精有机合成化学与工艺学.ppt

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编著，高等有机化学，化学工业出版社（,2004,）,4.,俞凌：基础理论有机化学（上下册），高教出版社，,1993,。,主要参考书,5.,（美）,J.,马奇著，陶慎熹、赵景合译：高等有机化学（上）人民教育出版社，,1981,。,6.,高振衡：物理有机化学（上下），人民教育出版社，,1983,。,7.,(,美,)F.A.,凯里,R.J.,森德伯格著,(,第二版,),，王积涛译，高等有机化学（上，下），高教出版社，,1986,。,8.,王积涛编，高等有机化学，人民教育出版社，,1980,。,主要参考书,教学原则,以自学为主，充分发挥学生的主观能动性，创造性学习,;,加强师生互动，相互学习交流，不断拓展视野,.,教学要求,1,考勤要求，考核出勤率,95%,以上,2,读书报告（与有机合成相关的研究方向）,3,课外作业（收集文献资料）,有机合成的目的,合成一些特殊的、新的,有机化合物，探索一些、,的合成路线或研究其他理,论问题，即实验室合成。为这,一目的所需要的物质的量较少，,但纯度要求较高。,为了工业上大量生产，即工业,化合成。成本问题非常重要。,基本有机合成,利用化学的方法将价廉易得的天然资源,(,如煤、石油、农产品等）及其初步加工产品为原料，经过加工成最基本的有机原料，然后再合成合成为重要的有机原料。,有机合成的分类,近年来，随着精细化工在化学工业中的比重不断加大，精细有机合成技术也显得越来越重要。,精细有机合成,以通用化学品用为起始原料，用复杂的生产工序进行深度加工来合成药物、农药、香料等精细化学品。,精细有机合成工作,许多精细有机合成工作首先在实验室里由研究人员做的，有的实验是在国家级研究所的实验室里进行的，相当多的实验是在许许多多工厂的实验室里做的。企业的研究人员在工厂实验室创造出新塑料、新染料、新涂料和新杀虫剂等精细化学品，可见在实验室里的操作是完成精细合成的第一步工作。,精细有机合成化学的地位和任务,有机合成化学的历史：,1828,年,维勒由无机物氰酸铵合成出了尿素，提出了有机化学概念；,1857,年,凯库和古柏尔提出了碳原子的四价概念，奠定了有机结构理论；,19,世纪末,范特何甫和勒贝尔成功分离了酒石酸的异构体，解开了立体化学的序幕；,二十世纪初,发展了电子效应，二十世纪四十年代提出了有机结构空间效应，为后来的有机合成奠定了理论基础。,有机合成化学中的几次重大突破：,1948,年从生物体中提取出了维生素,B,12,7,年后确定了它的结构，再过,18,年后，经,95,步,反应合成出来，共有,512,个立体异构体；,1965,年,我国成功合成出了胰岛素，是我国极有希望得到诺贝尔奖的成就；,1995,年哈佛大学合成了海葵毒素，该分子有,64,个不对称,中心，可能有,10,23,个异构体。,岩沙海葵 毒素结构,到目前为止，可以说，只要理论上存在的有机化合物，均可合成出来，除非你的操作技术有问题。,精细有机合成化学的历史：,十九世纪上半叶，有机合成只是,一般新学科,的出现；,十九世纪下半叶开始，英国等老牌资本主义工业的发展，大大促进了有机合成技术的发展：如染料、炸药、合成橡胶、医药，等,开始进入工业化,。,二十世纪开始，有机合成技术进一步得到重视，,真正进入工业化,。各国的技术开始进行竞争。,工业和人们日常生活的需要，产生经济效益，反过来有大大促进有机合成化学的发展。如,1965,年,开始，美国开始收录全世界所报道的化合物。最初,5,年，每年平均报道,26.2,万,个，而最近每年有,2650,万个，,35,年增加了近,100,倍，可见有机合成化学发展之快。,进入,20,世纪后，以石油、天然气为原料的石油化学工业得到了迅速的发展。有机化工产品中有,80-90%,是以,石油、天然气,为原料合成的。,今天，有机合成已成为合成新型化合物和特殊材料的主要手段。合成的手段和合成的技术不断更新，形成了,电有机合成、光有机合成、生物化学合成,等技术。合成的有机物也越来越复杂。