有机化学教案

使用教材：高鸿宾主编《有机化学》第三版

主讲教师：汪帆等

第一章 绪论

学习要求

1． 掌握共价键理论的要点、共价键的属性及重要参数。
2． 掌握主要官能团的式子。

3. 掌握共价键的均裂、异裂。
4． 理解有机化合物的特点，从中弄清与无机化合物的主要区别。
5． 理解有机化合物的分类原则。

6. 理解有机化学中的酸硷概念。

7． 了解有机化合物和有机化学的涵义。
8． 了解有机化学的发展简史。
9． 了解有机化合物的研究程序和方法。

讲授时数: 4学时

本章节重点、难点：

1.共价键理论

2.分子轨道理论

3.共价键的键参数

教学方法 采用多媒体和板书相结合的课堂讲授方法

§1.1有机化合物和有机化学

1.有机化学、有机化合物的定义

   有机化学（organic chemistry)是研究有机化合物的来源、制备、结构、性能、应用以及有关理论和方法学的科学，是化学学科的一个分支，它的研究对象是有机化合物。

   什么是有机化合物呢？早期化学家将所有物质按其来源分为两类，人们把从生物体（植物或动物）中获得的物质定义为有机化合物，无机化合物则被认为是从非生物或矿物中得到的。

   现在绝大多数有机物已不是从天然的有机体内取得，但是由于历史和习惯的关系，仍保留着“有机”这个名词。

有机化学发展简史

   象人类认识其它事物一样，人们对有机化合物和有机化学的认识也是逐步深化的。

人类使用有机物质虽已有很长的历史，但是对纯物质的认识和取得是比较近代的事情。

直到十八世纪末期，才开始由动植物取得一系列较纯的有机物质。

       如：   1773年   首次由尿内取得纯的尿素.

              1805年   由鸦片内取得第一个生物碱--吗啡.

  * 1828年，德国化学家，维勒（wohler,F）首次人工用氰酸铵合成了尿素。

  * 从19世纪初至中期有机化学成为一门学科，建立了经典的有机结构理论。

       1857年凯库勒提出了碳是四价的学说。

       1858年，库帕（Couper,A·S）提出：“有机化合物分子中碳原子都是四价的，而且互相结合成碳链。”构成了有机化学结构理论基础。

       1861年，布特列洛夫提出了化学结构的观点，指出分子中各原子以一定化学力按照一定次序结合，这称为分子结构；一个有机化合物具有一定的结构，其结构决定了它的性质；而该化合物结构又是从其性质推导出来的；分子中各原子之间存在着互相影响。

       1865年，凯库勒提出了苯的构造式。

       1874年，范特霍夫(Vant Hoff.J.H)和勒贝尔(Le Bel,J.A)分别提出碳四面体构型学说，建立了分子的立体概念，说明了旋光异构现象。

       1885年，拜尔（Von Baeyer.A)提出张力学说。

       至此，经典的有机结构理论基本建立起来。

20世纪建立了现代有机结构理论。

       1916年，路易斯（Lewis,G.N)提出了共价键电子理论。

       20世纪30年代，量子力学原理和方法引入化学领域以后，建立了量子化学。

       20世纪60年代，合成了维生素B₁₂，发现了分子轨道守恒原理。

       20世纪90年代初，合成了海葵毒素，有人誉之为珠穆朗玛峰式的成就。

   自从拉瓦锡（Lavoisier.A.L)和李比希（Von Liebig.J.F)创造有机化合物的分析方法之后，发现有机化合物均含有碳元素，绝大多数的含氢元素，此外，很多的有机化合物还含氧、硫、氮等元素。

