有机化学-高中竞赛.ppt

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,有机化学,高中竞赛,有机化学,结构与性质,性质,决定,反映,近代有机结构理论,是连接结构与性质的,桥,梁,结构,1-1,有机化学,一、有机化学的发展与展望,1.,有机化学研究的对象,2.,有机化学发展历史的回顾,3.21世纪有机化学展望,二、有机化学发展前沿和热点,1.,有机合成化学,2.天然有机化学,3.生物,有机化学,4.元素,有机化学和金属有机化学,目 录,1,目 录,5.物理有机化学,6.有机化合物的分离和分析,7.有机化学的重要应用领域,三、学习有机化学的要求及本学期课程安排,1.,要求,2.,内容,3.,本学期教学安排,4.,教学方法,5.主要教学参考书,目 录,四、有机化合物的特性,1.结构,2.性质,五、有机化合物研究的程序,1.分离提纯,2.物理常数测定,3.元素分析和实验式确定,4.相对分子质量的测定和分子式,5.结构的确定,目 录,1-2,分子间作用力与有机化合物的物理性质,一、分子间作用力,1.取向力,2.诱导力,3.色散力,4.氢键,二、分子间作用力与有机物的物理性质,1.沸点,2.熔点,3.溶解度,1-3,有机化合物的,结构与性质,一、同分异构现象,1.,同分异构现象,2.,结构式表示方法,3,2,目 录,4,四、有机化学反应,1.,有机反应类型,2.,有机反应历程,五、有机化合物结构,与性质的关系,本章小结,二、有机化合物,的分类,1.,按碳链分类,2.,按官能团分类,三、有机反应试剂,1.酸和碱,2.亲核试剂和,亲电试剂,第一章 结构与性质,Structure and Property,1-1,有机化学,（,Organic Chemistry,）,一、有机化学的发展与展望,1.,有机化学研究的对象,2.,有机化学发展历程的回顾,(1)利用,公元770 780年，人们开始利用来自动植物体内的物质，例如：烧酒、糖、染料和药物。,(2)提取,1773年：尿素1773 1785年：柠檬酸，乳酸，酒石酸，吗啡元素测定生活力学说有机化学,(3)合成,19世纪中叶：用无机物氰酸铵（NH,4,CNO）首次合成尿素乙酸，油脂生活力学说被否定,(4),有机化合物的结构,一维二维三维,(5),有机化学的近代发展,借助于近代物理学的进展，有机化学得到长足的发展，不仅在实验室里分离和提取了一系列天然有机产物，而且还合成出一些自然界未曾发现的化合物，并逐步兴起了有机合成化学工业，尤其以染料和制药工业最为突出。,20,世纪,30,年代，随着石油等天然资源的开发和利用，世界进入了合成高分子材料的新时代。,目前，随着结构理论和化学反应理论以及计算机、激光、磁共振和重组,DNA,技术等新技术的发展，有机化学对分子水平的掌握日益得心应手，能够按照某种特定需要，在分子水平上设计结构和进行制备，并由此形成了化学发展的一个新方向,分子工程学,。,3.21世纪有机化学的展望,(1)走出纯化学，进入大科学,当生物化学和药物化学彻底脱离有机化学后，化学家则把兴趣更多地转向获得结构奇特或昙花一现的分子，较少象生物学家那样发挥想象力，探索其有时是捉摸不定的功能。随着20世纪的过去，化学知识和化学生产的普及和发展，数学、物理的进展，一些在此基础上综合发展起来的大科学开始显现出它们重要的地位，而这些大科学的发展，又反过来对化学提出了新的挑战和发展方向。,尤其是与信息时代相关的,功能材料,以及当前可能更受人们重视的,生命科学,，都面临着众多的化学问题亟待解决，要求化学家更多更积极的参与。如果说生物学家致力于阐明生命的过程，那么化学家的使命就是研究如何调控这一过程。