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同学们好
欢迎大家
跨进异彩纷呈的有机世界
今天讨论的主要内容有
有机化学
有机化合物
共价键的概念
以及有机化合物的特点
价键理论
杂化轨道理论
共价键参数等等
首先需要明确
什么是有机化合物
什么是有机化学
1780年
瑞典化学家Bergman
提出“有机物”
和“无机物”的概念
并把从有机体中取得的物质
称为“有机物”
1806年瑞典化学家Berzelius
首次提出
“有机化学”的概念
那个时候“生命力”说盛行
他认为有机物必源于生命体
1848年
德国化学家Gmelin
把有机化学
定义为研究碳化合物的科学
德国化学家
共产主义战士
马克思和恩格斯的
亲密战友Schorlemmer
他的观点是
有机物
即研究含碳化合物
及其衍生物的科学
现代的共识是
有机化学是研究
有机化合物的结构
性质
合成
应用的科学
一些简单的含碳化合物
比如说一氧化碳
二氧化碳
碳酸盐等
因其性质更接近于无机化合物
故常放在无机化学中研究
接着呢
我们看看有机化合物有什么特点
有机化合物组成上特点是
必含碳
组成中必含碳元素
是化合物称其为有机物的必要条件
有机化合物的成键特点是
共价键
有机化合物的原子间
主要是通过电子相配成对
而形成化学键
有机化合物结构上的特点是
同分异构
同分者分子式相同
异构者结构不同
同分异构
是有机化合物的鲜明的特征
有关成键
和结构的细节问题
我们将在稍后专门讨论
有机化合物物理性质上的特点是
大多数有机物
熔点沸点低
常温下多为气体
液体
或者低熔点固体
挥发性比较大
水溶性比较差
有机物化学性质的特点是
热稳定性比较差
易燃
易爆
反应速度比较慢
反应比较复杂
副反应多
产率一般比较低
刚才呢我们说过
有机化合物的
特点之一是共价键
所以呢
我们紧接着讨论
共价键的相关问题
对于共价键的理论解释
常见的有价键理论
和分子轨道理论
这里只讨论价键理论
价键理论相关的
第一个问题
第一个问题
就是共价键的概念
以及价键理论的具体内容
1916年
美国化学家Lewis
提出了共价键电子理论
该理论认为
共价键
即两个原子
通过电子配对所成的键
由于成键的两个原子
都具有未成键
而且自旋相反的电子
它们能够通过配对
使得每个原子
最外层电子数
达到稳定的结构
成键的电子
只定域于
两个成键的原子之间
比如
一个碳原子和四个氢原子
结合成甲烷时
四个氢原子各提供一个电子
分别和碳原子的四个
未成对的电子配对
形成共用电子对
这样
甲烷的碳原子和氢原子
都取得最外层
电子数为8个
和2个的稳定结构
下面是碳原子
和氢原子
通过电子配对
形成共价键
结合形成甲烷的示意图
像这样
两个原子间
经由一对电子
形成的共价键叫做单键
两个原子
各用2个
或者3个未成键电子
形成的共价键
则为双键或者三键
价键理论相关的第二个问题
就是共价键的表示方法
共价键常见的表示方法有
路易斯式和凯库勒式
所谓路易斯式
即由一对
代表共用电子的点
表示一个共价键
所谓凯库勒式
即由一根短线
表示一个共价键
共价键理论的
相关的第三个问题
就是共价键的特点
共价键的特点之一是
共价键具有饱和性
即一个原子的一个未成键电子
与另一个原子的一个未成键电子
配对之后
就不能再与其它电子配对
通俗的说
就是一夫一妻制
共价键的特点之二是
共价键的方向性
共价键的形成
也可以看做是
成键原子的原子轨道重叠的结果
成键时
两个电子的原子轨道发生重叠
重叠程度的大小
决定共价键的牢固程度