    于是，葛美林（Gmelin.L)凯库勒(KeKule .A)认为碳是有机化合物的基本元素，把“碳化合物称为有机化合物”，“有机化学定义为碳化合物的化学”。

    后来，肖莱马（Schorlemmer,c.)在此基础上发展了这个观点，认为碳的四个价键除自己相连之外，其余与氢结合，于是就形成了各种各样的碳氢化合物——烃，其他有机化合物都是由别的元素取代烃中的氢衍生出来的，因此，把有机化学定义为研究烃及其衍生物的化学。

有机化合物与有机化学的定义

有机化学是研究有机化合物的组成、结构、性质及其变化规律的化学。

自从化学工作者发现有机化合物以后，通过大量科学研究，在总结前人工作的基础上提出了有机化学和有机化合物的定义：

1． 有机化合物 碳化合物

有机化学 研究碳化合物的化学

2． 有机化合物 碳氢化合物及其衍生物

有机化学 研究碳氢化合物及其衍生物的化学

1.2有机化合物的特点

1.2.1.组成和结构之特点

有机化合物：种类繁多、数目庞大（已知有七百多万种、且还在不但增加）

但组成元素少 （C， H， O， N ，P， S， X等）

原因： 1） C原子自身相互结合能力强

2) 结合的方式多种多样（单键、双键、三键、链状、环状）

3) 同分异构现象 （构造异构、构型异构、构象异构）

例如，C₂H₆O就可以代表乙醇和甲醚两种不同的化合物、见P₁

1.2.2质上的特点

物理性质方面特点

1) 挥发性大，熔点、沸点低

2) 水溶性差 （大多不容或难溶于水，易溶于有机溶剂）

化学性质方面的特点

1) 易燃烧

2) 热稳定性差，易受热分解（许多化合物在200~300度就分解）

3) 反应速度慢

4) 反应复杂，副反应多

§1.3 共价键的一些基本概念

有机化合物中的原子都是以共价键结合起来的，从本质上讲，有机化学是研究共价键化合物的化学，因此，要研究有机化学应先了解有机化学中普遍存在的共价键。

一、共价键理论

对共价键本质的解释，最常用的是价键理论和分子轨道理论

1． 价键理论

1） 共价键的形成

价键的形成是原子轨道的重叠或电子配对的结果，如果两个原子都有未成键电子，并且自旋方向相反，就能配对形成共价键。

例如：碳原子可与四个氢原子形成四个C—H键而生成甲烷。

由一对电子形成的共价键叫做单键，用一条短直线表示，如果两个原子各用两个或三个未成键电子构成的共价键，则构成的共价键为双键或三键

双键 三键

2）共价键形成的基本要点

（1） 成键电子自旋方向必需相反

（2） 共价键的饱和性 P₄

（3） 共价键的方向性——成键时，两个电子的原子的轨道发生重叠，而P电子的原子轨道具有一定的空间取向，只有当它从某一方向互相接近时才能使原子轨道得到最大的重叠，生成的分子的能量得到最大程度的降低，才能形成稳定的反之。

S 和P电子原子轨道的三种重叠情况

2． 分子轨道理论

分子轨道理论是1932年提出了来的，它是从分子的整体出发去研究分子中每一个电子的运动壮态，认为形成的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，可以求出描述分子中的电子运动状态的波函数ψ，ψ称为分子轨道，每一个分子轨道ψ有一个相应的能量E, E近似的表示在这个轨道上的电子的电离能。

基本观点：

分子轨道理论认为，当任何数目的原子轨道重叠时，就可形成同样数目的分子轨道。

例如：两个原子轨道可以线性的组合成两个分子轨道，其中一个比原来的原子轨道的能量低，叫成键轨道（由符号相同的两个原子轨道的波函数相加而成），另一个是由符号不同的两个原子轨道的波函数相减而成，其能量比两个原子轨道的能量高，这中种分子轨道叫做反键轨道。