,然而，化学虽然在20世纪有了飞跃的发展，但面对生命这样复杂的体系，现有的化学知识是不敷应用的，特别需要新化合物和新结构的提供以及复杂体系中分子识别本质的知识和实践经验的积累。,(2)迎接挑战，发展化学,21世纪初，化学发展的几个重要方面可能为：化学反应动态学（如1999年诺贝尔奖授予的飞秒化学等）；分子识别、分子间的弱相互作用和分子聚集体化学；合成和组装化学等。以合成为例：,从科学发展的角度来看，合成化学是化学学科的核心，是未来化学家改造世界、创造社会的最有力的手段。创造新的合成反应一直是化学界的热点，多年来不少诺贝尔化学奖就是授予了合成化学家。最近20年SCI引用次数最多的50名化学家中约有1/3是从事合成化学的。200年来化学家不仅发现和合成了众多天然存在的化合物，同时也人工创造了大量非天然的化合物，,使得人类社会所有的化合物已达2230 万个（CA1999年12月10日收录的化合物数）。其增加速度从20世纪90年代前每年60多万个到今天几个月100万个。,随着21世纪的到来和社会高科技的迅猛发展，要求合成化学家能够更多地提供新型结构和新型功能的化合物，并在此基础上设计和组装各种功能的分子聚集体，进而制备高技术传感器、仿生智能材料以及分子电子器件、分子开关等新材料。,生命科学研究进入到分子水平，需要化学的参与，需要合成研究的参与。材料科学、环境、能源乃至信息科学都对化学提出了诸多挑战。,大科学正在召唤着化学。,走出纯化学，进入大科学，迎接挑战，发展化学，超越前人，闪耀辉煌。,二、有机化学发展前沿和研究热点,在有机化学的发展过程中，逐步形成了有机合成化学、天然有机化学、生物有机化学、金属与元素有机化学、物理有机化学以及有机物分离分析等领域。这些领域在各自的成长过程中相互渗透、相互依靠并相互促进，为有机化学学科的繁荣发展作出重要的贡献。,有机合成化学,有机合成的基础是各种各样的基元合成反应，发现新的反应或用新的试剂或技术改善提高已有的反应的效率和选择性是发展有机合成的主要途径。,高选择性试剂和反应是有机合成化学中最主要的研究课题之一，其中包括化学和区域选择控制，立体选择性控制和不对称合成等。,复杂有机分子的全合成一直是最受关注的领域，与生物科学相结合，重视分子的功能则是合成化学家的新热点。,天然有机化学,天然有机化学是研究动植物及生物体内源性生理活性物质的有机化学。目的是希望发掘有生理活性的天然化合物，作为发展新药先导化合物，或者直接用于临床或为农业生产服务。,天然有机化学是植物化学、基础医学、药物化学、农业化学的基础。同时，天然有机化学的研究为有机化合物新的分离分析方法，新的专一性和立体选择性合成方法和立体化学等方面作出了重要贡献。,生物有机化学,生物有机化学是20世纪70年代初发展起来的一门生物化学和有机化学之间的边缘学科。一方面，应用有机化学的结构理论、基团相互作用理论、有机化学反应机理和动力学理论，以及应用有机化学研究方法，在分子水平上研究生物分子的化学变化和反应规律。另一方面，通过模拟生物体系的化学变化，建立有机化学研究新体系（反应机理和有机合成新方法等）。,元素有机化学和金属有机化学,元素有机化学是当代有机化学研究中最为活跃的领域之一。有机磷化学、有机氟化学、有机硼化学和有机硅化学是当前元素有机化学中四个主要支柱。,金属有机化学是近代化学前沿领域之一。金属有机化合物的合成、结构和反应性能的研究以及新型基元反应的开发和以有机合成为目标的金属有机化学都是金属有机化学的主要研究内容。,物理有机化学主要是通过现代物理实验方法与理论计算方法研究有机分子结构及其物理、化学性能之间的关系，阐明有机化学的反应机理。,有机化学反应途径的宏观和微观细节是物理有机化学的核心课题之一。