,新世纪有机合成化学的交叉学科研究：,1,）合成化学与生命科学的结合,-,化学生物学,2,）合成化学与材料科学的结合,-,分子工程,3,）合成化学与环境科学的结合,-,绿色化学,精细有机合成的要点,1,）、键结种类：,有机化合物中的化学键可以分为碳,-,碳（,C,C,）和碳,-,非碳原子（,C,Y,）键。,C,Y,即为我们常说的,官能团，而官能团的引入是有机合成的根本问题。,2,）、键结的极性,有机合成就是研究各类键的结合。在有机合成设计实际操作中，以逻辑逆推的方式，将键折分成两个极性部分，来构思键的形成，如,C,N,键可设想为,和,二部分，可通过如下反应实现其连接：,3,）、对等性,合成团（,synthon,）是有机合成的术语，是指一般反应可结合的单位，如与,CH,3,-,相当的合成团可以是,CH,3,MgI,、,CH,3,Li,等。和,CH,3,C=O,相当的合成团可以是,CH,3,COO,，,CH,3,CO,2,OR,等。合成团的对等用 或 表示。,要注意,：对等表示作用上的相似，但在反应活性，立体因素等方面的可能有差异（后面会讨论）。,精细有机合成反应中的选择性和控制因素,1,、反应的选择性,1,）化学特性选择性：不同基团有不同的化学活性，如：,2,）,位置,(,区域,),选择性,：如：,由于位置不同，这三个羟基被氧化的速率选择,MnO,2,氧化剂使,3-OH,氧化不同，,可达到位置选择的目的。,3,）立体选择性：,在反应过程中产生非对映异构，其一异构体远远超过另一异构体，称为立体选择性。如：,4,）镜像选择性：,在反映过程中产生一对对映体，一个对映体超过另一个对映体的百分数叫镜像超越，简称,ee(Enantionmeric excess),。,表示为：,如反应：,生物体中酶的特异性，往往将非手性化合物转变为单一手性化合物。,2,、控制因素,有机反应控制因素分为热力学控制和动力学控制，某些有机,反应是平衡可逆的，反应过程中往往受这两种因素的影响。,如：,精细化学品,:,凡能增进或赋予一种（类）产品以特定的功能或本身拥有,特定的功能,的,小批量,制造和应用的、,技术密集度高,、,附加值高,、,纯度高,的化学品。,1.1,精细化学品的释义,通用化学品,：产量大，无差别,专用化学品,：产量小，有差别,（一般）精细化学品,：产量小，无差别,准（半、拟）通用化学品,：产量大，有差别,1.2,精细化学品的分类,精细化学品的分类,：,农药、,染料,、涂料（含油漆、油墨）、颜料、试剂和高纯物、信息用化学品、食品和饲料添加剂、胶粘剂、催化剂和各种助剂、化工系统生产的化学药品（原料药）和日用化学品、功能高分子材料。（,11,类）,精细化工产品分类暂行规定,，,1986,年,3,月,6,日,染料概述,概念,染料：,着色的三种方式：,染色：染料,渗透纺织品内部，与,织物分子间有亲和力,着色：,以染料分子颗粒形式均匀分散到物质中,涂色：,附着在被着色物体表面,酸性黑,1,（酸性蓝黑,10B,）,分散蓝,56,分散红,74,酸性蓝,193(,中性蓝,2BL),活性蓝,171,染料分类与命名,常通按,应用方法,可分为,9,大类,（,1,）酸性：酸性介质染羊毛、锦纶（蛋白质纤维）。,（,2,）中性：中性环境中蛋白质纤维。,（,3,）活性：活性基与纤维成键，牢度好。棉、羊毛,（,4,）分散：分子小，适用于憎水性纤维。,（,5,）阳离子：新型为腈纶专用。,（,6,）直接：分子平面性好，范德华力结合。棉,（,7,）冰染：重氮偶合在织物上反生生成染料。棉,（,8,）还原：染料不溶，棉,（,9,）硫化：含硫类染料，不清楚具体结构,。,棉,食品添加剂,4.1,概述,4.2,乳化剂,4.3,增稠剂,4.4,食用色素,4.5,防腐剂,4.6,抗氧剂,4.7,调味剂,4.8,生产现状与发展前景,Food Additive,1.,食品添加剂：,为改善食品品质和色、香、味，以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或者天然物质,。,2,、食品添加剂的分类,:,1),按食品添加剂的,来源,进行分类,2),按食品添加剂的,用途,进行分类,食品添加剂,概述,按来源分类,天然食品添加剂,化学合成食品添加剂,利用动植物或微生物的代谢产物等为原料，经提取所获得的天然物质。