高中化学课件-有机化学

有机化学有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学分支，是化学学科中重要的组成部分之一它是生命科学的基础，在医药、农业、材料等领域有着广泛的应用有机化学的定义碳元素生命的基础有机化学主要研究以碳元素为骨架的化合物，以及它们之间的相互有机化合物构成了地球上所有生命体的基础从简单的糖类到复杂作用和转化关系碳原子具有独特的性质，能够形成四根共价键，的蛋白质和核酸，有机分子参与了生命活动的所有过程，并赋予生并以各种方式连接在一起，构建出结构复杂的有机分子命以独特的特性有机化学的研究对象碳氢化合物这是有机化学研究中最重要的基础类物质，包括烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等它们是许多重要化合物的基本组成部分，如石油、天然气、塑料、橡胶等含氧有机化合物这一类物质包括醇、醛、酮、羧酸、酯等它们在生命活动中起着重要的作用，如糖类、脂肪、蛋白质等都是含氧有机化合物它们也是许多工业产品的重要原料含氮有机化合物这一类物质包括胺、酰胺、氨基酸等它们在生命活动中起着重要的作用，如蛋白质、核酸等都是含氮有机化合物它们也是许多药物和农药的重要组成部分其他有机化合物除了上述几类主要有机化合物外，还有卤代烃、醚、环状化合物等它们在不同的领域都有重要的应用有机化学的特点以碳元素为骨架，并结碳原子之间可以形成单有机化合物分子结构复合氢、氧、氮、卤素等键、双键、三键，以及杂，同分异构体种类繁元素组成各种各样的化环状结构，从而构成多多，导致性质差异较合物种多样的碳链和环状结大构有机反应类型多，反应过程复杂，易受外界条件影响有机化学的发展历程古代1人类很早就开始利用有机物，例如酿酒、造纸、制药等，但对有机物的组成和性质缺乏科学认识世纪182化学家开始研究有机物的组成，并发现了许多有机化合物世纪193有机化学研究进入快速发展阶段，人们对有机物的结构和性质有了更深入的了解世纪204有机化学进入现代阶段，出现了许多新的理论和技术，例如有机合成化学、有机光谱学等世纪215有机化学研究继续发展，新的领域不断涌现，例如药物化学、材料化学等有机化学的理论基础原子结构化学键有机化学的核心是理解原子和分子的结构原子由质子、中子和原子通过化学键相互结合形成分子化学键是原子之间相互作用电子组成原子核包含质子和中子，而电子在核外绕核运动电的结果，主要是通过电子的共享或转移来实现的有机化合物中子占据不同的能级，形成电子层和亚层电子层和亚层的排布决常见的化学键类型包括共价键、离子键和金属键定了元素的化学性质原子结构与成键原子核电子云12原子核位于原子的中心，包含电子云围绕原子核运动，构成质子和中子，决定了原子的质原子的大部分空间，决定了原量和元素种类子的化学性质化学键3原子通过化学键形成分子，化学键的形成是原子间电子相互作用的结果，主要有共价键、离子键、金属键等共价键共享电子对双键和三键极性共价键共价键是原子之间通过共享电子对而形成的除了单键，共价键还可以形成双键和三键当两个原子形成共价键时，如果它们的电负一种化学键每个原子贡献一个电子，形成双键是由两个原子共享两个电子对形成的，性不同，电子对会偏向电负性更强的原子一个电子对，被两个原子共享例如，甲烷而三键是由两个原子共享三个电子对形成这种共价键被称为极性共价键例如，水分分子中的碳原子与四个氢原子通过的例如，氧气分子中的两个氧原子子中的氧原子电负性比氢原子强，CH4O2H2O共价键连接，每个碳氢键由一个电子对共之间形成双键，氮气分子N2中的两个氮电子对偏向氧