第一章有机化合物分子的结构基础第一章重点讲解问题
? 1,有机化学的定义
? 2,杂化轨道理论与有机化合物结构特点
? 3,有机化合物的基本骨架和官能团
? 4,有机化合物的结构与性质的关系
? (1) 共价键
? (2) 非共价作用
? (3) 立体结构
1,有机化学的定义
? Organic
? —— derived from living organism
? Vital force theory
? —— Organic compounds needs a,vital
force” to create them
? 1828,Friedrich Wohler
NH4
+ -
OCN
NH
2
O
NH
2
Heat
1,有机化学的定义
? 1845年，柯尔柏合成了醋酸（ CH
3
COOH）
? 之后，不断有有机物被人工合成，如石蜡烃、醇、脂肪酸、甘油、苹果酸、甲醛糖、
毒芹碱和尿酸等
? 特别是在 1854年，贝特罗合成了脂肪
? 这一发现引起巨大轰动，因为脂肪是细胞组织内的物质
? 它的人工合成意味着,生命力论,被彻底推翻
1,有机化学的定义
? Modern Definition of Organic Chemistry
? ——Organic Chemistry is the Chemistry of
Carbon Compounds
? Question:
? ——Why is an entire branch of chemistry
devoted to the study of carbon-containing
compounds?
自然界中碳的循环
Organic Chemistry is the Chemistry
of Carbon Compounds
? The answer is,
? Carbon-containing compounds makes life
possible
? We need carbon-containing compounds in
nature for our food,medicines,clothing,
and energy
? We depend on millions of synthetic carbon
-containing compounds in our daily life
Organic Chemistry is the Chemistry
of Carbon Compounds
? Question,
? ——What makes carbon so special?
? ——Why are there so many carbon-
containing compounds?
Organic Chemistry is the Chemistry
of Carbon Compounds
? Please try to draw out all the
structures corresponding to the
formula,
? a,C
2
H
6
O
? b,C
3
H
6
O
? It shares electrons
with several kinds of
atoms——O,N,P、
S,Si,M etc.
? It shares electrons
with other carbon
atoms
? C-C single,double
and triple bond
? chain,or cyclo-links
? Isomerism
phenomenon
C
2
H
6
O,CH
3
OCH
3
CH
3
CH
2
OH
C
3
H
6
O,CH
2
=CHOCH
3
CH
2
=CHCH
2
OH
CH
3
C(OH)=CH
2
CH
3
CH=CHOH
CH
3
COCH
3
CH
3
CH
2
CHO
CH
3
H
H
H
O
H
H
CH
3
H
O
OH
O
CC
H
OH
H
CH
3
CC
OH
H
H
CH
3
自学
1.1 原子结构与原子轨道核外电子排布规则及 C,H,O,N,P、
S,B,F,Cl等原子的核外电子排布。
1.2 共价键的形成电负性、离子键、共价键、偶极矩的概念。
1.3 分子结构的表示方法
Lewis结构式,Kekule结构式及缩写式。
2、杂化轨道理论 Hybridization
? C 1s
2
2s
2
2p
2
—— 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
0
? N 1s
2
2s
2
2p
3
—— 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
1
? O 1s
2
2s
2
2p
4
—— 2s
2
2p
x
2
2p
y
1
2p
z
1
?如果 C,N,O与氢成键使用原子轨道 p 轨道，
则 H-C-H,H-N-H 和 H-O-H的键角应该是 90
0
2、杂化轨道理论 Hybridization
? 事实上，分子的键角并不等于原子轨道间的夹角
O
H
H
104.5
o
109.5
o
H
H
H
H
107.3
o
N
H
H
H
因此提出了杂化轨道理论，认为 C,N,O在与氢原子成键时使用的是 s 与 p 轨道的杂化轨道
2、杂化轨道理论 Hybridization
杂化轨道,能量相近的原子轨道经 能量均化的过程所形成的 能量相等的轨道
? C 1s
2
2s
2
2p
2
? 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
0
2s
1
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
1
? 1s+1p
x
+ 1p
y
+ 1p
z
4 sp
3
? each orbital has one electron
H
C
H
H
H
promotion
hybridization
（ 1） sp
3
Hybridization
（ 1） sp
3
Hybridization
To form a Tetrahedron Carbon
（ 1） sp
3
Hybridization
Bonding in Methane
HCH
H
H
CH
4
（ 1） sp
3
Hybridization
? Configuration isomers —— enantiomers
? a chiral carbon —— a carbon linked
with four different kinds of atoms
H
H
H
H
H
H
H
H
Mirror
H
HO
CH
3
CH
2
Cl
H
OH
ClH
2
C
H
3
C
Mirror
（ 1） sp
3
Hybridization
Bonding in Ethane
CCH
H
H
H
H
H
CH
3
CH
3
C — C 键,σ 键（ sp
3
-
sp
3
）
C — H 键,σ 键（ 1s - sp
3
）
（ 1） sp
3
Hybridization