分子轨道能级图

和原子轨道一样，每一个分子轨道只能容纳两个自旋相反的电子，电子总是优先进入能量低的分子轨道，在依次进入能量较高的轨道。

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——既组成分子轨道的原子轨道的符号（位相）必须相同。

П轨道的示意图

2） 原子轨道的重叠具有方向性。

3）能量相近。

1.4共价键的键参数

1．键长 P₆

2．键角 P₆

3．键能 P₉

应注意键能与离解能在概念上的区别，多原子分之中共价键的键能是指同一类的共价键的离解能的平均值。如甲烷的四个C—H的离解能是不同的。见P₉

2． 键矩——键的极性

键矩是用来衡量键极性的物理量

当两个不同原子结合成共价键时，由于两原子的电负性不同而使得形成的共价键的一端带电荷多些，而另一端带电荷少些，这种由于电子云不完全对称而呈极性的共价键叫做极性共价键，可用箭头表示这种极性键，也可以用δ⁺、δ^-标出极性共价键的带电情况。例如：

一个共价键或分子的极性的大小用键矩（偶极矩）μ表示

μ=q x d q正电中心或负电中心的电荷

d两个电荷中心之间的距离

μ的单位用D( 德拜 Debye )表示

键矩有方向性，通常规定其方向由正到负，用箭头→表示

例如：

μ= 1.03D μ= 1.94D

常见共价键的键矩见P₁₀表 1—4。

双原子分子中键的极性就是分子的极性，键矩就是分子的偶极矩。

对多原子分子来说，分子的偶极矩是各键键矩的向量和（与键的极性和分子的对称性有关）。见P_10—11

1.5 共价键的断裂

有机化合物发生化学反应时，总是伴随着某些化学键的断裂和新的共价键的形成，共价键的断裂有两种断裂方式。

1． 裂—— 成键的一对电子平均分给两个原子或原子团，生成两个自由基。

A:B A• + B•

自由基

在有机反应中，按均裂进行的反应叫做自由基反应。

2． 异裂——成键的一对电子在断裂时分给某一原子和原子团，生成正负离子。

在有机反应中, 按异裂进行的反应叫做离子型反应。

亲电反应 由亲电试剂进攻而引发的反应。

离子型反应

亲核反应 由亲核试剂进攻而引发的反应。

亲电试剂——在反应过程中接受电子的试剂称为亲电试剂。

亲核试剂——在反应过程中能提供电子而进攻反应物中带部分正电荷的碳原子的试剂。

诱导效应

诱导效应 在有机化合物中，由于成键原子或基团的电负性的不同而使成键电子云向电负性较大的原子团方向偏移的效应。

1． 诱导效应产生的原因 成键原子的电负性不同。

2． 诱导效应的传递 逐渐减弱，传递不超过五个原子，

3． 诱导效应的表示方法：

以I表示诱导效应, 以C— H键作为比较标准，

4． 诱导效应的相对强度：

一般以电负性的大小作比较

同族元素来说 F > Cl > Br > I

对- I 同周期元素来说 - F > -OR > -NR₂

不同杂化状态的碳原子来说–C≡CR >–CR=CR₂ > -CR₂-CR₃

对+I: 具有+I效应的原子团主要是烷基，其相对强度如下：

(CH₃)₃– > (CH₃)₂CH– > CH₃CH₂– > CH₃–

上述所说为静态诱导效应，有机反应中还有动态诱导效应的作用

§1—6有机化学中的酸碱概念

布伦斯（Bronsted）、路易斯（Lewis）酸碱理论，共轭碱和共轭酸。

§1—7研究有机化合物的一般步骤

1、分离提纯

   研究一个新的有机物首先要把它分离提纯，保证达到应有的纯度。分离提纯的方法：重结晶、升华、蒸馏、层析法以及离子交换法等。

2、纯度的检验

   纯的有机物有固定的物理常数，如：熔点、沸点、比重、折射率等。测定有机物的物理常数可检验其纯度，纯的化合物的熔点距很小。

3、实验式和分子式的确定

