有機化學緒論沈征武什么是化學定義和歷史變革什么是化學化學是在原子層次上研究物質的組成、結構、性質、及變化規律的自然科學，這也是化學變化的核心基礎。化學的特點：化學是重要的基礎科學之一，是一門以實驗為基礎的學科，在與物理學、生物學、地理學、天文學等學科的相互滲透中，得到了迅速的發展，也推動了其他學科和技術的發展。例如，核酸化學的研究成果使今天的生物學從細胞水平提高到分子水平，建立了分子生物學。化學的核心—元素周期表小貼示：點擊鍵盤上下方向鍵也可進行翻頁元素周期表元素周期表是元素周期律用表格表達的具體形式，它反映元素原子的內部結構和它們之間相互聯系的規律。元素周期表有7個周期，有16個族和4個區。元素在周期表中的位置能反映該元素的原子結構。周期表中同一橫列元素構成一個周期。同周期元素原子的電子層數等于該周期的序數。同一縱行（第Ⅷ族包括3個縱行）的元素稱“族”。現代化學的元素周期律是1869年俄國科學家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（DmitriIvanovichMendeleev）首先整理.他將當時已知的63種元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化學性質的元素放在同一行，就是元素周期表的雛形。利用周期表，門捷列夫成功的預測當時尚未發現的元素的特性（鎵、鈧、鍺）。化學發展的階段萌芽時期（1500BC）從遠古到公元前1500年，人類學會在熊熊的烈火中由黏土制出陶器、由礦石燒出金屬，學會從谷物釀造出酒、給絲麻等織物染上顏色。丹藥時期（1500

BC到公元1650年）為求得長生不老的仙丹或象征富貴的黃金，煉丹家和煉金術士們開始了最早的化學實驗，但他們在煉制長生不老藥的過程中，在探索“點石成金”的方法中實現了物質間用人工方法進行的相互轉變，積累了許多物質發生化學變化的條件和現象，為化學的發展積累了豐富的實踐經驗。煉丹家在實驗過程中發明了火藥，發現了若干元素，制成了某些合金，還制出和提純了許多化合物。化學發展的階段燃素時期（公元1650-1775）