,采用化学手段，通过氧化、还原、缩合、聚合、成盐等合成反应而得到的物质。,一般化学合成品,人工合成天然等同物,我国的,食品添加剂使用卫生标准,将食品添加剂分为,22,类：,1,）防腐剂,2,）抗氧化剂,3,）发色剂,4,）漂白剂,5,）酸味剂,6,）凝固剂,7,）疏松剂,8,）增稠剂,9,）消泡剂,10,）甜味剂,11,）着色剂,12,）乳化剂,13,）品质改良剂,14,）抗结剂,15,）增味剂,16,）酶制剂,17,）被膜剂,18,）发泡剂,19,）保鲜剂,20,）香料,21,）营养强化剂,22,）其他添加剂,香料概述,天然香料,合成香料,香精,香料的发展,香料是一种具有挥发性的芳香物质。,香料的分类,香料包括天然香料和合成香料两部分,。,1.,动物性香料,(fauna natural perfume),2.,植物性香料,(flora natural perfume),3.,单离香料,(isolative perfume),4.,合成香料（,synthetic perfume),合成香料的结构和香气关系,香气与结构有一定关系表现为：,（,1,）碳原子个数,（,2,）碳原子的不饱和性,农药,1.,农药的概述,2.,农药毒性及其代谢,3.,杀虫剂,4.,杀菌剂,5.,除草剂,6.,植物生长调节剂,7.,生物信息素,8.,农药新型,一,.,农药的发展历史,二,.,农药的含义及分类,三,.,农药的基本要求,概述,一,.,农药的发展历史,19,世纪,70,年代前以天然农药为主。,70,年代后出现了三大植物性农药，即烟碱、鱼藤、除虫菊酯。合成农药发展开始于,20,世纪,40,年代，即,1939,年,Paul Muller,合成的,DDT.,我国自行合成的农药品种较少，仅有杀虫双、多菌灵、叶青双、克草胺。,二,.,农药的含义及分类,1.,农药的含义,凡具有特殊生物活性的某些化合物及其复配物，可以利用他来影响、控制和调整各种有害生物（包括植物、动物、微生物）的生长、发育和繁殖过程的化学药剂称之为农药。,概述,2.,农药的分类,1,）按用途分类,杀虫剂,杀菌剂,除草剂,2,）按组成分类,化学农药：有机氯、磷、氮农药和除虫菊酯,植物性农药：仍以早期的三大植物性农药为主。,生物性农药：今后农药发展的重点。,1,）良好的选择性。即只对有害生物有效，对目标有定向性。,2,）单位面积药剂用量少，能减轻对环境的影响及改善其经济性。,3,）在土壤、水、空气及收获物中的残留物能迅速分解。,4,）对人畜无害，生产者、使用者和消费者都感到安全。,5,）在制备剂型时，能使用对环境无污染、毒理学上安全的载体和稀释剂；能制备在各种环境中易于使用的剂型。,三、农药的基本要求,农药毒性及其代谢,一、农药的毒性,二、农药代谢原理,1.,急性毒性,是指药剂一次进入体内后短时间内引起的中毒现象；,毒害作用的大小取决于农药固有的毒性以及作用于有机体的方式和部位。,2.,慢性毒性,是指药剂长期反复作用于有机体后，引起药剂在体内的蓄积，或者造成体内机能损害的累积而引起的中毒现象。,农药的毒性,农药毒性及其代谢,二、,农药代谢原理,1.,定义,农药代谢是指作为外源化合物的农药进入生物体内后，通过多种酶对这些外源化合物所产生的化学作用，这类作用也称生物转化,酶在代谢外源化合物方面起着两种相关作用,2.,农药代谢性能具有重要意义,首先，农药在害虫、益虫和温血动物体内代谢活性不同，这对人、畜、低毒安全，对病害高效的农药选择起决定作用,；,其次，农药的代谢程度是他们在土壤、植物和动物体内产生特效的决定因素之一。,杀虫剂,1.,有机氯杀虫剂,2.,有机磷杀虫剂,3.,有机氮杀虫剂,4.,除虫菊酯杀虫剂,杀虫剂,一,.,分类,1.,按药剂进入昆虫体内的途径,触杀剂,胃毒剂,熏蒸剂,内吸剂,2.,组成或来源,（,1,）天然杀虫剂：植物杀虫剂、矿物性杀虫剂,（,2,）无机杀虫剂：无机化合物如砒霜等,（,2,）有机杀虫剂：,（,4,）其它杀虫剂：生物信息素、植物生成调节剂。,1.3,精细化工的特点,精细化工,即精细化学工业，是生产,精细化学品,的工业。