《有机化学概要》课件

有机化学概要化学学科重要分支碳基化合物的科学50亿种已知有机化合物生命、医药、材料的基础课程内容概述有机化学基本概念碳化合物的结构与性质主要有机化合物类别烷烃、烯烃、芳香族等分类重要有机反应机理取代、加成、消除反应过程现代有机合成方法高效合成路线设计有机化学应用医药、材料等领域实例有机化学的历史发展1年1828维勒合成尿素2年1858凯库勒提出苯环结构3世纪20量子化学理论发展4现代诺奖中有机化学占比56%碳原子的特殊性电子构型四价键能力1s²2s²2p²结构形成四个共价键杂化轨道碳碳键特性sp³,sp²,sp多样键合形成长链和环状结构有机分子的表示方法分子式结构式球棍模型C₂H₆O简单表达显示原子间连接方式立体空间排布可视化有机化合物的命名确定主链选择最长的碳链或环确定官能团确定优先官能团类型编号位置使官能团获得最小位号命名取代基按字母顺序列出取代基有机分子中的键合键键键特性关系σπ轴向重叠侧向重叠键长单键＞双键＞三键单键组成组成双键、三键键能单键＜双键＜三键自由旋转限制旋转反应活性单键＜双键＜三键有机分子的立体化学构象异构体构型异构体通过单键旋转互相转化需断键才能互相转化构型手性R/S手性中心优先级判定系统分子与镜像不重合有机反应类型取代反应加成反应消除反应X被Y取代双键加成形成单键形成双键失去小分子R-X+Y→R-Y+X C=C+X-Y→X-C-C-Y X-C-C-Y→C=C+X-Y重排反应氧化还原原子或基团分子内迁移电子得失反应反应机理基础电子流动箭头表示电子对迁移方向反应物类型亲电试剂与亲核试剂反应中间体自由基、碳正离子、碳负离子基元反应步骤连续简单步骤组成烷烃的结构与性质杂化键物理性质sp³C-C四面体构型键长

1.54Å非极性、难溶于水沸点随分子量增加而升高烷烃的重要反应光引发链引发X₂→2X·X·+R-H→R·+H-X链终止链增长自由基结合消除R·+X₂→R-X+X·环烷烃环烷烃C-C-C角度环张力构象环丙烷60°大平面环己烷