化學借燃素說從煉金術中解放出來。燃素說認為可燃物能夠燃燒是因為它含有燃素，燃燒過程是可燃物中燃素放出的過程，盡管這個理論是錯誤的，但它把大量的化學事實統一在一個概念之下，解釋了許多化學現象。通過對燃燒現象的精密實驗研究，建立了科學的氧化理論和質量守恒定律，隨后又建立了定比定律、倍比定律和化合量定律，為化學進一步科學的發展奠定了基礎。發展期（1775年到1900年）1775年前后，拉瓦錫用定量化學實驗闡述了燃燒的氧化學說，開創了定量化學時期。19世紀初，道爾頓提出近代原子學說，突出地強調了各種元素的原子的質量為其最基本的特征，其中量的概念的引入，是與古代原子論的一個主要區別。近代原子論使當時的化學知識和理論得到了合理的解釋，成為說明化學現象的統一理論。意大利科學家阿伏加德羅提出分子概念。自從用原子-分子論來研究化學，化學才真正被確立為一門科學。俄國化學家門捷列夫發現元素周期律。德國化學家李比希和維勒發展了有機結構理論，這些都使化學成為一門系統的科學，也為現代化學的發展奠定了基礎。19世紀下半葉，熱力學等物理學理論引入化學之后，不僅澄清了化學平衡和反應速率的概念，而且可以定量地判斷化學反應中物質轉化的方向和條件。相繼建立了溶液理論、電離理論、電化學和化學動力學的理論基礎。發現了許多新元素，加上對原子分子學說的實驗驗證，經典性的化學分析方法也有了自己的體系。草酸和尿素的合成、原子價概念的產生、苯的六環結構和碳價鍵四面體等學說的創立、酒石酸拆分成旋光異構體，以及分子的不對稱性等等的發現，導致有機化學結構理論的建立，使人們對分子本質的認識更加深入，并奠定了有機化學的基礎。伏打電池（1800）拉瓦錫研究發酵產生氣體的裝置（1789）拉瓦錫研究水銀氧化的裝置（1789）玻義耳真空泵（1660）戴維安全燈（1818）李比錫有機物元素分析裝置（1837）現代時期–化學是一門建立在實驗基礎上的科學現代化學發展的趨勢：由宏觀向微觀、由定性向定量、由穩定態向亞穩定態發展，由經驗逐漸上升到理論，再用于指導設計和開拓創新的研究。一方面，為生產和技術部門提供盡可能多的新物質、新材料；另一方面，在與其它自然科學相互滲透的進程中不斷產生新學科，并向探索生命科學和宇宙起源的方向發展。化學包括了七大分支學科。生物化學、有機化學、高分子化學、核化學和生物化學、物理化學、無機化學等七大類共80項。無機化學元素化學、無機合成化學、無機高分子化學、無機固體化學、配位化學（即絡合物化學）、同位素化學、生物無機化學、金屬有機化學、金屬酶化學等。有機化學普通有機化學、有機合成化學、金屬和非金屬有機化學、物理有機化學、生物有機化學、有機分析化學。物理化學結構化學、熱化學、化學熱力學、化學動力學、電化學、溶液理論、界面化學、膠體化學、量子化學、催化作用及其理論等。分析化學化學分析、儀器和新技術分析。包括性能測定、監控、各種光譜和光化學分析、各種電化學分析方法、質譜分析法、各種電鏡、成像和形貌分析方法，在線分析、活性分析、實時分析等，各種物理化學性能和生理活性的檢測方法，萃取、離子交換、色譜、質譜等分離方法。高分子化學天然高分子化學、高分子合成化學、高分子物理化學、高聚物應用、高分子物理。核化學放射性元素化學、放射分析化學、輻射化學、同位素化學、核化學。生物化學一般生物化學、酶化學、微生物化學、植物化學、免疫化學、發酵和生物工程、食品化學、煤化學等。其它與化學有關的邊緣學科還有：地球化學、海洋化學、大氣化學、環境化學、宇宙化學、星際化學等。化學的分支一、有機化學的研究對象二、化學鍵理論三、有機分子的結構表示四、酸堿理論五、分子極性和分子間作用力六、官能團和有機化合物的分類有機化學一、有機化學的研究對象什么是有機化學？為什么要學習有機化學？古代人們認為有機化合物就是：植物中蒸餾得到的精油或

樹木中用酸得到的生物堿。典型的例子：荷蘭薄荷中得到的薄荷醇，茉莉花中的茉莉酮16世紀最著名的生物堿是南美金雞納樹中的奎寧基督教徒用來治療發熱和瘧疾。什么是有機化學----碳化合物的化學起源于從前根據來源將化合物分為無機和有機。無機物是從礦物中得到的化合物x有機物是從生物體中得到的化合物x

一、有機化學的研究對象19世紀初，主要化學品的來源是煤。煤的蒸餾得到煤氣（H2和CO）用于加熱剩余的煤焦油富含芳香化合物:酚類由Lister用于外科的殺菌劑胺類成為染料工業的基礎。

FriedrichWohler在1828年發現由無機物“氰酸銨”可以合成有機物“尿素”，從此生命力學說被動搖。LeadcyanateWaterAmmonia20世紀初，石油代替煤成為主要化學品的來源。簡單的碳氫化合物如天然氣，丙烷等成為燃料化學家們開始從新的來源如真菌，細菌，珊瑚中尋找新的化合物，因而形成了兩類新的化學工業：大化工（BulkChemical)---顏料，染料，塑料，產量以噸計精細化工（FineChemical）---藥物，香料等，利潤更高。到目前為止，已知的有機化合物約1600萬個。各種類型的分子以各種形態存在。

一、有機化學的研究對象

有機化合物的存在形式-色，香，味立方體的片狀結晶針狀結晶黃色爆炸性氣體綠色棱柱體深藍色液體深藍色氣體，凝固成紫色固體有機化合物的顏色有機化合物的氣味

有機化合物的存在形式-色，香，味有機化合物的氣味大馬酮玫瑰的芳香煙草甲殼蟲性信息素

1.5mg/65000beetles日本甲殼蟲性信息素有機化合物的滋味0.1ug/tonofwater1.有機化學給我們帶來光明當你注視這個頁面的時候，你的眼睛正使用一種有機化合物來將光轉變成神經刺激，讓你知道見到什么。神經刺激視覺CisTransRhodopsinMetarhodopsinⅡhν2.有機化學使世界色彩斑斕紅橙黃綠藍紫3.有機化學和我們的健康