,涉及到剂型制备和商品化技术密集度高,品种多，生产规模小，多为间歇操作的液相反应，常采用多品种的综合生产流程或单元反应流程,附加价值和经济效益高,产品质量要求高，知识密集度高；产品更新换代快、寿命短；研究开发难度大、费用高,技术密集度高,商品性强，市场竞争激烈，应用技术和技术服务重要,1.4,精细化工在国民经济中的作用,直接用作最终产品或其主要成分,增加或赋予各种材料以特性,增加和保障农、林、牧、渔业的丰产丰收,丰富人民生活,促进其他行业技术进步,高经济效益,精细化工（产值）率,精细化工产品的总值,全部化工产品的总值,100,发展原料工业,重视基础产品,加强应用研究,优化复配技术,重视剂型改造,开拓新兴领域,精细化工的发展趋势,1.5,精细有机合成的原料资源,煤,石油,天然气,动植物原料,1.5.1,煤,煤的高温干馏：,萘、甲基萘、蒽、菲、芴、苊、芘、,苯酚、甲酚、二甲酚、氧芴、硫芴、,吡啶、甲基吡啶、咔唑、喹啉等,苯：,50,70,甲苯：,12,22,二甲苯：,2,6,粗苯,煤焦油：,煤的气化：,破坏加氢,煤的氢化,生产电石：,乙炔,水煤气反应：氢、一氧化碳、甲烷,费托反应：分子量较宽的烷烃或烯烃混合物,煤炭资源,世界上最大可能储量,10.6,万亿吨,世界探明可采储量,9842,亿吨,大约可供开采,150200,年,中国保有储量,10070.7,亿吨（国家统计局,1998,）,中国可采储量,1650,亿吨（世界第三位）,为世界人均储量的,45%,2001,年中国原煤产量,11.1,亿吨标准煤,2003,年中国原煤产量,19,亿吨标准煤,2005,年中国原煤产量,21.9,亿吨标准煤,中国煤炭资源分布图,中国是一个严重依赖化石能源的国家，可再生能源消费比例低于世界平均水平,煤的气化,传统小型或加压鲁奇炉移动床气化炉，用块煤为原料，汽化温度低,(500-600,C),，有显著甲烷（,16%-18%,）、焦油等成分，较适用于城市燃料气。,鼓泡或湍流流化床气化炉（,T=1000,）煤粉利用率比较低，在采用低压操作时，单台生产能力较低。,气流床气化炉采用细粉煤为原料，加压操作，冷煤气效率高，易大型化，反应温度高至,1500,以上，停留时间短，,4.0MPa,以上，为目前主流技术，有多种专利。,气流床气化技术,一步法二甲醚工艺原理,甲醇合成催化剂,甲醇脱水催化剂,CO,2H,2,=CH,3,OH,-90.4kJ/mo,l,CO,2,3H,2,=CH,3,OH,H,2,O,-,49.33,kJ/mo,l,CO,H,2,O=CO,2,H,2,-41.0,7,kJ/mol,2CH,3,OH=CH,3,OCH,3,H,2,O,-24.0kJ/mol,强放热反应,两步法,VS,一步法,总反应,3CO+3H,2,=CH,3,OCH,3,CO,2,-24,5.87,kJ/mol,1.5.2,石油,催化重整：,苯、甲苯、二甲苯,烃类热裂解：,乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯,芳烃生产新技术：,甲苯脱烷基制苯、甲苯歧化制苯和二甲苯、二甲苯的异构化、,C,9,芳烃的烷基转移,石油萘,石油蜡,1.5.3,天然气,甲烷、乙烷、丙烷和较高碳链的,烷烃,（其中主要是甲烷）,可,直接,用于制备碳黑、乙炔、氢氰酸、各种氯代甲烷、二硫化碳、甲醇、甲醛等,制,合成气,（,CO,和,H,2,的混合物），进一步制得甲醇、甲醛、高碳醇、正丁醛、甲酸、乙酸、丙酸、丙烯酸、丙烯酸酯、人造石油等,1.5.4,动植物原料,碳水化合物：,脂肪和油类：,主要成分,：甘油三羧酸酯,可获得化工原料,：脂肪酸、脂肪族含氮化合物、二聚酸、氨基酰胺和咪唑啉类、壬二酸与壬酸、脂肪醇、环氧化合物、蓖麻醇酸、甘油。