基础有机化学 基础有机化学 1.1有机化合物和有机化学 1.有机化合物:碳化合物、碳氢化合物及其衍生物 第一章 C、H(0、N、X、P、S) 2有机化学;研究有机化合物来源、制备、结构、性能、应 用以及有关理论、变化规律和方法学科学 三项内容:分高、结构、反应和合成 绪论 [分离]从自然界或反应产物通过燕馏、结晶、吸附、萃取、 升华等操作孤立出单一纯净的有机物 [结构]对分离出的有机物进行化学和物理行为的了解,阐 明其结构和特性 [反应和合成]从某一有机化合物(原料)经过一系列反应转化 南京大学基础学科教育学院 成一已知的或新的有机化合物(产物)。南京大学基础学科教育学院 基础有机化学 基础有机化学 3.有机化学的发展及其研究热点。 有机化学是一门迅速发展的学科 “有机”( Organic)“有机体”( Organism) 1828年,德国化学家魏勒( Wohler,F. 做素 有机合成化学 药物化学 生命科学 天然有机化学 香科化学 NH40cN-△B2-C-NB2 生物有机化学 农药化学 环境科学 金属与元囊有机化学 1845年,柯尔伯( H kolber)制得酸; 化学生物学 1854年,柏赛罗 M berthelot)合成油脂类化合物 能源、工业、农业 尔后,布特列洛夫合成了糖类化合物; 有机分析化学 等方面 机物可来源于生物体也可由无机物转化而来。 迄今已知的化合物超过2000万(主要通过人工合成),其 19011998年,诺贝尔化学奖共90项,其中有机化学方面 中绝大多数是有机化合物。 的化学奖55项,占化学奖61% 南京大学基础学科教育学院 南京大学基础学科教育学院 基础有机化学 基础有机化学 当代有机化学发展的一个重要趋势:与生命科学的结合 有机化学特别是生物有机化学参与研究项目: 年①NA)1997年(ATP)与生命科学有关的化学诺贝尔 ●研究信息分子和受体识别的机制; ●发现自然界中分子进化和生物合成的基本规律 ●作用于新的生物靶点的新一代治疗药物的前期基础研究 ●发展提供结构多样性分子的组合化学 DNA为生物体遗传物质,是由生物学家和化学家共同完 人类基因组“工作框架图 ●对于复杂生物体系进行静态和动态分析的新技术,等等。 等基法 基因组计划一序列基因 南京大学基础学科教育学院 南京大学基础学科教育学院
1 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 第一章 绪 论 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 1.1 有机化合物和有机化学 1.有机化合物：碳化合物、碳氢化合物及其衍生物。 C、H（O、N、X、P、S） 2. 有机化学：研究有机化合物来源、制备、结构、性能、应 用以及有关理论、变化规律和方法学科学。 •三项内容：分离、结构、反应和合成 [分离] 从自然界或反应产物通过蒸馏、结晶、吸附、萃取、 升华等操作孤立出单一纯净的有机物。 [结构] 对分离出的有机物进行化学和物理行为的了解，阐 明其结构和特性。 [反应和合成] 从某一有机化合物(原料)经过一系列反应转化 成一已知的或新的有机化合物(产物)。 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 3. 有机化学的发展及其研究热点。 “有机”(Organic) “有机体”(Organism) 的来源 1828年，德国化学家魏勒(Wöhler,F.)制尿素： 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；.…... 有机物可来源于生物体也可由无机物转化而来。 迄今已知的化合物超过2000万(主要通过人工合成 )，其 中绝大多数是有机化合物。 N H 4OCN H 2N C NH 2 O 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 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% 有机化学是一门迅速发展的学科 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 有机分析化学 药物化学 香料化学 农药化学 有机新材料化学 等学科 生命科学 材料科学 环境科学 化学生物学 能源、工业、农业 等方面 ...... ...... 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 当代有机化学发展的一个重要趋势：与生命科学的结合。 1980年(DNA) ~ 1997年(ATP)与生命科学有关的化学诺贝尔 奖八项； 有机化学以其价键理论、构象理论、各种反应及其反应机 理成为现代生物化学和化学生物学的理论基础； 在蛋白质、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，有机化学为分子生物学的建 立和发展开辟了道路； 确定DNA为生物体遗传物质, 是由生物学家和化学家共同完 成； 人类基因组“工作框架图”组装—后基因组计划—序列基因 (Sequence Genomics)—结构基因(Structural Genomics)—功能基因(Functional Genomics)。 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 有机化学特别是生物有机化学参与研究项目： V 研究信息分子和受体识别的机制; V 发现自然界中分子进化和生物合成的基本规律; V 作用于新的生物靶点的新一代治疗药物的前期基础研究; V 发展提供结构多样性分子的组合化学; V 对于复杂生物体系进行静态和动态分析的新技术，等等
