷烃、烯烃、醇、酚、醚等。
三、有机化合物的结构理论
典型有机物与无机物的最大区别主 要是有机物一般都以共价键相结合形成 分子的，故有必要复习、巩固以下有关 共价键的基本知识。
Linus Carl Pauling (1901-1994) Nobel Prize for chemistry in 1954 Nobel Prize for peace in 1963.
R. S. Cahn (1899-1981) Sir C. Ingold (1893-1970) V. Prelog (1906-1998) Nobel lecture in chemistry in 1975
第一章 绪 论
一、有机化学的研究对象 有机化合物和有机化学 1）凯库勒（A.Kekulé, 1829-1896)： 含碳的化合物称为有机化合物，认为有机化学是 研究含碳化合物的化学； 2）肖莱马（K.Schorlemer, 1834-1892)： 碳氢化合物及其衍生物看作有机物，故有机化学 则为研究碳氢化合物及其衍生物的化学。
（2） 有机物有广泛、巨大的用途 药物，香料，燃料，杀虫剂，杀菌剂，洗涤剂…… 合成，塑料，橡胶，纤维，粘合剂… 有机化学——生物学和医学的基础。 故需系统研究其性质、理论及方法等。
（3） 有机物与无机物性质上的典型差异
典型的有机物与无机物有着显著的差异。需要用不同的方法和手 段来进行研究；而无机物与有机物在性质上的差别主要是由于它们化学 键的差异所导致的。有机化合物多为共价键而无机物则多为离子键。这 就导致有机物有以下几个特点： 有机物 ①. 易燃 ②. 易挥发， 常温下多为气体，液体 或低熔点固体（m.p.<400℃ ） ③. 大多不溶于水， 溶于有机溶剂 ④. 反应较慢， 副反应多，产率较低 瞬间完成，产物单一 产率~100% 较易溶于水 无机物 不燃 大多数难熔化的固体 m.p.>600 ℃
Woodward等完成 VB12全合成
海葵毒素
分离、分析技术
20世纪40年代前，用传统的蒸馏、结晶、升华等方法来纯 化有机化合物，用化学降解和衍生物制备的方法测定结构。 后来，各种色谱法、电泳技术的应用，特别是高压液相色谱 的应用改变了分离技术的面貌。 19世纪30年代建立了碳、氢定量分析法；90年代建立了氮 的定量分析法；有机化合物中各种元素的常量分析法在19世 纪末基本上已经齐全；20世纪20年代建立了有机微量定量分 析法；70年代出现了自动化分析仪器。
20世纪初，合成了606药剂，30～40年代，合成了一千多种磺胺类化合 物，其中有些可用作药物。 20世纪40年代合成了滴滴涕和有机磷杀虫剂、有机硫杀菌剂、除草剂等 农药； 20世纪60年代Harvard大学Woodward教授VB12的全合成； 1989年Harvard大学Kishi教授等完成海葵毒素 (palytoxin)的全合成。 21世纪，要实现“理想的”合成法。强调实用、环境友好、资源可持续 利用。简单原料、温和条件，经过简单步骤，快速、高选择性、高效地转 化为目标分子——绿色合成—— 。 2001年诺贝尔化学奖“手性催化氢化反应”、“手性催化氧化反应” 计算机技术引入.
CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3
正丁烷 异丁烷
CH3
乙醇 C2H6O CH3CH2OH
结构式 ——
二甲醚 C2H6O CH3 O CH3
H H
同分异构 —— 分子组成相同而结构不同 分子中原子间连接的次序和方法
(R)-桔味
(S)- 柠檬味
2）碳与碳原子相互间的结合力特别强，一个分子中含碳 原子的数目几乎是无限的。
1.3 有机化学的产生与发展
作为一门独立二级学科，有机化学产生于１９世纪。 １８世纪下半叶：天然产物的分离、结构分析，酒石酸（１７６９年）、 草酸（１７７６年）、乳酸（１７８０年）等；同时，“生命力” （ “ｖｉｔａｌ ｆｏｒｃｅ” ）论的提出阻碍了有机化学的发展。
有机化合物
最早的有机化合物来自 于动植物体（有机体） 生命论 （Ｖｉｔａｌｉｓｍ） 认为： 有机化合物只能由有机体产生。无机化合物则存在于无生 命的矿藏中，同时也可由有机体产生。
sp3杂化
C原子的sp、sp2杂化
有机化合物的结构理论
1857年：凯库勒和库柏 (A. S. Couper) 分别独立提出了碳的四价学说， 开创了结构理论的基础； 1861年：布特列洛夫 (A. M. Butlerov) 提出了完整的有机结构理论， 指出原子间存在着相互影响，结构决定性质等； 1865年：凯库勒提出了苯的结构式； 1874年：范德荷夫 (J. H. Van’t Hoff) 和勒贝尔 (J. A. Le Bel) 建立了分 子立体概念，说明了几何异构和对映异构现象，有机经典结构理论到 此已经基本建立。
20世纪初随着物理学的发展、量子力学的建立，使电子 成对的化学键观点获得了理论基础，阐明了化学键的本质。 出现了诱导效应、共轭效应及立体效应等理论。总之， 有机化学在20世纪特别是下半叶开始，发生了巨大的变化， 取得了众多的成就。 形成了相互联系而又互有分工的三个领域。
有机合成
有机合成是有机化学的中心，是有机化学也是整个化学 中最具有创造性的领域之一。 它利用天然资源或简单的工业生产的有机分子，通过一 系列复杂的化学反应，合成到十分复杂的天然或非天然有机 化合物，向医药、工农业等提供各种有机原料。 20世纪新反应、新试剂等不断发现，突出的成就是60年 代VB12的全合成和90年代的海葵毒素的全合成，反应出当代 有机合成的水平。
特别到了近现代，有机化学的发展更加迅速 有机合成化学 天然有机化学 生物有机化学 物理有机化学 有机分析化学 1901~1998年，诺贝尔化学奖共90项，其中有机化学方面 的化学奖55项，占化学奖61%。 药物化学 香料化学 农药化学 生命科学 材料科学 环境科学 化学生物学 能源、工业、农业
金属与元素有机化学 有机新材料化学
庄长恭 （1894-1962）
黄鸣龙 （1898-1979）
汪猷
邢其毅
（1910-1997） （1911-2002）
二、有机化合物的分类
有机化合物数目巨大，一般可按碳架和官能团进行分类。 1. 按碳架分 1）开链化合物，又称脂肪族化合物。
H H H H C C C H H H H propane 丙烷 H H H propene 丙烯 H H H H H H H 1-propanol 1-丙醇 H C C C H H C C C OH
1965-1970年, 年均新增26.2万个 1995-2000年，年均新增130万个 有机物总数 2600万(2000/10)
为什么如此众多？ 1）碳化合物的异构现象十分普遍。 -C-C-共价连接 链、分支、环、双、叁键… 每 种不同的排列就是一种化合物（异构）。
e.g. C4H10可能的结构式
Limonene(苧烯) ;Oil of Lemon and Orange
Almond
Cinnamon
Vanilla
R'O O H RO N CH3
20世纪10个最重要的化合物
Aspirin Isooctane Penicilling Polyethylene Nylon DDT Steroids DNA Prozac(fluoxetine 百忧解) C60
1828年，德国化学家维勒（Friedrich Wöhler, 18001882年），在蒸发氰酸铵水溶液时得到了尿素
由腈酸铵（无机物）制得尿素（有机物）
O NH4 CNO
inorganic
+
-
H2N C NH2
organic
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； 尔后，布特列洛夫合成了糖类化合物；.…... 从而突破了“生命力”论的束缚，使得有机化学在19世 纪下半叶有了迅速的发展。 从有机体内提取有机物 (1773 –1805) 由提取进入到提取合成并举的时代 (1806 –1828 –1848) 进入合成时代 (1849 –1900 –present)
2) 共价键的饱和性。 即当一个电子与另一个电子配对 成键后就不能与“第三者”配对，原子的外层价电子数就 是可成键数。
H 4H + C H C H H
3) 共价键的方向性。即两成键轨道的电子云必须最大 程度的重叠，方越牢固、稳定。
4) 轨道的杂化。原子轨道通过杂化可形成更稳定的分子。
sp杂化
sp2杂化
2）碳环化合物，化合物由碳原子构成碳环。又可分为：
（1）脂环族化合物：
cyclohexane 环己烷
cyclopentane 环戊烷
cyclopentadiene 环戊二烯
（2）芳香族化合物。
CH3
benzene 苯
toluene 甲苯
naphthalene 萘
（3）杂环化合物，环是由碳原子和其他元素的原子 共同组成。
２０世纪最伟大的十个科技发明 阿斯匹林 原子弹 电视 电脑 因特网 飞机 合成氨 人造卫星 移动电话 克隆羊
２１世纪是生命和信息科学的世纪， 化学才更为重要！ 化学是一门中心科学。 科学素养的三个名词: 分子 软件 DNA
A.Herrmann, 2007,46:5807
O
Rose oxide(玫瑰醚) ;Oil of Rose