而生命科学中的物理有机化学研究，则包括主客体化学中的模拟酶催化反应，主体分子提供的微环境可控制反应，主体分子对客体分子的识别作用以及疏水亲脂作用等。,物理有机化学,有机物的分离和分析是人类认识和改造有机物质世界的重要手段。在有机化学发展的各个重要历史阶段以及有机化学在与其他学科相互渗透的主要界面点上，有机物的分离和分析都起到了关键性的作用。而分离和分析紧密结合是有机分析的一大特色。,有机化合物的分离和分析,药物化学、农药化学、有机功能材料、香料化学、石油化工产品的深度加工和农林牧资源及工农业废弃物的高值化。新型药物、新农药、有机功能材料及香料新品种的创制将带动分子设计、有机合成、立体化学、构效关系等研究水平的提高，而农副产品加工中的废弃物的高值化将会是有机化学的有发展前景的应用领域。,有机化学中的重要应用研究,参考文献,1.自然科学基金委,有机化学.北京:科学出版社,1994,2.吴毓林.充满希望的新世纪.大学化学,2000,15(3),3.白春礼.中国化学的发展与展望.大学化学,2000,15(2),4.唐有祺等.化学与社会.北京:高等教育出版社,1997,5.唐有祺等.生命的化学.长沙:湖南科学技术出版社,1998,三、学习有机化学的要求及课程安排,1.,要求,(1),掌握基本理论、基本知识、基本技能,(2),提高分析问题、解决问题的能力,2.,内容,(1)有机化合物的分类和命名,(2)近代有机结构理论,(3),结构结构与性质的关系性质,(4),有机化学反应的原理和规律,(5)各类基本,有机化合物的制备,(6),有机化学实验基本操作和技能,3.,本学期教学安排,4.,教学方法,5.主要教学参考书,(1)邢其毅等编.基础有机化学（上下册，第二版）.高等教育出版社,1994.6.,(2)荣国斌等编著.大学有机化学基础.华东理工大学出版社,2000.8.,面向21世纪课程教材,(3)荣国斌编著.高等有机化学基础.华东理工大学出版社,2001.6.,面向21世纪课程教材,(4)高鸿宾主编.有机化学（第三版）.高等教育出版社,1999.9.,面向21世纪课程教材,(5)G.Patrick.有机化学（影印版）.科学出版社2000.8,(6)冯俊材等编著.有机化学习题精解(上下册).科学出版社,1999.8,(7)伍越寰主编.有机化学.中国科技大学出版社,2002,(8)惠永正等主编.化学与生命科学.化学工业出版社,1992.12,1,四、有机化合物的特性,1.结构,结构复杂，种类繁多，数目庞大 由碳原子在周期表中的位置及成键方式所决定。,2.性质,易燃烧；熔点低；大多难溶于水，易溶于非极性或极性小的有机溶剂；反应速率一般较小，通常需要加热或加催化剂，且副反应较多。,五、有机化合物的研究程序,1.分离提纯,分离提纯有机化合物常用的方法有：重结晶，蒸馏，升华，萃取和层析等。,2.物理常数的测定,熔点，沸点，相对密度，折光率，旋光度等。,3.元素分析和实验式的确定,元素定性分析元素定量分析实验式的确定,4.相对分子质量的测定和分子式,(1)物理化学方法,蒸气密度法，冰点降低法，沸点升高法和渗透压法等。,(2)波谱法,质谱法,5.结构的确定,(1)官能团分析,(2)化学降解及合成,(3)近代物理方法,质谱、红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱、X衍射、圆二向色谱等。1-2,分子间作用力与有机化合物的 物理性质,Intermolecular Force and Physical Properties of Organic Compounds,一、,分子间作用力,1.,取向力,极性分子与极性分子,极性分子,固有偶极,分子定向排列,静电引力,取向力。