—— ethane ? Conformation isomer
（ 2） sp
2
Hybridization
? C 1s
2
2s
2
2p
2
? 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
0
2s
1
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
1
? 1s + 1p
x
+ 1p
y
+ 1p
z
3 sp
2
+ 1 p
z
? each orbital has one electron
promotion
hybridization
（ 2） sp
2
Hybridization
To form a planer carbon
Bonding in Ethene
CC
H
H
H
H
CH
2
=CH
2
C=C 键,1 σ 键（ sp
2
–
sp
2
）
+ 1 π 键（ p – p）
C — H 键,σ 键（ 1s – sp
2
）
（ 2） sp
2
Hybridization
? another kind of stereo-isomer ——
Geometric Isomerization -- cis,trans
（ 3） sp Hybridization
? C 1s
2
2s
2
2p
2
? 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
0
2s
1
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
1
? 1s + 1p
x
+ 1p
y
+ 1p
z
2 sp + 1 p
y
+ 1p
z
? each orbital has one electron
promotion
hybridization
（ 3） sp Hybridization
To form a linear carbon
Bonding in Ethyne
CCHH
HC CH
C≡ C 键,1 σ 键（ sp
2
–
sp
2
）
+ 2 π 键（ p – p）
C — H 键,σ 键（ 1s – sp）
（ 3） sp Hybridization
? Optical Activity in Allenes
CCC
C
CC
sp hybridiztion
有机化合物异构现象 Isomerism
C
2
H
6
O,CH
3
OCH
3
CH
3
CH
2
OH
C
3
H
6
O,CH
2
=CHOCH
3
CH
2
=CHCH
2
OH
CH
3
C(OH)=CH
2
CH
3
CH=CHOH
CH
3
COCH
3
CH
3
CH
2
CHO
H
3
C
H
H
H
O
H
H
CH
3
H
O
OH
O
CC
H
OH
H
H
3
C
CC
OH
H
H
H
3
C
有机化合物异构现象 Isomerism
? Isomers
? Constitutional isomers Stereoisomers
? Configurational isomers Conformational isomers
? Optical isomers Geometric isomers
? Enantiomers Diastereomers
3、有机分子的基本骨架和官能团
? 基本骨架 —— 由碳 -碳键和碳 -氢键构成
(开链)烷烃(开链)烯烃(开链)炔烃(开链)不饱和烃环烷烃环烯烃环炔烃芳香烃
3、有机分子的基本骨架和官能团有机分子的官能团
? 官能团,有机分子中具有一定性质的部分原子的集合。
? 含官能团的有机化合物,可看作是碳氢化合物中氢被各种不同官能团取代后的产物，即烃的衍生物。
? 有机化合物按官能团分为,烯烃、炔烃、卤代烃、醇 /酚、醚、醛 /酮、羧酸及其衍生物、
胺、腈、硝基化合物、磺酸等。
（ 1） Functional Groups Containing Halogen
卤代烃 Alkyl Halides
e+
R-X
e-
R
+
+ X
-
? Structural Features:
? X,ns
2
np
5
? halogen ----- electronegativity is bigger
than carbon
? Polar Covalent Bond
（ 2） Functional Groups Containing Oxygen
? 醚（ Ethers） R-O-R
? 醇（ Alcohols） R-OH
? 酚（ Phenols） Ar-OH
? 醛（ Aldehydes） R(H)C=O
? 酮（ Ketones） R
2
C=O
? 羧酸及其衍生物
? （ Carboxylic Acids and their Derivatives）
? RCOOH,RCOOR’,RCONR’
2
,RCOX
（ 2） Functional Groups Containing Oxygen
? The structure Features:
? O,( 1s
2
)2s
2
2p
4
? sp
3
,sp
2
hybridization
? C-O single,
double bond
? 4 orbitals,but 6 electrons in an atoms
there is two lone pairs of electrons
O
H H
104.5
o
（ 2） Functional Groups Containing Oxygen
? The structure Features:
? Polar Covalent Bond —— electronegativity
CO
δ
δ
OH
δ
δ
C O
O
C
δ
δ
δ
δ
C O
O
C
O
δδ
δ
δ
sp
3
CO
δ
δ
?Hydrogen-Bond —— electronegativity
C
O
δ
δ
δ
H
C
O
δ
δ
δ
H
(3) Functional Groups Containing Nitrogen
? 胺（ Amines）,RNH
2
R
2
NH R
3
N
? 季铵盐 （ R
4
N
+
X
-
）
? 亚胺（ Imines）,-C=NH,-C=NR;
? 腈（ Nitrile）,RCN (-CN,cyano group )
(3) Functional Groups Containing Nitrogen
? The structure Features:
? N,( 1s
2
)2s
2
2p
3
? sp
3,
sp
2,
sp hybridization
? C-N single，
double,
triple bond
? 4 orbitals,but 5 electrons in an atoms
there is a lone pair of electrons
107.3
o
N
H
H
H
(3) Functional Groups Containing Nitrogen
? The structure Features:
? Polar Covalent Bond——electronegativity
