有机化学教案.doc
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1、 有机化学 电子化教案目录第一章 绪论0例:一步反应8例:二步反应8第三章 单烯烃9第四章 炔烃和二烯烃18第五章 脂环烃24第六章 对映异构28第七章 芳烃36第八章 现代物理实验方法的应用(四谱)48第九章 卤代烃 (R-X)58第十章 醇、酚、醚70第十一章 醛酮85第十二章 羧酸105第十三章 羧酸衍生物114第十四章 含氮化合物127第一章 绪论一、有机物和有机化学1.有机物及其分类有机物有机物是有机化学中沿用名字,来源初期物质的分类,有机物来自生命体- 有生机之物。在有机化学发展史上,生命力学说阻碍了有机化学的发展,但随实验技术的发展,有机物可以从无机物制备。例 有机物涵义表达就不
2、精确了。究竟什么是有机物呢?根据有机物的结构特征,分子中都含有碳原子,而且分子中碳都是碳碳相联形成链式或环状这一特征而称有机物。有机物分类有机物分类方法,按组成元素、碳架形状及官能团分类见教材目录介绍一2.有机化学有机化学是专门研究有机化合物的学科,其中主要包括研究有机分子结构和结构与性能之间联系、反应经历的详细过程(历程)和反应规律、有机物合成方法三个方面(略)。二、有机分子结构知识有机分子结构涉及三个时期1.经典结构知识即初期阶段,根据碳原子结构 ,惰性气体稳定性,推得原子是不稳定的。当它通过电子得失或共用形成8电子结构后才趋于稳定。碳原子结构无疑既不能得4个电子形成负离子,也不能失去4个
3、电子形成阳离子,只能通过共用电子对形成共价键,所以得到有机物的电子式。在有机物中碳为4价(不同于化合价)例 甲烷、乙烯 至于碳为什么为4价?这些有机物空间是怎样的?无从得知。2.原子轨道和分子轨道理论原子轨道 1926年20世纪30年代中期,提出原子轨道理论,知道碳原子价电子排布为2S2,2Px1,2Py1,2Pz0,其中S轨道为亚铃形,3个P轨为三维空间伸层。碳原子基态具有二个单电子,不能形成四价,提出激发形成2S1,2Px1,2Py1,2Pz1,满足四价。原子轨道理论提出,对有机化合物分子结构具有突破性发展有机分子为三维空间立体结构。分子轨道理论在原子轨道理论产生的同时,分子轨道理论随之产
4、生,分子轨道理论为成键形成分子轨道后,电子在分子轨道上运动。分子轨道数目等于成键原子轨道数目,其中能量低于原子轨道为成键轨道,反之则反键轨道。电子在分子轨道上排列仍遵循鲍里原理和洪特规则,例:轨道键的形成:沿键轴方向头碰头重叠键的特点:成键电子云呈轴向对称分布;强键;可自由旋转成键电子占据成键轨道,反键轨道为空轨道,之后将电子云分布进行数学处理,则产生计算数学符号+ -表示位相(或以颜色不同表示),提出位相相同重迭形成成键轨道,反之形成反键轨道。例:键 键的形成:原子轨道平行,在同一平面上侧面(肩并肩)重迭键的特点:成键电子云平面上下对称分布;故弱键;不能旋转3杂化轨道理论30年代末,随实验技
5、术的发展,测得分子中原子在空间排布甲烷又发现有二种,其旋光方向不同,在上述事实的基础上Pauling提出杂化轨道理论(1) 三种杂化:原子轨道中S轨道和P轨道可以混杂组成杂化轨道,杂化轨道数目等于参加混杂的原子轨道数目,这碳有三种杂化方式(2) 杂化的结果 碳原子的杂化决定碳原子的价电子轨道在空间的排布,即构型,碳原子的这种构型又决定了成键形成分子的构型解释以上物质的构型, 杂化轨道的成键能力强于2P轨道和2S轨道;杂化结果扩大轨道间夹角,减小非键基团拥挤能力。利于形成强键和稳定分子。 杂化轨道组成不同产生电负性差异SPSP2SP3 不同数目不同杂化的碳原子间相互杂化轨道重迭,形成各种各样分子
6、结构和每一个结构原子在空间的分布. 三.共价键的属性和基团效应1. 键长 成键二核间引力和吸力平衡时距离。影响因素成键原子半径核间电子云密度温度2. 键能键匀裂时吸收的能量 键能键强度,键稳定性因素影响因素键名键极性温度应用:计算反应焓变,即反应热3键角同原子二共价键之间夹角影响因素: C原子杂化方式 非键基团作用4键极性成键原子电负性之差,决定键极性大小归纳基团效应 5. 共价化合物的物理性质特征共价化合物分子内原子间的共价键联接,分子间作用力弱(范德华力引力)包括氢键、静电引力、诱导力、色散力。使有机物有些为气体,有些为低沸点液体和低熔点固体。低密度。在水中难溶,在有机溶剂中溶解度大.6.