基础有机化学 基础有机化学 有机新材料(分子材料)化学 1.化学结构种类多:2.能够有目的地改变功能分子的结构 进行功能组合和集成;3.能够在分子层次上组装功能分子 有机化学中,有机合成占有独特的核心地位 调控材料的性能 1989年美国 Harvard大学 kishi教授等完成海葵事素 palytoxin)的全合成。 Woodward等完成ⅤB12全合成 当前研究的热点领域 从20世纪下半叶起,化学的主要任务不再是发现新元 1.具有潜在光、电、磁等功能的有机分子的合成和组装 素,而是合成新分子,特别是人们感兴趣的明星分子 2.分子材料中的电子、能量转移和一些快速反应过程的研究; 徐光宪 3.研究分子结构、排列方式与材料性能的关系,发展新的分子 组装的方法,探讨产生特殊光电磁现象的机制 4.探索新型分子材料在光电子学和微电子学中的应用等 南京大学基础学科教育学院 南京大学基础学科教育学院 基础有机化学 基础有机化学 1.3原子轨道和分子轨道 1.原子轨道 1.2有机化合物的结构(C为四价) 含义—原子中电子的运动状态,用波函数φ表示。 凯库物结构式(化学键) 表示方法:电子云的形状和疏密、界面图的大小和疏密 路易斯结构式(价电子,包括孤对电子)、 s,p,d,f(形状、伸展方向 立体模型(球棍模型、比例模型) 核外电子排布规律: Pauli不相容,能量最低,hund规则 南京大学基础学科教育学院 南京大学基础学科教育学院 基础有机化学 基础有机化学 2.现代价键理论—电子定域论 (1)价健的形成可看成是原子轨道重叠或电子配对的结 直线型分子 果 8p2杂化: 条件:未成对电子,自旋相反 如BF3 平面型分子 8 (2)共价键的饱和性:价键数=单电子数 8p3杂化 (3)共价键的方向性:原子轨道重叠程度大小决定共价健 如GH 正四面体结构 的牢固程度 8p2杂化 头碰头重叠(0键);肩并肩重叠(x键) (5)电负性、极性 (4)轨道杂化:同一原子的能量相近的轨道可进行杂化 素的电负性 共价键的极性: 组成能量相等的杂化轨道,这样使成键能力更强,体系能 分子的极性:双原子分子、多原子分子 量降低,成键后可达到最稳定的分子状态。(杂化轨道数 目等于参与杂化的原子轨道效目)南京大学基佛学科教自学院 南京大学基础学科教育学院 2
2 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 有机化学中，有机合成占有独特的核心地位。 1989年美国Harvard大学kishi教授等完成海葵毒素 (palytoxin)的全合成。Woodward等完成VB12全合成。 从20世纪下半叶起，化学的主要任务不再是发现新元 素，而是合成新分子，特别是人们感兴趣的明星分子。 一 徐光宪 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 有机新材料(分子材料)化学。 1. 化学结构种类多； 2. 能够有目的地改变功能分子的结构， 进行功能组合和集成；3. 能够在分子层次上组装功能分子， 调控材料的性能。 当前研究的热点领域： 1. 具有潜在光、电、磁等功能的有机分子的合成和组装 2. 分子材料中的电子、能量转移和一些快速反应过程的研究； 3. 研究分子结构、排列方式与材料性能的关系，发展新的分子 组装的方法，探讨产生特殊光电磁现象的机制； 4. 探索新型分子材料在光电子学和微电子学中的应用等 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 1.2 有机化合物的结构（C为四价） 凯库勒结构式（化学键）、 路易斯结构式（价电子，包括孤对电子）、 立体模型(球棍模型、比例模型） 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 1.3 原子轨道和分子轨道 1.原子轨道 含义——原子中电子的运动状态，用波函数Φ表示。 表示方法：电子云的形状和疏密、界面图的大小和疏密 s, p, d, f (形状、伸展方向） 核外电子排布规律：Pauli不相容，能量最低，Hund规则 s轨道 p轨道 d轨道 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 2. 现代价键理论——电子定域论 （1）价键的形成可看成是原子轨道重叠或电子配对的结 果。 条件：未成对电子，自旋相反 （2）共价键的饱和性： 价键数 = 单电子数 （3）共价键的方向性：原子轨道重叠程度大小决定共价键 的牢固程度。 头碰头重叠（σ键）；肩并肩重叠（π键） （4）轨道杂化：同一原子的能量相近的轨道可进行杂化， 组成能量相等的杂化轨道，这样使成键能力更强，体系能 量降低，成键后可达到最稳定的分子状态。（杂化轨道数 目等于参与杂化的原子轨道数目） 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 sp 杂化： 如 BeCl2 ——直线型分子 sp2 杂化： 如 BF3 ——平面型分子 sp3 杂化： 如 CH4 ——正四面体结构 （5）电负性、极性 元素的电负性： 共价键的极性： 分子的极性：双原子分子、多原子分子 + + + - - - sp2杂化