弗萊明因發現青霉素而獲得1945年諾貝爾獎，青霉素的發現開辟了一條新的治病途徑，拯救了成千上萬條命。3.有機化學保護我們的健康青霉素4.有機化合物為生命提供能源——碳水化合物（糖）

葡萄糖直鏈淀粉的結構5.有機化合物——作為生命遺傳物質DNA傳宗接代美國人沃森&英國人克里克提出DNA雙螺旋結構6.現代文明的基礎——有機化學和工業化學相關的公司遍布全球，只是規模不同，產量由公斤級到數千噸不等。*石油化工—Esso,Shell等，每天提煉超過1千萬升的原油，主要用于燃料，*乙醇工業–主要由石油中乙烯水合得到，但在巴西主要是甘蔗的廢料發酵生產。*塑料和高分子工業：BASF,

Dupond,Amoco,Monsanto,Laporte,Hoechst,ICI

硬塑料—用于家用產品，家具，化纖（2400萬噸/年)

彈性高分子—用于車胎；氣泡填充高分子—用于包裝

全球年產量一億噸！！*日用化工–Unilever,Procter&Gamble，肥皂，洗滌劑，牙膏，洗發精等日用品。

6.現代文明的基礎——有機化學和工業有機化學和工業*膠黏劑，密封劑，噴涂劑工業—Ciba-Geigy,Dow,Monsato,Leporte等，現代的飛機是用環氧樹脂膠黏的。而超級膠水號稱可以將任何物體粘接起來。*顏料，染料工業–ICI,AkzoNobel用于家紡，彩色塑料，彩紙，墻壁涂料等。ICI在該領域年銷售額〉20億英鎊。有機化學和工業*香精香料工業—InternationalFlavoursandFragrances，Givaudan-Roure

*甜味劑工業–Monsanto.每年1萬噸有機化學和制藥工業從生老病死到衣食住行都離不開有機化學。環境的污染，說明對化學知之甚少，與自然和諧相處，必須學好有機化學。

在重視生命科學的今天，也是有機化學大放光芒的時代。因為分子生物學中的分子就是有機分子，生物化學就是要研究有機化學反應在生命體內如何進行。當今生命科學的重大問題如生命的起源，重大疾病如癌癥、艾滋病的治療、都離不開對有機化合物的研究。

盡管人類運用自己的聰明才智可以合成各種各樣的有機化合物，但所用的最基本、最原始的原料主要來自石油和煤——最初還是屬于生命體的東西；最經濟、最溫和、效率最高的有機反應還是生命體內的有機反應。7.什么是有機化學？為什么要學習有機化學？多學科藥物發明價值鏈的貢獻不同有機化合物的結構不同有機化合物的結構1.庫侖力——從簡單的角度理解成鍵每個原子都由一個原子核和圍繞在原子核外的電子組成。原子核包含電中性的中子和帶正電荷的質子。周圍的電子則帶和原子核等量的負電荷，因此原子所帶的凈電荷為零。二、化學鍵理論當兩個原子接近時，第一個原子的原子核吸引第二個原子的電子。同樣第二個原子的原子核也吸引著第一個原子的電子。這種結合方式可以用“庫侖定律”來表述：異性電荷間的引力與兩電荷距離的平方成反比。Coulomb’sLaw這種引力導致原子間成鍵釋放出能量。該能量稱為“鍵能”。當兩原子接近至一定程度，不再釋放能量。這時兩原子間的距離稱為“鍵長”。離子鍵：兩個帶異性電荷的離子通過靜電吸引。2.離子鍵和共價鍵——八電子規則共價鍵：兩個原子間共用電子對。八電子規則（TheoctetRule）： 在一般情況下，原子互相結合生成鍵時，其外層電子數應達到8或2。在離子鍵中，成鍵原子通過轉移電子形成八電子體。在共價鍵中，成鍵原子通過共用電子對形成八電子體。例如：離子化合物NaCl的生成，Na失去一個電子給Cl，Na、Cl外層電子數都達到了八，滿足八電子規則。當兩原子間電子轉移所需能量很高而難以形成離子鍵，則通過共用電子對的方式形成八電子體。例如：H2，HCl，Cl2。大多數有機物分子兩成鍵原子的原子核對電子的 吸引力不同，電子對并不是平等的被兩成鍵原子 共用，因此形成極性共價鍵。離子鍵和非極性共價鍵是化學鍵的兩種極端形式。3.有機分子的路易斯結構：用成對的點或短線表示化學鍵。路易斯結構的畫法規則：寫出分子構架計算出可用的價電子數CH44H1C4×1e=4e1×4e=4eTotal8eC2H44H2C4×1e=4e2×4e=8eTotal12eC2H22H2C2×1e=2e2×4e=8eTotal10eCH2O2HC2×1e=2e4e;O6eTotal12e畫出所有的共享電子對4.原子軌道量子理論：原子中電子的運動狀態叫做原子軌道，用波函數ψ來表示。原子軌道的形狀可以用界面劃出一個區域來表示，電子在這個區域內出現的幾率很大，這是形象的表示原子軌道的另一種方法。