7、有机反应(1) 反应(2) 反应特点1.速度慢(分子间反应) 2.产物复杂副反应多(要控制条件) 3. 主要产物-反应键(3)反应键的电性与试剂类型试剂类型反应键电性 四反应能学: 反应能学即为反应进程中能量变化,反应能学在分析反应进程,建立基物与产物之间结构联系,建立反应规律等诸多方面起独特作用。1 一步反应(1)概念一步反应中为基物和试剂位能,为活化络合物位能,二者能差为反应活化能,活化能决定反应的活性即速率。活性的大小决定反应条件控制方法。为产物的位能,与的能差为反应的能差(反应热),其能差大小决定反应进行的程度,所以最理想的反应为低活化能和大的反应能变。(2)最低能量反应途径完成一个反
8、应,可发生多个途径反应,实际反应时选择最低能量途径反应。例:可见最低能量反应途径中活化络合物,即是该反应途径中能量最高位置,但在各种可能途径中则处能量最低、最稳定的活化络合物。2二步反应二步反应是指反应的第一步为慢速步骤,第二步的速度快。所以反应的活性决定第一步即生成活性中间体的速度。最低能量反应途径的判断-反应活化络合和活性中间体间能差小,结构相近(相像),根据哈蒙特假设,活化络物的稳定性活性中间体稳定性之间联系,简单地从活性中间体相对稳定性判断最低能量反应途径。无论一步反应还是二步反应,最低能量途径反应速度快,经最低能量途径转变而成的产物为速度控制产物,其它途径不是不发生,但速度慢,在二步
9、反应中作副反应产物。控制反应条件,可控制主反应和副反应的竞争,使原料尽可能多地转变成产物。3. 反应能量应用由于反应优先选择最低能量途径反应,成为分析反应活性,建立或假设反应历程,导出反应规律,预测产物等方面起关键性的作用。例:一步反应例:二步反应二步反应判断产物可直接从活性中间体开始,但判断产物立体结构比较复杂,可归纳成二个主要方法: 其一:活性中间体比较稳定,因此以自由的中间体形式存在,反应的立体化学连续过程中断。若活性中间体为平面对称(含邻近基),则得外消旋产物;若活性中间体为非平面对称(含手性碳等因素)得部分外消旋产物。 其二:活性中间体不稳定,则以与离去基团呈紧密离子对,则试剂从离去
10、基团背面(反式似SN2)进攻反应中心,得构型转化产物。这种情况在碳正离子重排反应中尤为突出,为反式重排。但在链式化合物中,位取代基均可通过(-)键旋转至反式,在这种情况下才出现基团迁移顺序规律。例:烯烃、羰基的加成立体取向(结构暂未打);2个邻位均有位阻基团如甲基的苯甲酸乙酯的水解;SN2和E2反式进攻,是因为E2:同平面反式消除有利,因为均带负电核的亲核试剂Nu-和离去基团L-之间的斥力最小;反之,共平面顺式斥力大,能量上不利;而非共平面则能量上更不利!(能量最低途径)。另外,SN2中,三原子在同一直线上,斥力最小,能量最低(反应有利)第三章 单烯烃通式CnH2n一、 结构1.双键碳原子的构