 a、进行元素定性分析，找出分子中存在哪几种原子

 b、进行元素定量分析，找出各种原子的相对数目，即决定经验式（实验式）。

c、测定分子量，确定各种原子的确实数目，给出分子式。

4、结构式的确定

  根据红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱、质谱等确定结构式。

分子的结构包括分子的构造、构型和构象。

构造 是分子中原子的连接方式和顺序（在不涉及到构型和构象时也称为结构）。

5、人工合成

§1—8 有机化合物的分类

有机化合物分类的方法主要有两种

1.1 按碳架分类：

1．开链化合物

2．碳环化合物

（1）脂环化合物

（2）芳香族化合物

（3）杂环化合物

1.2 按官能团分类

官能团是指有机化合物分子中能起化学反应的一些原子和原子团，官能团可以决定化合物的主要性质。因此，我们可采用按官能团分类的方法来研究有机化合物。常见的重要官能团见P₁₃表1—5

有机化学的重要性

近20多年来，有机化学在各方面有了长足的进步。

    在对重要的天然产物和生命基础物质的研究中，有机化学取得了丰硕的成果。维生素，抗生素，甾体，萜类，生物碱，碳水化合物，肽，核苷等的发现，结构测定和合成，为学科本身的发展增添了丰富的内容，为人类的保健事业提供了有效的武器。

       高效低毒农药的开发，动植物生长调节剂和昆虫信息物质的研究和开发，为农业的发展提供了重要手段。

    自由基化学，金属有机化学等的发展，促进了巨大的高分子材料工业的建立。

  含有杂原子的单体的研制更使我们有了具备多种优异性能的特种有机材料。

     有机化学在蛋白质和核酸的组成和结构的研究，顺序测定方法的建立，合成方法的创建等方面的成就为分子生物学的建立和发展开辟了道路。

   建立在现代物理学（特别是量子力学）和物理化学基础上的物理有机化学，在定量的研究有机化合物的结构，反应性和反应机理等方面所取得的成果，不仅指导着有机合成化学，而且对生命科学也有重大意义。

      有机合成化学在高选择性的研究中取得很大的进展，出色地开创了一个又一个新的反应，合成了一批有一批具有高生理活性，结构新奇复杂的分子。金属有机化学和元素有机化学，为有机合成化学提供了高选择性的反应试剂和催化剂，以及各种特殊材料及其加工方法。

        有机化学以它特有的分离、结构测定、合成等手段，已经成为人类认识自然改造自然具有非凡能动性和创造力的武器，近年来，计算机技术的引入，使有机化学在结构测定，分子设计和合成设计上如虎添翼，发展的更为迅速。

     在我国，有机化学研究已取得一批重要成果，得到国际同行的重视在经济和国防建设中起了重要的作用。

    如：甾体化学研究及甾体药物工业的建立；莲心碱，芜花酯等多种有效成分的鉴定；结晶牛胰岛素的全合成，丙氨酸酵母转移核糖核酸的人工合成；天花粉蛋白的研究及其在计划生育中的应用；青藁素的结构测定、全合成及其抗疟应用；美登素及三尖杉酯碱（抗癌成分）的全合成研究；氟有机材料的研究制备；有机氟化学的研究和脱卤亚磺化反应的发现及应用；砷叶立德用于合成有机化学的研究，有机磷化学，有机磷萃取剂结构与性能的研究；自由基化学及微环境效应等工作都是其中比较突出的例子。

      200多年来，有机化学学科的发展，揭示了构成物质世界的有机化合物分子中各原子间键合的本质以及有机分子转化的规律并设计合成了具有特定性质的有机分子；它又为相关学科（如材料科学、生命科学、环境科学等）的发展提供了理论、技术和材料。

在本世初，有机化学将会得到更大的发展。

     有机化合物结构鉴定的周期将大大缩短，本世纪初，通过多维色谱、多维核磁谱、图象识别、多机联用等技术的发展，将使有机物的分离和结构测定进入智能机器化或半机器化的阶段。