分子极性,，分子间距离,取向力。,2.,诱导力,极性分子与极性分子，极性分子与非极性分子,极性分子的固有偶极诱导另一个极性分子或非极性分子产生诱导偶极，极性分子间、极性分子和非极性分子间固有偶极与诱导偶极之间的静电引力,诱导力。分子极性、被诱导分子的变形性、,分子间距离,诱导力。,3.,色散力,极性分子与极性分子极性分子与非极性分子，非极性分子与非极性分子,分子中的电子及各原子的原子核的运动,瞬时偶极，极性分子间、,极性分子和非极性分子间、非极性分子间通过瞬时偶极产生的作用力,色散力。分子的变形性,、,分子间距离,、分子间接触表面积 色散力。,4.,氢键,(1)定义,(2)形成氢键的条件,XH,YR，X、Y通常为F、O、N。,例外：HC,N,HC,N，丙酮分子中的氧原子与氯仿分子中的氢原子之间也有氢键。,(3)氢键的特点,方向性和饱和性,(4)氢键的种类,分子间氢键,分子内氢键,例3,：邻硝基苯酚 分子内氢键,例2,：,例1,：,二、分子间作用力与有机化合物的物理性质,1.,沸点,boiling point（b.p.）,形成氢键的能力,分子极性,相对分子质量,分子间距离,分子间作用力,b.p.,2.,熔点,melting point (m.p.),分子间作用力、分子对称性,m.p.,3.,溶解度,solubility (s),溶解的实质,用溶质与溶剂分子间作用力取代溶质分子间、溶剂分子间作用力。,溶解的原则,相似相溶,参考文献,：决定物质性质的一种重要因素,分子间作用力.大学化学,1989,4(2),2,立体异构,顺反异构,旋光异构,构象异构,构造异构,碳链异构：正丁烷和异丁烷,官能团异构：乙醇和二甲醚,位置异构：,1,-丁烯和,2,-丁烯,互变异构,1-3,有机化合物的结构与性质,一、同分异构现象,1,.同分异构现象,?,结构异构,2.,结构式表示方法,(1),蛛网式（价线式）,异丁烷,乙醇,(2),结构简式,(3),键线式,6-甲基-2-庚烯,环丙烷,苯,呋喃,二、有机化合物的分类,1.,按碳链分类,(1),脂肪族,开链,环状,(2)芳香族,(3)杂环,2.,按官能团分类,见p13表1.1,三、有机反应试剂,1.酸和碱,酸性和碱性是理解有机化学的基础，目前广泛应用于有机化学中的两种酸碱理论是Lowry-Br,nsted酸碱理论和Lewis酸碱理论。,(1)Lowry-Br,nsted 酸碱理论,给出质子的能力酸性,接受质子的能力碱性,酸,给出质子,碱,接受质子,质子的授受Lowry-Br,nsted酸碱,强酸 强碱 弱酸 弱碱,强酸 强碱 弱酸 弱碱,强酸 强碱 弱酸 弱碱,酸的强度：H,2,SO,4,H,3,O,+,NH,4,+,H,2,O,碱的强度：OH,-,NH,3,H,2,O HSO,4,-,一般来说，酸的强度主要取决于氢结合的原子的种类，特别是该原子容纳氢离子离开后所留下的一对电子的能力。这种能力与该原子的电负性和原子半径有关。,同周期：电负性,酸性,pK,a,HCH,3,HNH,2,HOH HF,HSH,NH,2,-,OH,-,F,-,SH,-,Cl,-,同族：原子半径,酸性,HF HCl HBr HI,HOH,Cl,-,Br,-,I,-,OH,SH,-,(2)Lewis酸碱理论,酸,电子对接受体,碱,电子对给予体,电子对的授受,Lewis酸碱,Lewis,酸,能接受电子对的分子：BF,3,，AlCl,3,，SnCl,4,，ZnCl,2,，FeCl,3,等；,金属离子：Li,+,，Ag,+,，Cu,2+,等；,正离子：R,+,，RC,+,=O，Br,+,，,+,NO,2,，H,+,等。