通過量子化學計算，存在四種原子軌道：s、p、d、f。每種軌道都有自己獨特的形狀。s，p軌道在有機化學中最重要s軌道是球形，原子核位于球心P軌道是啞鈴形，原子核位于兩瓣中間原子軌道和電子層隨著能量的增大，原子軌道組成不同的電子層每個原子軌道最多可容納兩個電子第一電子層包括一個s軌道，擁有兩個電子第二電子層包括1個s軌道和3個p軌道，擁有8個電子第三電子層包括1個s軌道、3個p軌道和5個d軌道，擁有18個電子例如：C原子的電子排布如下

所以C原子有4個價電子(2s2sp2)，可以形成4個化學鍵。碳原子位于周期表的第二周期第Ⅳ族，是第Ⅳ族中最小的原子，外層電子少，帶正電的原子核對這些電子的控制較強一些。這兩個特點使碳原子在所有化學元素中表現有十分特殊的本質，能夠形成一個龐大的碳化合物體系。5.雜化軌道(hybrid

orbital)

原子在化合成分子的過程中，根據原子成鍵的要求，在周圍原子影響下，將原有的原子軌道進一步線性組合成新的原子軌道。這種在一個原子中不同原子軌道的線性組合，稱為原子軌道的雜化。雜化后的原子軌道稱為雜化軌道。雜化時，軌道的數目不變，軌道在空間的分布方向和分布情況發生改變。

能量相近的原子軌道可進行組合，形成能量相等的雜化軌道。

C的電子構型是(1s)2(2s)2(2p)2，吸收一定能量后，一個2s電子被激發到2p軌道。sp3雜化軌道

1個2s軌道和3個2p軌道進行線性組合，形成相同的4個sp3雜化軌道，指向正四面體的四個頂角與4個氫原子鍵合成CH4分子，H-C-H鍵角為109.5°。sp3sp3sp3sp3sp2雜化軌道