,糖类、淀粉、糖类树胶,单糖,纤维素,己糖,（葡萄糖）和,戊糖,（木糖）,1.6,本书的编写体系和讨论范围,精细化学品的结构,精细有机合成的主要单元反应,精细化学品合成路线的综合评定,1.6.1,精细化学品的结构,主体结构,精细化学品,取代基,脂环,芳环,杂环,卤素：,-Cl,、,-Br,、,-I,、,-F,含氮基团：,-NO,2,、,-NO,-NH,2,、,-NHR,、,-NR,1,R,2,-NHCO-,、,-NH,2,OH,、,-N,2,+,X,-,、,-N=N-,、,-NHNH,2,-CN,主要取代基,含硫基团：,-SO,3,H,、,-SO,2,Cl,、,-SO,2,NH,2,、,-SO,2,NHR,烷基、酰基,含氧基团：,-OH,、,-OR,、,-OAc,-COH,、,-COR,、,-COOH,、,-COOR,、,-COCl,、,-CONH,2,1.6.2,精细有机合成的主要单元反应,卤化,磺化和硫酸酯化,硝化和亚硝化,还原和加氢,氧化,重氮化和重氮基的转化,氨解和胺化,水解,烃化,酰化,缩合,环合,聚合,1.6.3,精细化学品合成路线的综合评价,合成工艺路线的选择依据,路线短,总收率最高,易于工业化生产,成本低，经济效益高,原料易得,思考题,什么是精细化工，精细化工的特点是什么？,什么是精细化学品，请列举五类主要的精细化学品。,精细化学品的原料来源主要有哪些？,精细有机合成的主要单元反应有哪些？,1,）结构与性能,(Structure and function),20,世纪,20,年代,价键理论和近代结构学说,20,世纪,30,年代,诱导效应和共轭效应,共振论,20,世纪,40,年代,空间效应理论,（空间阻碍和空间张力）,Hammett,方程、线性自由能,20,世纪,50,年代,溶剂效应理论,（极性与非极性溶剂）,（质子与非质子溶剂）,历史知识回顾,新化合物的合成，每年,50,万个，其中有机化合物占,80,以上,20,世纪,60,年代,软硬酸碱理论,20,世纪,70,年代,诱导效应和共轭效应,共振论,20,世纪,70,80,年代,结构共振论，将共振论进行量化计算,1987,年,超分子化学,1,）结构与性能,(Structure and function),2,）反应历程,(reaction mechanism),历史回顾,20,世纪,20,年代,过渡态和活化能理论,20,世纪,30,40,年代,离子反应历程,20,世纪,40,50,年代,自由基反应历程,20,世纪,60,年代,分子轨道对称守恒原理,年代,获奖者,主要贡献,1950,Diels,Alder,发现,Diels-Alder,反应,1966,Mulliken,用分子轨道的方法研究化学键和分子结构,1969,Barton,Hassel,有机化合物的构像分析和三维结构,1975,Cornforth,Prelog,有机反应和酶催化反应的立体化学,1976,Lipscomb,硼烷及其结构,1981,Fukui,Hoffmann,前线轨道理论和分子轨道对成守恒原理,1987,Pedersen,Lehn,Cram,超分子化学,与有机化学有关的诺贝尔化学奖（,1950-2000,）,年代,获奖者,主要贡献,1992,Marcus,溶液中的电子转移理论,1994,Olah,碳正离子化学,1995,Crutzen,Molina,Rowland,臭氧层破坏的化学机理,1996,Kroto,Curl,Smalley,发现富勒烯,1998,Kohn,Pople,用量子化学方法研究复杂分子,1999,Zewail,用超快激光研究快速反应动力学,2000,Heeger,MacDiarmid,Shirakawa,导电高分子,运用有机化学有关理论进行分子设计和合成,1964,年芝加哥大学,Eaton,教授合成了立方烷，经分子设计和理论计算，预言八硝基立方烷应具有极大的张力、极高的密度和极强的爆炸力，合成它非常危险，而且发生过事故。但,Eaton,教授坚持不懈，历经,36,年，终于在,2000,年,1,月由张茂熹（兰州大学博士）完成。,Angew.Chem.Int.Ed.,2000,39:,401,3,）反应类型,(Types of organic reaction),均裂反应（自由基反应）,异裂反应（离子反应如：亲核取代，亲电取代）,分子反应（重排反应，周环反应）,4,）有机活性中间体,(Organic active intermediates),碳正离子,(carbonium ions),碳负离子,(carbanions),自由基,(radical),卡宾,(carbenes),乃春（,nitrenes,）,价键理论,共振理论,键长，键能，偶极距,影响分子中电荷分布的因数,分子轨道理论（,MO,）,休克尔,(Hckel),分子轨道理论（,HMO,）,芳香性、反芳香性、非芳香性和同芳香性,化学成键与分子结构,价键理论（,chemical bonding theory,）,1916,年，刘易斯（,G.N.Lewis,）提出：化学成键作用是由于两个原子共享电子对的结果。