原子，使水分子具有极性享原子之间形成三键极性键极性键是由于共用电子电负性较大的原子吸引例如，水分子中的氧原对偏移而形成的化学电子对的能力更强，电子电负性大于氢原子，键偏移方向取决于原子对会向其偏移因电子对会向氧原子偏子电负性的差异此，该原子带部分负电移，形成极性键，使水荷，而另一个原子带部分子带有一个极性分正电荷氢键定义特点氢键是分子间的一种特殊的相互作用力，它存在于极性分子之•方向性氢键具有方向性，通常指向电负性较大的原子间，其中一个分子中的氢原子与另一个分子中电负性较大的原子•较强氢键的强度比范德华力强，但比共价键弱（如氧、氮、氟）之间形成的键氢键的强度比范德华力强，但•重要性氢键在很多化学和生物过程中起着重要的作用，例如比共价键弱水的性质、蛋白质的结构、的双螺旋结构等DNA分子间作用力范德华力氢键范德华力是一种弱的分子间吸引氢键是一种特殊的分子间作用力，力，存在于所有分子之间它是由存在于含有氢原子与高电负性原子瞬时偶极矩产生的，即分子中的电（如氧、氮或氟）相连的分子之子分布不均匀，导致短暂的正负极间氢原子与高电负性原子形成的性范德华力的大小与分子的大小共价键极性很大，氢原子带部分正和极性有关分子越大，极性越电荷，而高电负性原子带部分负电强，范德华力越强荷氢原子与另一个分子中的高电负性原子之间形成的静电吸引力即为氢键偶极偶极力-偶极偶极力存在于具有永久偶极矩的极性分子之间由于分子中的正负电荷中-心不重合，导致分子具有永久的正负极性偶极偶极力是范德华力的一个特-例，它比范德华力更强官能团定义重要性官能团是指决定有机化合物化学官能团在有机化学中起着至关重性质的原子或原子团它们是连要的作用，它们决定了有机化合接在碳氢骨架上的特殊原子或原物的化学反应性，并影响了其物子团，它们赋予了有机化合物独理性质，例如熔点、沸点和溶解特的反应性和性质性分类官能团可分为不同的类型，包括卤代烃、醇、醛、酮、羧酸、胺、醚等，每种类型的官能团都有其独特的反应特征烷烃甲烷乙烷丙烷最简单的烷烃，分子式为，结构为正分子式为，结构为两个碳原子之间通分子式为，结构为三个碳原子之间通CH4C2H6C3H8四面体，碳原子位于中心，四个氢原子位于过单键连接，每个碳原子连接三个氢原子过单键连接，每个碳原子连接相应的氢原四个顶点子脂肪烃的性质可燃性脂肪烃不溶于水，但能脂肪烃的化学性质相对溶于一些有机溶剂，如稳定，不易发生反应，脂肪烃都是可燃的，燃乙醚、苯等但可以发生一些重要的烧时产生二氧化碳和反应，例如取代反应、水，并释放热量例加成反应等如，甲烷、乙烷等取代反应定义1有机化合物分子中一个原子或原子团被另一个原子或原子团所取代的反应类型2自由基取代、亲电取代、亲核取代条件3反应物、反应条件、催化剂等产物4取代产物、副产物取代反应是重要的有机化学反应，在合成、改性、降解等方面具有重要意义例如，烷烃的卤代反应、醇的酯化反应、苯环上的硝化反应等都是取代反应芳香烃定义结构特点芳香烃是指含有苯环结构的烃类化合物，它们通常具有特殊的香芳香烃的结构特点是具有六元环状结构，每个碳原子都与一个氢气，因此得名原子和两个相邻的碳原子形成共价键，并通过电子云在环上离π域，形成稳定的共轭体系芳香化合物的性质稳定性1芳香化合物具有较高的稳定性，这是由于电子云的离域作用π难氧化2芳香化合物不易被氧化，因为它们的电子云比较稳定π难加成3芳香化合物不易发生加成反应，因为加成反应会破坏它们的芳香性易取代4芳香化合物易发生取代反应，因为取代反应不破坏它们的芳香性亲电取代反应定义亲电取代反应是指一个亲电试剂取代芳香环上的一个原子或基团的过程它是芳香烃最重要的化学反应之一，也是有机化学中非常重要的反应类型机理亲电取代反应的机理通常包括以下几个步骤