C原子的1個2s軌道和2個2p軌道進行線性組合，得到3個等同的sp2雜化軌道，它們的對稱軸在同一平面內，彼此間夾角為120o。sp2sp2sp2psp雜化軌道

C原子的1個2s軌道和1個2p軌道進行線性組合，得到2個等同的sp雜化軌道，它們的對稱軸之間的夾角為180o。spsppp6.分子軌道兩原子軌道相互重疊，形成分子軌道。組成分子軌道的原子軌道，能量應大致相近，并能最大限度地重疊，這樣組成的分子軌道能量最低。CHEMTV原子軌道的重疊，形成σ鍵和π鍵1s和1s、1s和2p、2p和2p、3p和3p沿軸向“頭對頭”重疊，形成σ鍵2p和2p垂直于軸“肩并肩”重疊，形成π鍵在乙烷中，2個sp3雜化軌道組成C-C鍵，其它sp3軌道與H原子形成σ鍵。乙烷中的每個H原子都能夠被CH3或其它功能基替換，形成新的化合物。在乙烯(CH2CH2)分子中，兩個碳原子以sp2雜化軌道相互重疊形成C-Cσ鍵，并以sp2雜化軌道分別與4個氫原子鍵合，生成的C-C和C-H鍵在同一平面內，彼此間的夾角為120o，未參與雜化的p軌道以肩并肩的方式重疊形成π鍵。在乙炔(CHCH)中，2個碳原子以sp雜化軌道互相重疊，形成C-Cσ鍵，并用另外的sp雜化軌道與氫原子鍵合，生成的C-C和C-H鍵在同一直線上，未參與雜化的2個p軌道以肩并肩的方式重疊形成π鍵。三、有機化合物分子的表示方法要點1：真實性*以Zig-Zag的形式表示碳鏈要點2：經濟性去掉與C相連接的H，除非有特別的理由。去掉大寫的C以代表碳原子。除非有特別的理由。三、有機化合物分子的表示方法末端代表C原子因為只顯示一個鍵，因此該C原子一定連接三個氫原子這些C原子上一定連接一個氫，因為每個C上顯示有三個鍵。這些C原子上一定連接兩個氫，因為每個C上顯示有兩個鍵。每一個彎曲點代表一個C原子這個H原子必須要顯示，因為該H不是連接在C上。該C原子上顯示4個鍵。因此C上面沒有H三要點，兩例外：真實性，經濟性以及清晰性1：以Zig-Zag模式畫結構。2：去除C上的H，有特別理由的除外。3：去掉大寫的C，以彎曲點代表C原子，

有特別理由的除外。第一個例外是表示三維結構時第二個例外是特殊場合，如表示反應時碳氫化合物的骨架1。鏈狀化合物碳鏈的命名和縮寫碳原子的數目基團的命名分子式縮寫烷烴的命名甲烷乙烷丙烷葵烷壬烷庚烷己烷戊烷丁烷辛烷四、酸堿理論 用于有機化學中的酸堿理論有Br?nsted酸堿理論和Lewis酸堿理論1.Br?nsted酸堿理論

酸是質子的給予體，堿是質子的接受體：JohannNicolausBr?nsted

1879-1947酸共軛堿堿共軛酸酸堿強度的計量

酸的強度，可以在很多溶劑中測定，但最常用的是在水溶液中，通過酸的離解常數Ka來測定的。酸性強度可用pKa表示，pKa=-lgKa。Ka>1，則pKa<0，為強酸；若Ka<10-4，pKa>4，為弱酸。溶液的酸性用pH表示。（pH=-lg[H+]）酸釋放出質子后產生的酸根，即為該酸的共軛堿；堿與質子結合后形成的質子化合物，即為該堿的共軛酸，如：堿的強度可以類似地由堿的離解常數Kb來測定。堿的強度可用pKb=-lgKb表示。b有機酸堿反應：有機反應常常是酸堿反應，質子從Br?nsted酸轉移到Br?nsted堿的過程非常迅速，而且常常伴隨其它反應。b有機酸:從O-H鍵上失去質子的化合物，如甲醇，乙酸;從靠近C=O雙鍵的C-H鍵上失去質子的化合物。有機堿：含有孤對電子可以和H+成鍵的化合物含氮的胺類化合物，是最普通的有機堿含氧化合物可作為堿和強酸反應，也可作為酸和強堿反應有機堿:2.Lewis酸堿理論Lewis酸：電子對的接受體，Lewis堿：電子對的給予體GilbertNewtonLewis

1875-1946一些Lewis酸一些Lewis堿Lewis酸堿反應第三節分子的極性和分子間作用力一、分子的極性分子中電荷分布不均勻，正、負電荷中心不能重合分子的極性用電偶極矩μ表示，單位C?m（庫侖?米）或debye（德拜，D）。1D=3.336×10-30C?mμ=q×d雙原子分子——分子的極性即鍵的極性多原子分子——分子的極性為各鍵極性的向量和μ=0(非極性分子)μ=1.87(極性分子)分子的極性越大，分子間相互作用力就越大，因此，化合物分子的極性大小直接影響其沸點、熔點、溶解度等物理性質和化學性質。分子的極化

polarization——外電場作用下鍵的極性發生變化的現象。極化的難易程度稱為極化度。其大小取決于成鍵電子云流動性的大小。動態現象，當外電場消除，即恢復原來的極性。二、分子間的作用力有機化合物分子間的作用力主要是：偶極-偶極作用力

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