,1927,年，海特勒（,Heitler,）和伦敦（,London,）发展了价键理论，其主要特点是处于平衡核间距的两个原子的结合能，主要是由于两个核之间的电子交换（共振）而产生的。,1931,年,鲍林（,Linus Pauling,）,发展了两个概念：,1,）定向键,2,）轨道杂化,(,orbital hybridization,),莱纳斯,卡尔,鲍林（,Linus Carl Pauling,，,1901.2.28-1994.8.19,）美国著名物理化学，量子化学的先驱之一。,1954,年,因在化学键方面的工作取得,诺贝尔化学奖,，,1962,年,因他反对核弹在地面测试的行动，得,诺贝尔和平奖,，成为得到两个不同范畴的诺贝尔奖的人之一（另一人为,Marie Curie,）。其后他主要的行动为支持维他命,C,在医学的功用。鲍林被认为是,20,世纪对化学科学影响最大的人之一，他所撰写的,化学键的本质,被认为是化学史上最重要的著作之一，他提出的,电负性、共振论、价键理论、杂化轨道、蛋白质折叠,等概念和理论在当今的化学界都有着非常基础和广泛的使用。,1.,碳可以形成,四个键,而不是两个键；,2.,高度的方向性的,sp3,轨道为极其有效的重叠创造了条件。杂化作用的数学描述预示了碳原子具有四面体的几何形状。因此，甲烷碳原子上连有四个相同的配位体，它是一个四面体，每个,H-C-H,键角都等于,109.5,。,轨道杂化,(,orbital hybridization,),有两个重要的结果：,价键法对乙烯（,sp2,杂化）分子结构进行了解析：,键：头碰头,键,:,肩并肩,表,1.1,结构随碳杂化形式变化的情况,配位体,数目,杂化,形式,几何,形状,例子,4,sp3,四面体,甲烷，环己烷，甲醇，四氯化碳,3,sp2,三角形,乙烯，丙酮，苯，甲基正离子，碳酸根负离子,2,sp,线性,乙炔，二氧化碳，氰化氢，戊二烯,共振理论（,resonance theory,鲍林提出,）,为了解决经典结构式表示复杂的离域体系所产生的矛盾而提出的,是虚构的,想象的,.,Double bond to this oxygen?,Or to this oxygen?,Nitromethane,More example:,即使写出的可能极限结构也未必都存在,另外分子的真实结构只是这些可能的极限结构的叠加。介于这些可能的极限结构之中,或说共振于这些极限结构之间。,对于一个实际分子，并不是可能存在的共振结构的贡献都是一样的，而且是有些大，有些小。对于小的极限结构可忽略不写。,经典共振理论要点,1),书写共振式时，只允许电子移动，而原子核的位置不动；,2),共价键数目越多的共振式越稳定，而电荷分离的共振式稳定性降低；,3),在共振式中，负电荷落在电负性较强的原子上较在电负性较弱的原子上稳定性高；,4),等价的共振式对杂化体的贡献亦等价，有等价共振式的结构稳定性高；较稳定的共振式对杂化体的贡献较大。,-,共轭,p,-,共轭,-,共轭,未共享电子对迁移,单双键迁移,-,键迁移,单键迁移,单电子迁移,常见的共振式类型,苯酚易溶于,KOH,水容液，表明苯酚具有弱酸性，而一般的醇不具有此性质。一般来说，共振结构越多，表明该中间体越稳定。,练习：试写出下列分子的共振式，并判别主次,电负性与偶极矩,(electronegativity and dipole),电负性表示分子中成键原子吸引电子的相对趋向，电负性越大，原子吸引和保持电子的效能越强。,共价键中电负性较大的元素所带电荷是相对负的；而电负性较小的元素是相对正的。分别用,+,和,-,表示。,F,(4.0),O,(3.5),Cl,N,(3.0),S,C,I,(2.5),H,(2.1),偶极距,表示共价键极性的大小，为电荷,e,与正，负电荷距离的乘积。,=e,d,单位为,D(,德拜,),偶极距的方向为,正电荷指向负电荷,，分子的偶极距等于它所含的偶极距的矢量之和。