①亲电试剂进攻芳香环，形成一个不稳定的中间体；

②中间体失去一个质子，恢复芳香性，生成取代产物特点亲电取代反应的特点包括

①反应条件温和；

②反应产率较高；

③产物相对稳定应用亲电取代反应在有机化学中有着广泛的应用，例如合成医药、农药、染料等重要化合物醇定义醇是烃分子中碳原子上的一个或多个氢原子被羟基-OH取代的衍生物分类醇可以根据羟基的数目分类为一元醇、二元醇、多元醇等还可以根据羟基连接的碳原子的类型分类为伯醇、仲醇、叔醇命名醇的命名通常是在烃的名称后加“醇”字，如甲醇、乙醇、丙醇等如果羟基连接的碳原子不是最长的碳链的末端，则需要在“醇”字前加上羟基连接的碳原子的位置编号，如2-丙醇、3-丁醇等性质醇的性质主要取决于羟基的存在羟基是极性基团，使醇具有较高的沸点和溶解性醇还能发生氧化、脱水等反应酚结构性质应用酚类化合物是指苯环上酚类化合物具有较强的酚类化合物在工业和生直接连有羟基-OH的酸性，比醇更易与碱反活中有着广泛的应用化合物最简单的酚是应生成盐此外，酚类苯酚是重要的工业原苯酚，具有特殊的香化合物还具有还原性，料，用于制造树脂、杀味，常温下为无色针状可以被氧化成醌类化合菌剂、医药等一些酚晶体，易溶于水其羟物由于羟基的活化作类化合物如丁香酚，具基与苯环上的电子云相用，酚环上的氢原子易有特殊的香味，可用于互作用，使其具有特殊被取代，因此，酚类化香料和食品添加剂此性质合物可进行卤代、硝外，还有一些酚类化合化、磺化等取代反应物如水杨酸，具有消炎镇痛的作用，可用于医药和化妆品醚定义醚是由两个烃基通过氧原子连接而成的化合物，通式为R-O-R性质醚通常是无色、易挥发、具有芳香气味的液体，难溶于水，但溶于大多数有机溶剂命名醚的命名方法通常是将两个烃基名称依次写出，并在中间加上“醚”字，例如，甲醚、乙醚、二乙醚等用途醚在工业上主要用作溶剂，例如，乙醚常用作萃取剂、有机合成中的反应介质等醛甲醛乙醛苯甲醛甲醛是最简单的醛类化合物，是一种无色、乙醛是另一种常见的醛类化合物，也是一种苯甲醛是一种芳香醛，具有杏仁的气味，广有刺激性气味的气体，可溶于水它广泛用无色液体，具有特殊的香气它主要用于制泛用于香料和香精的生产于制造各种产品，包括木材胶合板、人造树造醋酸和合成橡胶脂和消毒剂酮定义命名性质酮是含有羰基（C=O）官能团的化合物，酮的命名通常以“酮”结尾，并在羰基连接酮通常是无色液体，具有香味，易溶于水其中羰基连接在两个烃基上通式为R-的碳链上加上编号，以示羰基的位置例和有机溶剂它们可以发生多种化学反CO-R，其中R和R可以是相同的或不如，丙酮（CH3-CO-CH3）也称为2-丙应，例如加成反应、氧化反应和还原反同的烃基酮应羧酸定义命名12羧酸是有机化合物中含有羧基羧酸的命名通常是在相应的烷的一类化合物羧烃名称后面加上酸字，例-COOH“”基是由一个羰基-C=O和一如甲酸、乙酸、丙酸等如果个羟基-OH组成，它们连接羧基连接在环状烃上，则以环在同一个碳原子上状烃的名称为基础，加上“羧酸字，例如苯甲酸、环己烷”羧酸等性质3羧酸具有酸性，可以与碱反应生成盐羧酸也可以与醇反应生成酯羧酸的酸性强弱与羧基的结构有关，例如，卤代羧酸的酸性比相应的羧酸更强酯定义性质用途酯是由羧酸和醇脱水反应生成的化合物，酯一般为无色、有香味的液体，难溶于酯是重要的有机合成中间体，广泛应用于其通式为RCOOR水，但易溶于有机溶剂酯的沸点比相应香料、香精、塑料、医药、涂料等领域的羧酸低，这是因为酯分子间没有氢键酰胺酰胺是含有酰胺基-酰胺的结构中，氮原子酰胺一般为无色固体，CONH2的有机化合与