109.5°微小椅式、船式环庚烷

109.5°中等多种扭曲构象烯烃的结构与性质杂化sp²平面三角形构型键特性π电子云位于分子平面上下几何异构E/Z构型因π键阻碍旋转高反应活性π键易受亲电试剂进攻烯烃的加成反应12亲电加成马氏规则π键作为亲核试剂H+加成到碳多氢的碳上34立体化学活性顺序反式加成为主HIHBrHClHF共轭烯烃炔烃的结构与反应杂化sp线性分子结构酸性末端炔氢pKa约25加成反应可发生一次或两次加成金属催化形成炔金属化合物芳香族化合物Hückel4n+2π电子芳香性规则分子平面环状结构π电子离域稳定性显著增强芳香族化合物的反应亲电芳香取代定位效应苯环活性最典型芳香烃反应取代基影响新基团位置取代基影响反应活性•卤化•邻对位定位基•给电子基团增强活性•硝化•间位定位基•吸电子基团降低活性•磺化•烷基化有机卤化物卤素特性键极性物理性质C-X电负性:FCl碳带部分正电沸点R-FR-BrI ClR-BrR-I环境影响氯氟烃破坏臭氧层亲核取代反应参数SN1SN2速率控制第一步单步反应立体化学外消旋反转底物优先三级二级一级二级溶剂影响极性质子溶剂极性非质子溶剂消除反应机理机理法则E1E2Zaitsev两步过程单步协同形成取代基多的碳双键形成碳正离子反式消除生成更稳定烯烃一级＜二级＜三级强碱促进β-H与X反式形成更稳定烯烃立体选择性高醇类化合物分类•一级醇（RCH₂OH）•二级醇（R₂CHOH）•三级醇（R₃COH）物理性质•氢键形成•高沸点•水溶性强反应性•氧化反应•脱水反应•酯化反应酸碱性•弱酸（pKa≈16-18）•碱性（氧原子）醇的氧化与脱水一级醇氧化生成醛或羧酸二级醇氧化生成酮三级醇不易被氧化脱水反应酸催化，三级二级一级醚类化合物物理性质结构低极性R-O-R构型良好溶剂C-O-C键角约110°沸点低于醇反应性合成方法化学稳定威廉森醚合成强酸裂解醇脱水反应易氧化形成过氧化物环氧化合物环氧结构三元环高张力制备方法烯烃环氧化开环反应亲核试剂进攻立体化学反式开环醛类与酮类醛酮R-CHO结构R-CO-R结构α-H存在不易被进一步氧化能进一步氧化通常沸点高于醛通常有特殊气味稳定性强于醛共同特点:碳氧双键极性，亲核加成反应活性醛酮的重要反应亲核加成水合、加成醇、胺加成位反应α烯醇化、α-卤代氧化还原醛醇、醛酸→→缩合反应醛醇缩合、Claisen缩合羧酸及其衍生物酯类化合物结构特征R-COO-R构型酯化反应酸与醇反应生成水解反应酸催化或碱催化自然存在果香、动植物脂肪酰胺与腈酰胺腈结构:R-CO-NH₂结构:R-C≡N合成:酰氯与氨反应合成:氰化物取代水解:生成羧酸和胺水解:生成羧酸氢键:形成分子间氢键还原:生成胺酰胺键是蛋白质主链结构单元胺类化合物分类碱性•一级胺RNH₂•芳香胺弱于脂肪胺•二级胺R₂NH•R₃NRNH₂R₂NH•三级胺R₃N•与水反应生成氢氧化铵合成•氨基化反应•还原反应•Hofmann降解胺的重要反应烷基化形成高级胺酰基化形成酰胺亚硝酸反应一级胺形成重氮盐氧化反应三级胺形成胺氧化物磺酸与磺酰氯芳香磺化磺酸性质发烟硫酸作用于芳香烃强酸，水溶性好磺胺药物磺酰氯3首批抗菌药物用PCl₅处理磺酸制备苯酚类化合物结构特点酸性增强氢键作用苯环与羟基直接相连共振稳定苯氧负离子提高水溶性糖类化学单糖1最简单糖类单元双糖2两个单糖通过糖苷键连接多糖多个单糖单元聚合差向异构体和构型αβ变旋现象环状结构开环闭环平衡碳水化合物反应醛糖还原成醇酮糖不易被氧化糖苷键形成多糖氨基酸与蛋白质基本结构肽键α-碳连接氨基和羧基羧基与氨基缩合形成蛋白质结构等电点一级至四级结构层次正负电荷平衡的pH值脂质化学类固醇四环结构基本骨架磷脂2细胞膜双分子层主要成分甘油三酯3三分子脂肪酸酯化甘油脂质是细胞膜的基本组成部分，也是能量储存的重要形式甘油三酯是人体主要能量储备，而磷脂的两亲性特征使其成为生物膜的理想构建单元类固醇如胆固醇调节膜的流动性，并作为多种激素的前体核酸化学4核苷酸种类A、G、C、T/U2结构DNA双螺旋互补配对3类型RNAmRNA、tRNA、rRNA4碱基配对A-TU、G-C杂环化合物五元杂环六元杂环稠合杂环吡咯、呋喃、噻吩吡啶、嘧啶、吡嗪吲哚、喹啉、嘌呤有机合成策略目标分子分析确定合成目标逆合成分析从目标倒推至简单原料官能团转化选择适当转化方法前向合成实验验证合成路线有机反应中的催化酸碱催化过渡金属催化质子转移促进反应配位活化底物不对称催化相转移催化控制立体选择性促进不同相间反应4高分子化学基础加聚反应缩聚反应高分子特性单体中双键开放两种官能团反应聚合度无小分子释放伴随小分子释放分子量分布典型例子聚乙烯例子聚酯、聚酰胺链构型有机光化学光吸收分子吸收特定波长光子激发态形成电子跃迁至高能轨道激发态反应异构化、环化、裂解能量转移激发能转移至其他分子有机波谱分析分析方法测量原理获取信息核磁共振NMR核自旋共振原子连接关系红外光谱IR分子振动官能团类型紫外-可见光谱电子跃迁共轭系统质谱MS分子碎片化分子量和结构有机化学在医药中的应用构效关系研究指导新药设计合成路线优化降低生产成本立体选择性合成确保药效有机化学在材料科学中的应用有机半导体液晶材料有机发光二极管柔性电子器件显示技术基础高效低能耗显示生物降解高分子环保包装材料绿色有机化学绿色化学原则预防废物、原子经济性原子经济性反应原子利用最大化生物催化酶催化反应高选择性可再生资源生物质转化利用有机化学发展前沿生物正交化学键活化人工智能应用C-H活体内选择性反应直接官能团化非活性键预测反应路径和结果。