比如
p电子的原子轨道
具有沿着或x轴
或y轴
或z轴伸展的
特定的空间取向
其它电子的轨道
只有从这些特定方向
接近的时候
才可能与该p电子轨道
有最大重叠
这就是最大重叠原理
共价键最大重叠的方向性
决定了分子的空间构型
价键理论相关的第四个问题
就是杂化轨道理论
中学化学中
我们已经学过
C原子的核外电子排布为
1s22s22px12py1
核外有且只有两个未成对的电子
那么根据价键理论
C原子和H原子
结合成的甲烷
应该是CH2
而不是CH4
即理论结果呢
与客观事实不符
这就说明
价键理论是不完美的
甚至是错误的
有挑战就有开拓
1931年
美国化学家Pauling
对价键理论
进行了修正
提出了杂化轨道理论
即原子形成分子的过程中
非简并轨道线性组合
形成新的原子轨道
这种新的原子轨道
就是杂化轨道
Pauling认为
与氢原子成键之前
碳原子的一个2s电子
被激发到
能量较高的2pz空轨道中
即C的电子排布变为
1s22s12px12py1和2pz1
然后
能量相近的2s轨道和2p轨道
在成键的时候进行杂化
形成同等数目的
新的杂化轨道
C的2s轨道
和三个2p轨道
杂化的结果是
一
形成4个
完全等价的sp3杂化轨道
二
杂化轨道
比原来的 s 轨道或者p轨道
具有更明确的方向性
第三
碳原子的
四个sp3杂化轨道的空间取向
是指向正四面体的四个顶点
这样每两个杂化轨道
对称轴之间的夹角为
109◦28'
因为
正四面体的排列方式
能使4个杂化轨道
尽可能的远离
成键电子对的互斥最小
分子最稳定
根据杂化轨道理论
甲烷分子是这样形成的
甲烷的碳原子
取sp3杂化
形成四个杂化轨道
四个氢原子的1s球形轨道
与碳原子的
四个sp3杂化轨道
以“头对头”方式重叠成键
4个C-H键
全部是sp3-1s键
我们把原子轨道
以“头对头”方式
重叠而形成的化学键
叫做σ键
甲烷C的sp3
杂化轨道的方向性
决定了甲烷分子的正四面体构型
那么乙烯分子
又是怎么形成的呢
乙烯分子中的碳原子呢
都为sp2杂化
每个C原子的
三个sp2杂化轨道
在同一平面上
彼此成120◦的夹角
还剩一个2p轨道
垂直于sp2轨道所在的平面
乙烯中的 4个C-H键
都是氢原子的球形轨道
与碳原子的sp2杂化轨道“头对头”
重叠而形成的σ键
1个C-C键
由一个碳原子的
sp2杂化轨道
与另一碳原子的
sp2杂化轨道
以“头对头”重叠成键
所以呢也是σ键
还有一个
由两个C的未参与杂化
且垂直于三个杂化轨道
平面的P轨道
以“肩并肩”方式
重叠形成的键
我们把它叫做π键
这样乙烯分子的
两个C原子之间有两个键
一个是σ键
一个π键
乙烯分子中的
所有的原子在同一个平面上
炔烃的结构又是怎样的呢
乙炔碳原子都为sp杂化
与乙烯成键方式类似
sp杂化的两个乙炔碳原子之间
有三个键
一个σ键
和两个互相垂直的π键
乙炔分子中的
所有原子在同一条直线上
价键理论相关的第五个问题
就是共价键的参数
甲烷
乙烯
乙炔等
有机化合物中的化学键
都是通过共用电子对
形成的共价键
但杂化方式各异
键的强度不尽相同
成键原子之间的距离
键之间的夹角
成键原子之间的电子云的分布
也各有千秋
这些信息
必须引进一些键参数
才能准确表达
第一个是键长
键长是
形成共价键的两个原子
吸引力和排斥力
达到平衡的时候的距离
一般为0.1到0.2个纳米
第二是键角
键角是两个共价键之间的夹角
键角反映有机化合物
分子的空间结构
第三个参数是键能
键能是化学键形成时
放出的能量
或者化学键断裂的时候
吸收的能量