羰基碳原子相连，形熔点较高，且不易溶于物，是羧酸与胺反应脱成酰胺基水，但可溶于一些有机水生成的产物溶剂胺结构分类胺是由一个或多个烃基取代了氨胺可以根据烃基的种类分为脂肪分子中的氢原子而形成的化合胺和芳香胺；根据烃基连接到氮物，通式为RNH2，R2NH，原子的数量分为伯胺、仲胺和叔R3N胺性质胺具有碱性，其碱性强弱取决于烃基的电子供给能力，脂肪胺的碱性强于芳香胺低级胺具有氨的气味，高级胺具有鱼腥味有机化合物的命名系统命名法俗名官能团命名法系统命名法是国际上通用的有机化合物命名方一些常见的有机化合物，如甲烷、乙醇、苯等，一些有机化合物中含有特定的原子团或基团，法，它以化合物结构为基础，遵循一定的规则在历史上已经有了固定的俗名，这些俗名也经这些原子团或基团具有特定的化学性质，被称进行命名例如，正丁烷的命名方式为选择常被使用俗名通常比系统名称更简洁，但也为官能团官能团命名法是根据官能团的名称最长的碳链作为主链，并根据碳原子数确定主可能存在一些歧义，因此在科学研究和文献中，和位置来命名化合物例如，甲醛的官能团是链的名称；对主链上的取代基进行编号，并根一般使用系统名称醛基，其系统名称为甲醛，俗名为蚁醛据取代基的位置和种类确定取代基的名称；将取代基的名称和主链的名称组合在一起，即为该化合物的系统名称有机合成反应合成路线1设计合理的反应步骤和试剂，以将原料转化为目标产物反应机理2研究反应过程中的电子转移、原子重排等机制，解释反应的发生原因和产物结构反应条件3控制温度、压力、溶剂等条件，以优化反应速度、产率和选择性有机合成反应是利用已知的有机化合物或无机化合物，通过化学反应，制备新的有机化合物的过程它在医药、农业、化工等领域有着广泛的应用亲核取代反应反应SN11两步反应反应SN22一步反应反应机理3亲核试剂进攻影响因素4底物结构、溶剂、反应物浓度亲核取代反应是重要的有机化学反应类型之一，在有机合成中广泛应用它通常涉及亲核试剂对卤代烃、醇或醚等底物的进攻，取代其中一个原子或基团，生成新的化合物亲核加成反应定义亲核试剂进攻带正电的碳原子，形成新的碳杂原子键，同时键断裂，形成新的单键，这种反应称为亲核加1-π成反应特点2反应物中必须含有键π反应类型3醛、酮、羧酸等的加成反应亲核加成反应是重要的有机化学反应，在许多重要的有机合成中都有应用，例如醛、酮的加成反应可以合成新的醇类化合物消除反应定义消除反应是有机化学中的一种重要反应类型，指从有机化合物分子中脱去两个原子或原子团，生成新的π键或环状结构的过程消除反应通常在碱性条件下进行，因为碱可以夺取质子，促进反应的进行类型•E1反应单分子消除反应，反应机理为两步进行•E2反应双分子消除反应，反应机理为一步进行影响因素消除反应的发生受到多种因素的影响，包括反应物的结构、反应条件、碱的种类和浓度等应用消除反应在有机合成中具有广泛的应用，例如制备烯烃、炔烃、环状化合物等重排反应定义1重排反应是指有机分子中原子或原子团在分子内发生迁移，导致分子结构发生改变的反应它通常涉及到碳正离子或自由基中间体的形成，这些中间体可以发生重排，形成新的分子结构类型2•1,2-迁移•环状重排•σ键重排应用3重排反应在有机合成中具有广泛的应用，可用于合成复杂的有机分子，并提供新的合成途径有机化合物的结构鉴定紫外光谱红外光谱紫外光谱可以用于确定有机化合红外光谱可以用于识别有机化合物的结构，例如确定分子的共轭物中存在的官能团，例如碳-氢体系和环状体系键、碳-氧键和碳-氮键核磁共振波谱核磁共振波谱可以用于确定有机化合物中不同类型原子的数量和连接方式，例如确定分子的氢原子、碳原子和氮原子的数量和位置紫外光谱原理应用优势紫