,在与碳原子形成共价键的原子中，其,偶极距,与,原子的电负性,有关，一般来说，,电负性大的原子，对应的偶极距也大,。,试比较下列化合物偶极距的大小,分子偶极矩是所有各别键矩的矢量和，根据分子偶极矩的值可推测分子的空间构型。,问题：已知,CO,2,(,=0,),和,H,2,O(,=1.84D,),，试推测它们的空间构型,直线型,曲折型,1,.,4,影响分子中电荷分布的因数,诱导效应与场效应,(Inductive and field effect),诱导效应的定义,由于邻键的极化引起键的极性变化,并通过键链依次诱导传递,.,这种效应称为诱导效应,(Inductive effects).(,I,),电负性比氢大的原子与碳相连引起的诱导效应称为吸电诱导效应,(-,I,),如,电负性比氢小的原子与碳相连引起的诱导效应称为供电诱导效应,(+,I,),如,氯原子吸电诱导效应的结果,.,甲基供电诱导效应的结果,.,诱导效应沿键链的传递是以静电诱导的方式进行的,只涉及电子云分布状的改变和键的极性的改变,一般不引起整个电荷的转移,价态的变化。,诱导效应的传递方式,*,所带电荷,:,带正电荷的比不带电荷的同类官能团的吸电诱导效应强,如,-N,+,R,3,-NR,2,带负电荷的比同类不带电荷的官能团供电的诱导效应强,如,-O,-,-OR,中心原子在周期表中的位置,:,-F -Cl -Br -I,-F -OH NH,2,CH,3,诱导效应的强度主要决定于官能团中心原子相对电负性的大小,.,诱导效应的相对强度,饱和度,:,通常随不饱和成度的增大,吸电的诱导效应增强,.,测定和比较诱导效应的相对强度的方法：,酸碱强度,偶极矩,核磁共振谱,-I,表示吸电子诱导效应，,+I,表示推电子诱导效应。,规律：原子电负性越大，,I,效应越强。,对于卤素，,FClBrI,对于烷基，,t-Bui-PrEtMe,常见的具有吸电子效应的基团：,-N,+,R,3,-S,+,R,2,-N,+,H,3,-NO,2,-SO,2,R,-CN,-CO,2,H,-OAr,-CO,2,R,-OH,-Ar,alkenyl,等。,动态诱导效应,在化学反应过程中,当进攻试剂接近反应分子时,因外界电场的影响也会使共价键上电子云分布发生改变,键的极性发生变化,这称为动态诱导效应,.,动态诱导效应和静态诱导效应多数情况下是一致的，但由于起因不同,有时导致的结果也各异，,如,C-,卤键的极性次序为,:C-F C-Cl C-Br C-I,但卤代烷的亲核取代反应活性却恰恰相反，实际其相对活性为,:R-I R-Br R-Cl,Reason:,在同族元素中，随原子序数的增大电负性降低，其电子云受到核的束缚也相应的减弱，所以极化性增大，反应活性增大。,诱导效应对化合物酸性的影响,化合物,pKa,值,化合物,pKa,值,CH,3,CO,2,H,4.76,CH,3,CH,2,CO,2,H,4.88,ClCH,2,CO,2,H,2.88,FCH,2,CO,2,H,2.66,Cl,2,CHCO,2,H,1.29,HOCH,2,CO,2,H,3.88,Cl,3,CCO,2,H,0.65,分子中极性基团通过空间电场的相互影响，使基团的反应性发生变化的现象，称为,场效应（,filed effect,，简称,F,效应）,场效应,共轭效应（,conjugate effect,）,电子离域与共轭效应,成键电子不仅受到成键原子的原子核的作用,而且受分子中其它原子核的作用,这种现象称为电子的离域,(delocalization),这种键称为离域键,.,包含离域键的体系称为共轭体系,共轭体系中原子之间相互影响的电子效应称为共轭效应,(Conjugative Effects).,CH,2,=CH-CH=C H,2,由于电子离域的结果,单键不再是一般的单键,双键也不是一般的双键,而表现为键长平均化,共轭体系,*p-p,共轭体系：单双（叁）键交替排列组成的共轭体系是,由,p,轨道与,p,轨道电子离域的体系,.,*p-p,共轭体系：,p,轨道的未共用电子对的原子与,p,键直接相连的体系,.,*,超共轭效应,:d,键,-d,键之间也显示一定程度的离域现象而组成共轭体系,.,动态共轭效应,静态共轭效应是共轭体系内在的固有性质,在基态就存在,.,动态共轭效应则是共轭体系在反应过程中,在外电场影响下所表现的暂时效应,.,超共轭效应（,hyperconjugate effect,）,超共轭效应是指,-,或,-p,之间的共轭效应。