,Lewis,碱,含孤电子对的分子：RNH,2,，ROH，ROR，RCHO，RCOR，RSH等；,负离子：X,-,，OH,-,，RO,-,，SH,-,，R,-,等；,烯烃或芳香族化合物。,酸碱反应示例：,2.亲核试剂和亲电试剂,(1)亲核试剂,大多数有机反应都涉及富电子分子与缺电子分子之间的反应。反应过程中新键的形成往往发生在富电子分子提供电子对的部位，这种富电子分子称为,亲核试剂,带孤电子对的负离子（例OH,-,），,含富电子基团的中性分子（如NH,3,）。,(2)亲核中心,亲核试剂分子中富电子的某一个原子或区域称为,亲核中心,。负离子的亲核中心是带孤电子对的原子和负电荷，中性分子的亲核中心通常是带孤电子对的原子（如氮或氧）或重键（如烯烃，炔烃，芳环）。,(3)亲电试剂,缺电子的分子称为,亲电试剂,正离子（如碳正离子），某些中性分子（如羰基或卤代烷）。,(4)亲电中心,亲电试剂分子中缺电子的某一个原子或区域称为,亲电中心,。正离子的亲电中心是带正电的原子（如碳正离子的碳原子），中性分子的亲电中心是官能团中缺电子的原子（如连在氧、氮、卤素等电负性强的原子上的碳或氢原子）。,四,、,有机化学反应,1.,有机反应类型,(1),按官能团发生的反应分类,离子型,(ionic reactions),异裂,(heterolytic cleavage),均裂,(homolytic cleavage),(2),按共价键的断裂方式分类,自由基型,(free radical reactions),离子型,亲电,：缺电子试剂,亲电试剂,“亲近”（进攻）反应物中能供给电子的部分,亲核中心,。,亲核,：富电子试剂,亲核试剂,“亲近”（进攻）反应物中需要电子的部分,亲电中心,。,其结果是在亲核试剂的亲核中心和亲电试剂的亲电中心形成共价键。,2.,有机反应历程（机理）,(1),定义,描述某个反应的逐步变化过程，即反应分几步进行（有几个基元反应），每步反应涉及那些键的断裂、那些键的形成，哪一步是决定整个反应速率的反应定速步骤，反应条件在其中起什么作用等一系列细节。,(2),共价键断裂和形成过程中电子转移的,表示方法,表示一对电子的转移。,共价键的异裂 弯箭头从共价键的中部指向接受电子的原子，该原子得到一对孤电子对，形成负离子。,形成新的共价键 弯箭头从孤电子对指向形成共价键的部位，其结果形成了新的共价键。,表示单电子的转移。,共价键的均裂 弯箭头从共价键的中部指向接受电子的原子，该原子得到一个电子，形成自由基。,例如：,(3)类型,一步反应：经过过渡态,(transition state),反应物 过渡态 生成物,一步反应势能变化示意图,两步反应：生成反应的活性中间体,(reactive intermediate),反应物 中间体 产物,慢,两步反应势能变化示意图,反应物中间体或过渡态生成物在共价键断裂和形成的同时，碳原子的杂化状态也发生改变。,影响反应的因素：,形成过渡态所需活化能；,反应物反应活性与中间体的稳定性。,五、,有机化合物结构与性质的关系,结构决定性质，性质又为结构的探索和确定提供线索和依据。有机化学的核心问题之一就是研究和掌握有机化合物的结构特征及结构与性质的关系。,结构,决定,性质,反映,近代结构理论,官能团的种类,分子中官能团之间的相互影响,分子中直接相连、不直接相连的原子之间的相互影响,各类有机物的性质以及同类有机物中各个化合物性质的差异,3,共价键与,分子结构,键和键；,杂化轨道与分子轨道的区别；,杂化方式；,键参数；,偶极矩。,本章小结,分子间作用力与,有机物的物理性质,分子间作用力；,有机物的沸点；,有机物的熔点；,有机物的溶解度。,有机物的结构,与性质,同分异构现象；,有机物的分类；,有机反应试剂、反应类型和反应历程；,有机化合物的结构和性质。,4,