外光谱法基于有机化合物对紫外可见光的选紫外光谱法在有机化学中有着广泛的应用，例紫外光谱法具有以下优势择性吸收，通过分析吸收光谱图来确定物质的如•灵敏度高紫外光谱法对有机化合物具有结构和性质紫外光谱仪发出紫外光，照射样•确定有机化合物的结构通过分析紫外光很高的灵敏度品后，通过检测透射光或反射光的强度变化，谱图，可以确定有机化合物中含有哪些官•操作简单紫外光谱仪操作简单，易于使即可得到紫外光谱图能团，以及它们的结构特征用•定量分析紫外光谱法可以用于定量分析•应用广泛紫外光谱法可以用于各种有机有机化合物，例如测定其浓度化合物的分析•反应监测紫外光谱法可以用来监测反应进程，例如跟踪反应产物的生成情况红外光谱原理应用12红外光谱法是利用物质对不同红外光谱广泛应用于有机化学波长的红外光吸收特征来进行研究、材料科学、环境监测等分析的技术不同化学键具有领域例如，可以用来鉴定未不同的振动频率，在特定的红知物质、分析物质的官能团、外光照射下会发生吸收，从而监测化学反应过程等产生独特的红外光谱图优势3红外光谱法具有操作简便、分析速度快、灵敏度高等优点，使其成为化学研究中常用的分析方法之一核磁共振波谱原理应用核磁共振波谱（）是一种利用原子核的磁性来分析有机化合广泛用于确定有机化合物的结构和性质它可以提供有关以NMR NMR物结构的强大技术当有机分子置于强磁场中，特定原子核（如下方面的信息或）会吸收特定频率的电磁辐射并发生核磁共振这导致信¹H¹³C•官能团的存在和类型号在波谱图上出现，该波谱图显示了不同类型原子核的化学环•原子之间的连接方式境•立体异构体的存在•分子中的氢原子数有机化合物的化学性质反应类型官能团影响可燃性有机化合物参与的化学反有机化合物的化学性质主许多有机化合物具有可燃应类型繁多，包括加成反要由其官能团决定，不同性，燃烧时会产生大量的应、取代反应、消除反应、的官能团具有不同的反应热能，例如甲烷、乙醇等氧化反应、还原反应、酯活性，导致化合物表现出化反应等不同的化学性质溶解性有机化合物的溶解性与极性有关，极性有机化合物易溶于极性溶剂，非极性有机化合物易溶于非极性溶剂有机化合物的应用塑料合成纤维药物香料塑料是由聚合物组成的，聚合合成纤维是由聚合物制成的纤许多药物是由有机化合物制成有机化合物也用于生产香料和物是由许多重复的单体单元连维，例如尼龙和涤纶合成纤的，例如抗生素、止痛药和抗香精例如，香草醛是一种天接而成的长链分子塑料广泛维具有耐用、防皱、防水和防抑郁药有机化学在药物开发然香料，用于制造香草香精，应用于包装、建筑、电子设备污等优点，广泛应用于服装、和合成中起着至关重要的作丁香酚是一种用于制造丁香香和医疗用品等领域例如，聚地毯和家具等领域用，帮助我们治疗疾病和改善精的化合物乙烯（PE）用于制造塑料袋和健康水瓶，聚氯乙烯（）用于PVC制造管道和窗框生物大分子蛋白质蛋白质是生物体内最重要的有机化合物之一，由氨基酸通过肽键连接而成，具有多种结构和功能蛋白质参与了生物体内的几乎所有生命活动，包括酶催化、信号传递、免疫防御、物质运输等等例如，胰岛素可以调节血糖水平，抗体可以抵抗病原体核酸核酸是遗传信息的载体，包括DNA和RNA两种类型DNA负责储存遗传信息，而RNA则负责将遗传信息传递到蛋白质合成场所核酸对生物体的遗传和发育至关重要例如，DNA的序列决定了生物体的性状，RNA参与了蛋白质的合成糖类糖类是生物体内主要的能量来源，也是构成生物体的重要物质糖类可以分为单糖、二糖和多糖单糖是糖类最基本的单位，如葡萄糖和果糖二糖由两个单糖分子连接而成，如蔗糖和麦芽糖多糖由多个单糖分子连接而成，如淀粉和纤维素脂质脂质是一类不溶于水的有机