,1),叔丁基正离子比甲基正离子更稳定；,2),丙烯的酸性比丙烷强,;,3),消除反应成烯烃主要生成多取代烯烃，末端烯烃是次要产物,立体效应（,steric hindrance,）,由于空间位阻，使电子云重新发生排布的效应称为,立体效应,。,碱性比较：,pk,a,=7.16 pk,a,=8.24,空间效应,(,立体效应,),分子轨道理论（,Molecular orbital theory,）,分子中任何电子可看成是在所有核和其余电子所构成的势场中运动，描述分子中单个电子运动状态的波函数称为分子轨道；,2),MO,认为，只有能量近似，并且对称性相匹配的原子轨道才能有效地组合成分子轨道。,分子轨道是由原子轨道线性组合,而成的,=C,1,1,+C,2,2,+C,n,n,其中,C,1,C,2,.C,n,为原子轨道系数；,1,，,2,n,为原子轨道；,为分子轨道。,分子轨道理论,(,MO,),放弃了在化学键中局限有成对电子对主张,而是认为分子中的电子属于整个分子所有,其运动状态与整个分子有关,.,成键轨道,y=c,1,f,1,+c,2,f,2,反键轨道,Y,*,=c,1,f,1,-c,2,f,2,原子轨道相加得到的是能量较低成键轨道,而相减得到的是能量较高反键轨道,.,分子轨道的能级有高低之分,电子分布于不同能级的分子轨道中,.,3),轨道最大重叠原则,。组成分子轨道的两个原子轨道重叠程度越大越好。,4),分子轨道中电子排布的原则，仍遵守,最低能量原理和保里不相容原理,；,5),分子轨道的数目（成键的,+,非键的,+,反键的）等于产生分子轨道的基组集合中原子轨道的总数。成键组合的特点是正重叠，其系数的符号相同，而反键组合的特点是负重叠，系数符号相反。,y=c,1,f,1,+c,2,f,2,Y,*,=c,1,f,1,-c,2,f,2,y=c,1,f,sp3,+c,2,f,s,Y,*,=c,1,f,sp3,-c,2,f,s,反键,成键,f,sp3,f,s,S,轨道和杂化轨道组成分子轨道,氢分子轨道能级,反键,成键,P,轨道组成,d,健,P,轨道组成,p,分子轨道,f,p1,f,p2,氧分子轨道,休克尔,(Hckel),分子轨道理论（,HMO,）,HMO,主要用于含有离域,键的分子，认为,分子轨道是由原子的,p,z,轨道线性组合而成的。,对于符合,C,n,H,n+2,通式的线性共轭多烯而言，化合物的第,i,个,分子轨道能级,E,i,为：,-,库仑积分,表示原子轨道能量,-,交换积分,表示原子轨道间相互作用时的能量,图“,4n+2”,和“,4n”,个,电子的能级填充情况,Hckel,指出，,电子对填入上述能级图时，只有当电子对的总数是奇数（电子总数为,4n+2,n=0,1,2,3,）时，才能产生闭壳结构；如果当电子对的总数是偶数，（电子总数为,4n,n=0,1,2,3,）时，则形成开壳结构。开壳结构分子通常是高度活波的，所以,4n,个电子的环在化学上不稳定，电子总数为,4n+2,n=0,1,2,3,时，才具有芳香性。,Hckel,规则,20,世纪,30,年代，德国科学家,Hckel,根据分子轨道理论,(HMO),提出了“,4n+2”,规则平面单环共轭烯烃含有“,4n+2”,个,电子的分子具有芳香性。,芳香性,6,10,14,18.,芳香性,十四轮烯,十八轮烯,复杂多环化合物的芳香性如何判断？,判断下列分子是否具有芳香性？,判断方法一：周边修正法,1954,年，由,Platt,提出，认为可以忽略稠环中间的桥键而直接计算在外围可以离域的,电子数目，若满足,4n+2,规律，可初步判断该化合物具有芳香性。,试判断下列化合物的芳香性,电子数（,10,）,具芳香性,电子数（,12,）,不具芳香性,电子数（,10,）,具芳香性,电子数（,10,）,具芳香性,电子数（,12,）,不具芳香性,判断方法二：单键修正法,当一个或者多个芳香环之间通过一个单键相连时，可以将单键忽略，直接考虑化合物的芳香性。,判断方法三：双键