键能可用来标志
化学键的强度
一般情况下
相同类型的化学键的
键越长
它的键能就越小
再一个呢就是键的极性
即偶极矩
偶极矩是描述分子中
键的极性和分子极性的参数
用正、负电荷中心的电荷值
与正、负电荷中心的距离的乘积
μ=q·d来表示
偶极矩的方向
是从正电荷指向负电荷
多原子分子的偶极矩
是分子中各个键的
偶极矩的矢量和
价键理论相关的第六个问题
就是共价键的断裂
和有机反应类型
共价键的断裂方式呢
有两种
均裂和异裂
所谓均裂
就是成键电子对
被平均分给两个原子
或者原子团
形成两个自由基
均裂呢
是共价键的对称断裂
用单边箭头
也就是鱼钩箭头
表明一个电子的运动
异裂
是共价键的不对称断裂
成键电子全在一个碎片上
形成正离子和负离子
异裂呢用双边箭头
表明两个电子同时运动
我们把自由基
正离子
负离子
都叫做反应的活性中间体
基于化学键不同的断裂方式
有机反应可以分为三种类型
第一种
自由基反应
就是通过共价键均裂
进行的反应
反应的活性中间体是自由基
一般在光和热的作用下进行
第二类呢是离子型反应
通过共价键异裂
进行的反应
一般在酸碱
或者极性物质的催化下进行
离子型反应
根据反应试剂的类型不同
又可分为
亲电反应和亲核反应
有机上
把正电中心对负电中心的作用
叫做亲电
把负电中心对正电中心的作用
叫做亲核
相应的
把负电中心
叫做亲核试剂
把正电中心
叫做亲电试剂
第三类呢是协同反应
就是旧键的断裂
和新键的生成
是同时发生的
协同反应
只经过过渡态
不产生中间体
本次课中
价键理论
杂化轨道理论
以及共价键
键长
键能
键角
偶极矩的概念
是学习的重点
希望同学们能够理解掌握
本次课到此结束
再见
-绪论
--绪论
-2.1 烷烃、烯烃、炔烃的构造、构型和构象
-2.2 二烯烃的结构
-2.3 脂环烃的结构
-2.4 脂肪烃的命名
-2.5 烃的游离基取代反应
-2.6 烯烃的亲电加成及其马克尼可夫规则
-2.7 炔烃、共轭二烯烃以及环烷烃的亲电加成
-2.8 烯烃的游离基加成及卡宾加成
-2.9 共轭二烯的环加成
-2.10 不饱和烃的加氢反应
-2.11 不饱和烃的氧化反应
-第二章课后习题
-3.1 苯的结构
--3.1 苯的结构
-3.2 共振论
--3.2 共振论
-3.3 芳香族化合物的命名
-3.4 单环芳烃的亲电取代反应
-3.5 傅克反应
--3.5 傅克反应
-3.6 芳烃的其他反应类型
-3.7 取代基对苯环亲电取代反应的定位规律
-3.8 非苯芳烃
--3.8 非苯芳烃
-第三章课后习题
-4.1 对映异构体的基本概念
-4.2 对映异构体构型的表达及命名
-4.3 分子的手性与对称性的关系
-4.4 分子的手性与手性中心的关系
-4.5 不含手性中心的化合物的手性判断
-4.6 立体化学在反应历程研究中的应用
-第四章课后习题
-5.1 卤代烃的命名
-5.2 卤代烃的结构
-5.3 卤代烃的亲核取代反应
-5.4 卤代烃的亲核取代反应历程
-5.5 影响卤代烃亲核取代反应的因素
-5.6 卤代烃的消除反应
-5.7 影响消除反应的因素
-5.8 亲核取代反应和消除反应的竞争
-5.9 卤代烃与金属的反应
-第五章课后习题
-6.1 醇的命名
--6.1 醇的命名
-6.2 醇的物理性质和波谱特征
-6.3 醇的结构与化学反应性
-6.4 醇的化学性质——酸性和亲核取代反应
-6.5 醇的化学性质——脱水反应
-6.6 邻二醇的化学性质
-6.7 酚的化学性质
-6.8醚的化学性质
-6.9 醇酚醚的氧化
-第六章课后习题