化合物，包括脂肪、磷脂、类固醇等脂肪是生物体主要的能量储存物质，磷脂是细胞膜的重要组成部分，类固醇具有多种生理功能，如胆固醇可以参与细胞膜的构成，性激素可以调节生殖功能蛋白质定义结构蛋白质是由氨基酸通过肽键连接蛋白质的结构层次分为四级结而成的生物大分子，是生命活动构一级结构是指氨基酸的排列的重要物质基础蛋白质种类繁顺序，二级结构是指肽链的空间多，结构复杂，具有多种生物学结构，三级结构是指整个蛋白质功能分子的空间结构，四级结构是指多个蛋白质亚基的组合功能蛋白质的功能多种多样，包括催化酶促反应、运输物质、免疫防御、结构支撑、调节生理功能等例如，酶是生物催化剂，抗体是免疫系统的重要组成部分，肌肉蛋白提供结构支撑核酸结构与功能组成核酸是生物体内重要的生物大分子，包括脱氧核糖核酸和核酸由核苷酸单体组成，每个核苷酸由三个部分组成磷酸基DNA-核糖核酸它们是遗传信息的载体，在生物体内起着重要团核酸的基本组成部分，连接着核苷的五碳糖五碳糖RNA-的作用DNA中的五碳糖是脱氧核糖，而RNA中的五碳糖是核糖-碱基核酸中主要的遗传信息存储和传递部分，分为嘌呤碱和嘧啶主要存在于细胞核中，其结构呈双螺旋状，由两条反向平行DNA碱的脱氧核苷酸链构成存储着遗传信息，并通过复制传递给DNA下一代DNA中的碱基包括腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶中的碱基包括腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶T RNAA G主要存在于细胞质中，其结构比单链，由核苷酸链构RNA DNA和尿嘧啶C U成负责将中的遗传信息传递到蛋白质合成的场所，RNA DNA并参与蛋白质的合成过程糖类单糖二糖多糖单糖是最简单的糖类，是其他复杂糖类的基二糖是由两个单糖分子通过脱水反应连接而多糖是由多个单糖分子通过糖苷键连接而成本组成单元常见的单糖包括葡萄糖、果糖成的常见的二糖包括蔗糖、乳糖和麦芽的常见的多糖包括淀粉、纤维素和糖原和半乳糖糖脂质类型能量储存细胞结构脂质种类繁多，包括脂脂肪是生物体内重要的磷脂是构成细胞膜的主肪、磷脂、固醇等，它能量储存形式，当机体要成分，它形成磷脂双们在生物体内发挥着重需要能量时，脂肪会被分子层，将细胞内部与要的作用分解成脂肪酸，供能外部隔开调节作用固醇类物质，如胆固醇，是体内激素和维生素的重要组成部分，参与调节机体生理功能有机化学在日常生活中的应用食品1有机化学在食品工业中应用广泛，例如糖类、脂肪、蛋白质、维生素等都是有机化合物我们每天吃的食物中包含着各种有机化合物，它们为我们提供能量，维持生命活动医药2有机化学是医药工业的基础，许多药物都是由有机化合物合成而来例如，抗生素、抗病毒药物、止痛药等，都属于有机化合物纺织3有机化学在纺织工业中应用广泛，例如，合成纤维、染料、助剂等都是有机化合物我们穿的衣服、用的布料，都离不开有机化学材料4有机化学在材料科学领域也发挥着重要作用，例如，塑料、橡胶、合成树脂等都是有机化合物我们日常生活中使用的各种塑料制品、橡胶制品，都离不开有机化学总结有机化学的魅力学习有机化学的意义未来展望有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学习有机化学可以帮助我们更好地理解周围有机化学是一个充满活力和挑战的领域，未学分支，它与我们的生活息息相关，从我们的世界，并为我们解决实际问题提供理论基来将会出现更多新理论、新技术和新应用，穿的衣服到我们吃的食物，无不与有机化学础和方法让我们一起期待有机化学的更美好未来有关。