     有机合成化学方面，本世纪初，选择性、经济性、高效性的合成方法将达到新的高度并少受结构限制。人们可以按照功能要求，设计合成人们需要的分子。计算机辅助设计将为合成化学家提供有实用价值的有效手段。

     生物有机化学方面，随着有机化学和分子生物学的进展，将有更多生命过程的环节得以用有机化学语言表达。

     富勒烯（Fullerene)化学正日新月异地高速发展，将会成为有机化学中的一个全新领域，对有机化学理论和材料科学等方面产生巨大的影响[Fullerene 以 C₆₀为代表]

   有机化学在我国是一门比较有传统的学科。有一支比较成熟的队伍，拥有不少在国际有机化学界有地位的科学家。相信在国家的重视和支持下，我国有机化学一定能有新的更大发展，可以预期21世纪。

   （1）在有机合成方法学上，有可能出现我国独立发展的有价值的高选择性的新反应，在有机化学工业中特别是精细有机合成工业中出现我国发展的新流程。

   （2）在天然产物研究和传统医学的基础上以及在对生化过程深入了解后合理设计的基础上，将会出现一批我国独立（或合作）发展的新医药、新农药。

   （3）在生物催化体系，寡糖及其缀合物的分离，结构测定和合成，生物信息的识别和传递等方面将出现有意义的结果。

  （4）有机功能材料，有机电子材料和分子器件等方面有可能得到有创见性的工作。

有机化学是一系列相关工业的基础，在能源、材料、人口、环境、国防计划的实中，在为推动科技发展、社会进步，提高人类的生活质量，改善人类的生存环境的努力中，已经并将继续显现出它的高度开创性和解决重大问题的巨大能力。

有机化学的任务

1．发现新现象（新的有机物，有机物的新的来源、新的合成方法、合成技巧，新的有机反应等）

3． 研究新的规律（结构与性质的关系，反应机理等）

4． 提供新材料 （提供新的高科技材料，推动国民经济和科学技术的发展）

5． 探索生命的奥秘（生命与有机化学的结合）。

附一、 怎样才能学好有机化学

学好有机化学，总的可概括为六个字 理解、记忆、应用。

1． 理解

学习过程中，要及时弄懂和掌握各章节的重点内容、主要问题、难题，做好课堂笔记。

2． 记忆

在理解的基础上做必要的记忆。对有机化合物的构造式、命名、基本性质等在开始学习时，要象记外文单词那样反复的强化记忆。除了用视觉多看之外，还要多写、多练。当脑海中的材料积累多了，就会掌握内在规律，并上升为理解记忆。机械记忆和理解记忆是相辅相成的，记忆的材料越多，越有利于理解，而理解了的东西也就记得更牢，只求理解而不刻苦记忆是学不好有机化学的。

3． 应用（从三方面入手）

多思考 遇到疑难问题要先思考，再查书或求老师解疑，切忌不求甚解，煮夹生饭。疑难问题积累多了得不到解决则有学不下去的危险，因为有机化学内容是前后连贯的，系统性很强，只有掌握了前面的知识，才能理解后面的内容。

勤练习 认真做练习题是学好有机化学的重要环节，不仅对理解和巩固所学知识是最有效的，同时也是检验是否完成学习任务的必要方法，做习题要在系统复习的基础上进行，切不可照抄答案，否则有百害而无一利。

善总结 学会归纳总结，要总结化合物结构与性质的关系，以了解共性与个性。还要揭示各类化合物之间内在联系与相互转化关系。 某一类化合物的性质往往是另一类化合物的制法，熟练的掌握了这些关系，才能设计各种特定化合物的合成路线。要把每章新出现的名词、概念搞清楚，做到准确理解。应用自如。

附二 参考书

参考书： 《基础有机化学》、刑其毅、徐瑞秋、周政编，高等教育出版社。