11、型-平面三角形CSP2 形成键2.键的形成及特点Pz|Pz 弱键-电子云较暴露(如同三明治)易受E+(亲电试剂)的进攻,发生亲电+加成反应;不能自由旋转-因为Pz|Pz才能成键,所以由此可能产生构型异构之一即顺反异构。如顺-2-丁烯,反-2-丁烯(2个相同基团在双键的同侧为顺式构型,反之为反式构型)二、 异构和命名1.异构种类思考与讨论烯烃构造式产生顺反异构的条件是什么?2.命名 CCS系统命名法 构造名 1长2多3近(小) 注:多官能团母体的选择放在炔烃讲 构型名 2种标记法基团次序规则-判断基团的大小(大的为较优基团)P54-核心为比较基团中的中心原子的原子序数;若相同则用递推法;同位素比
12、质量数;孤对电子最小ClOCDH:例:三、 烯烃的化学性质 构性分析 1.亲电加成(1)与HY型酸加成(HX,H2SO4,H2O) 2步碳正离子中间体例: CH2=CH2 + HBr CH3-CH2Br画出能线图讨论不对称烯烃CH3-CH=CH2 + HBr 的产物可能有几种? 主要产物是那一个?指出碳正离子中间体的种类及稳定性次序(此放之四海而皆真的普遍真理用来解释得出的马氏规则) (正电荷的分散程度)结论根据最低能量反应途径,生成碳正离子的一步为决速步骤,碳正离子越稳定,反应速率越快(反应活性越高),产物为主要产物。观察加成规律,得到马氏规则-马氏规则(“富者愈富” )-H+或E+加到含H
13、较多的双键碳上得到主产物(马氏产物)。注意:不能死记硬背马氏规则。例1:解释下列烯烃与HBr加成相对速率(活性)次序,能写出加成主产物吗?例2写出下列反应主产物: (见上图) (见上图)(2)与X2加成(X2,X2/H2O=HOX) 2步卤钅翁正离子中间体 ;立体化学特点反式加成动画演示环己烯加溴organic chemistry 7讨论1改成Br2/H2O呢? 产物有那些? 主要产物是什么?(一般情况)(REF.)讨论2 (3)与BH3(硼化氢或甲硼烷)加成 一步-四元环过渡态(无中间体) ;立体化学特点顺式加成;指出不对称烯烃经硼氢化-氧化后的产物为伯醇(相当于与水加成,但产物醇的结构或类
14、型不同)例:2.催化加氢特点:顺式加成(直链较支链反应快);氢化热(放热)KJ/ mol 烯烃的稳定性的量度(反式烯烃比顺式烯烃稳定;双键碳上烃基越多为越稳定的烯烃)动画演示Organic chemistry 7小结3.氧化反应4. -H的卤代(光照或高温300度以上) 氢的种类及取代反应活性烯丙式氢 一般式氢(烷氢) 乙烯式氢C-H离解能 KJ/mol(P65) 318 381,397, 410 435碳自由基类型及稳定性 练习 四、 烯烃的制备(布置学生自学)一、 消除反应(RX,ROH)RX: 扎式(扎依采夫)规则-“穷则愈穷”(与加成相反)二、 邻二卤代烃脱X2 (Zn) 合成中用于保
15、护双键三、 炔烃加氢(后讲)五、 归纳和总结1.烯烃的CCS命名法: 构型名 构造名 (1长2多3近或小)基团次序规则 几个基团名称: 乙烯基,丙烯基,烯丙基2.化性: 3.碳正离子4.概念: 稳定的烯烃(原因为超共轭电子离域,下章讲)与氢化热布置作业(第四次,03.10.15) P75: 11,14,15,17,20 六、 典型例题与习题讨论1.命名(CCS法) 几个取代基的名称:乙烯基;丙烯基;烯丙基 2.完成下列反应,写出主要产物3.建议合理的反应机理4.合成题(注意书写格式:连写)第四章 炔烃和二烯烃第一节 炔烃通式 CnH2n-2一、 结构1.叁键碳的构型-直线型 难亲电加成(键能大