基础有机化学 基础有机化学 3.分子轨道理论(电子高域论) (1)分子中电子运动状态,即分子轨道 函数表示 a成键分子轨道:波相相同,波函数相加而成,能 分子轨道也有不同能层,电子的填充也应巡循三个原理 原子孰量低于相应的原子轨道;两核间电子云密度大;稳 (2)原子轨道的数目与形成的分子轨道数目相等(原子轨道线 道线性定分子 性组合法:LAC0) 组合(b反键分子轨道波相相反,波函数相减而成,能 量高于相应的原子轨道;两核间区域以外电子云密 (3)组成分子轨道的原子轨道,能量应大致相近,对称性相同, 度大,不稳定 并能最大程度地重叠,这样形成的分子轨道能量最低。 南京大学基础学科教育学院 南京大学基础学科教育学院 基础有机化学 基础有机化学 4共价键的键参数 5、有机化学反应的类型 (1)键长;键长越短,键越稳定。 按反应时键的断裂方式,可分为: (1)均裂反应:键断裂时原成键的一对电子平均分给两个 (2)键角:反映分子的空间结构。 原子或基团 (3)键能:键能越大,键越强 A:B→A+B (4)键距:正负电荷中心的电荷(e)与正负电荷中心之间 特点:有自由基中间体生成。(自由基反应 的距离(d)的乘积。=e×d(衡量键的极性) 条件:光、热或自由基引发剂的作用下进行。 方向:正→ 2)异裂反应:键断裂时原成键的一对电子为某一原子或 基团所占有 分子的偶极距:分子中各键的键距矢量和(平行四边形 c:X→c+X 法则)·衡量分子的极性。如:CS2,CC14 特点:有正离子或负离子中间体生成。(高子型反 南京大学基础学科教育学院 南京大学基础学科教育学院 基础有机化学 基础有机化学 根据进攻试剂的种类可分为:亲电反应和亲核反应 1.4有机化合物的结构测定 3)协同反应:反应过程中只有键变化的过渡态,成键和 (1)提纯分高 断健同时发生,没有活性中间体生成。(分子型反应) (2)元素定性分析和定量分析, 特点:一步反应,有一个环状过渡态 (3)经验式和分子式的确定 如双烯合成 (4)结构式的确定 (5)几何构型的确定 南京大学基础学科教育学院 南京大学基础学科教育学院
3 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 3.分子轨道理论（电子离域论） （1）分子中电子运动状态，即分子轨道，用波函数Ψ 表示。 分子轨道也有不同能层，电子的填充也应遵循三个原理。 （2）原子轨道的数目与形成的分子轨道数目相等（原子轨道线 性组合法：LACO） （3）组成分子轨道的原子轨道，能量应大致相近，对称性相同， 并能最大程度地重叠，这样形成的分子轨道能量最低。 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 a 成键分子轨道：波相相同，波函数相加而成，能 量低于相应的原子轨道；两核间电子云密度大；稳 定分子 b 反键分子轨道：波相相反，波函数相减而成，能 量高于相应的原子轨道；两核间区域以外电子云密 度大，不稳定。 原子轨 道线性 组合 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 4.共价键的键参数 （1）键长：键长越短，键越稳定。 （2）键角：反映分子的空间结构。 （3）键能：键能越大，键越强。 （4）键距：正负电荷中心的电荷（e）与正负电荷中心之间 的距离（d）的乘积。μ= e × d （衡量键的极性） 方向：正 → 负 单位：Debye(D) 分子的偶极距：分子中各键的键距矢量和（平行四边形 法则）。衡量分子的极性。如：CS2，CCl4 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 5、有机化学反应的类型 按反应时键的断裂方式，可分为： （1）均裂反应：键断裂时原成键的一对电子平均分给两个 原子或基团。 A∶B → A· + B· 特点：有自由基中间体生成。（自由基反应） 条件：光、热或自由基引发剂的作用下进行。 （2）异裂反应：键断裂时原成键的一对电子为某一原子或 基团所占有。 C∶X → C+ + XC∶Y → C- + Y+ 特点：有正离子或负离子中间体生成。（离子型反 应） 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 根据进攻试剂的种类可分为：亲电反应和亲核反应 （3）协同反应：反应过程中只有键变化的过渡态，成键和 断键同时发生，没有活性中间体生成。（分子型反应） 特点：一步反应，有一个环状过渡态。 如双烯合成。 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 1.4 有机化合物的结构测定 （1）提纯分离， （2）元素定性分析和定量分析， （3）经验式和分子式的确定， （4）结构式的确定， （5）几何构型的确定
、按碳架分类 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 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 用按言能团分类的方法来研究有机省余约学再要言 团见P1表1
4 基础有机化学 南京大学基础学科教育学院 南京大学化学化工学院 1.5 官能团和有机化合物的分类 一、 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 二、 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—1