16、);易亲核加成及末端炔氢有弱酸性(因为Csp3的电负性最大缘故);与烯烃一样可氧化和还原。2.键的形成 二、异构和命名因为叁键碳线型构型,故仅构造异构双键、叁键共存命名:母体为烯炔;编号仍遵守 3近(小)原则;若起始编号一样,则优先从双键碳一端开始四、 化性构-性分析 (采用与烯烃的比较法进行预测)1.亲电加成 马氏规则 活性低于烯烃2.亲核加成 (与烯烃区别: 与CH3CH2OH、HCN、CH3COOH)3.末端炔氢的酸性 可判断共轭碱碳负离子的碱性应用 有机合成增长碳链的方法之一炔氢的检验( Ag(NH3)2+ ; Cu(NH3)2+)4.氧化反应5.还原反应及应用 催化加氢 电子转移试剂
17、 Na /NH3 (l)四.炔烃的制备1. 炔钠取代法 2. 邻二卤代烃消去反应不可能生成CH2=C=CH2 , 引入二烯烃第二节 二烯烃一、 分类和命名 累积;孤立;共轭二、 1,3-丁二烯结构三、 共轭二烯的化学特性1. 1,4-加成思考2. 双烯合成(Diels-Alder)特点 1. 协同反应一步反应,速率不受试剂、溶剂极性和催化剂影响。不产生碳正离子。结果相当于1,4-加成。2. 亲双烯体可以为烯烃或炔烃。3. 共轭二烯双键碳上连有供电子基团(如:-R , -OR)或亲双烯体不饱和碳上连有吸电子基团(如:-CO- ,-COOR, -CN , -NO2),反应较易进行。4. 反应中,亲
18、双烯体的构型不变。应用 -合成六元环 引入第三节 共轭效应书上定义:共轭体系中原子间的相互影响造成分子更稳定,键长平均化,并引起物质性质的一系列改变,称为共轭效应。产生共轭效应的前提:共轭体系中个 键处于同一平面。才能保证P轨道相互平行,才能进行有效的重叠。1,3-丁二烯所具有的特性在其它共轭体系中也存在。一、 共轭体系类型思考为什么乙烯式C+最不稳定?二、 共轭效应分类(根据电子转移的方向)三、 电子效应定义:基团之间的相互影响决定电子云的分布内容:诱导效应(特点:沿键传递,改变电子云分布,与距离有关)共轭效应(特点:沿共轭体系传递,改变电子云分布,与距离无关) 注意:I与C可同时共存。如氯
19、乙烯中,-I+C (-X是弱的吸电子基团);甲氧基乙烯中,+C-I(RO-是强的供电子基团);比较加成活性、HX加成主产物。 应用:解释1.烯烃的稳定性(超共轭效应)2.双键的加成活性 3.中间体碳正离子、碳自由基的稳定性习题讨论课之二一、 写出主要产物二、 建议反应机理三、 合成(讲原则-经济合理和方法倒推法、切割法)1.由乙炔合成 cis-2-己炔2.布置作业 03.10.22第五次 P97: 2, 8, 9, 13, 14 ,19第五章 脂环烃一、分类二、命名 构型名-构造名(一般环做母体,若环上取代基较复杂,则环做取代基;关键在于编号不同即3近或3小)1.单环 母体名称:环某烷(烯、酮
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