? Hydrogen-Bond —— electronegativity
N
R
H
H
N
H
R
H
CN
δ
δ
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系均裂自由基反应 （ A,B A? + B?）
亲电加成亲电反应有机反应 亲电取代离子型反应 消去反应
（ A,B A
+
+ B
-
） 亲核加成异裂 亲核反应亲核取代协同反应
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系碳-氢键键能较高，
其断裂一般是通过游离基反应
（ A,B A? + B?）
Cl
+
HCH
3
CH
3
+
HCl
CH
3
+Cl Cl ClCH
3
Cl+
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系但是对于极性共价键，如C-X，C-Ots等，
取代反应更多是通过 亲核方式进行
CX
+
COH
+
XOH
亲核取代δ
δ
+
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系不饱和键可以发生加成反应，并且因为键的特性不同反应的历程不同
CC
+
HOH
C
H
C
OH
CC
OHH
δ
+
δ
亲电加成
C
O
+RMgX
C
R
OMgX
C
R
OH
H
2
O
CN
CH NH
H
2
Cat
δ
+
δ
δ
δ
+
亲核加成
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系诱导效应与消去反应
?诱导效应 （ inductive effect） — 某一原子或基团的电负性或极性使得电子沿着σ键传递，导致共享电子对发生偏移的作用。
?消去反应
δδδ δδ δδ
CCC
Cl
C
H
CX
δ
+
δδ
+
B(碱)
CC
HX+
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系氧化还原反应
CH CX
氧化
Fe
2+
Fe
3+
-e氧化
+e还原氧化反应 ——加氧或脱氢反应还原反应 ——加氢和脱氧的反应
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系常见官能团中碳的氧化态氧化态
0 1 2 3 4
常见官能团
COOor
C
O
OHHO
COH
C
COH
O
CO
CO
O
C COC
O
OC
COC COOCC
CN
O
COC
O
N
CN
CN
C X
CX
O
CXX
O
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系
?e.g,1,Hydrocarbons
?Alkanes,Alkenes,Alkynes and Aromatic
?CH
3
CH
3
,CH
2
=CH
2
,CH CH,
?Substitute Reaction,Addition Reaction,
?C
6
H
6
-- Addition,difficult;
? Substitution,easy
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系
e.g,2 Unsaturated Compounds
?C=O,C=C
?addition reaction
?different mechanism
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系
e.g,3 Acidity
?RH,ROH,RCOOH
?acidity increase from left to right
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系
e.g,4 Lewis Base
Compounds containing O or N,comparing
with C,have lone pair of electron,so they
often work as Lewis base,
O
R
H
N
R
H
H
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 非共价力包括：
氢键 Hydrogen Bond
偶极-偶极作用力范德华作用力 （吸引力和斥力）等
? 作用于分子间和分子内
? 影响化合物的物理性质和化学性质
? 熔点、沸点、溶解性能
? 酸碱性、反应速率和反应方向非共价力及其强度
Interactions Strength
Ion-Ion interaction comparable to covalent
bonding
Ion-dipole
50~200 kJ/mol
Dipole-dipole
5~50 kJ/mol
Hydrogen bonding
4~120 kJ/mol
Cation-π interactions
5~80 kJ/mol
π -π stacking
0~50 kJ/mol
van der Waals forces
< 5 kJ/mol,variable
Hydrophobic effects
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系氢键的饱和性和方向性
? 饱和性当 A－ H中的氢原子与一个 B
原子结合形成氢键后，另一个电负性大的原子 B’则难以接近氢原子了，因为 B,A
的负电荷将排斥原子 B’靠近，因此一个氢原子只能与一个杂原子形成氢键。
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 方向性
1,只有当 A-H
…
B在同一直线上时最强；
2,氢键的方向和未共用电子对的对称轴一致，这样可使原子 B中负电荷分布最多的部分最接近氢原子，这样形成的氢键最稳定。
氢键的强弱
A,B的电负性越大，氢键越强； B的原子半径越小，氢键越强。（ F-H
…
F最强）
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系分子内氢键与分子间氢键分子间氢键使熔点、沸点升高分子内氢键使熔点、沸点下降分子间氢键使水溶性增加
N
O
O
H
O
N
O
O
HO
N
O
O
O
H
邻硝基苯酚 m.p.45℃对硝基苯酚 m.p.114℃
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 氢键对分子构象的影响
H
H
Cl
O
HH
H
Cl
H
HO
HH
H
CH
3
H
HO
HH
H
I IIIII
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 氢键对互变异构平衡的影响
H
3
C CHO
H
2
CC
OH
H
O
CCH
3
H
3
C
H
2
CC
OH
CH
3
OO
O
O
H
O
OH
O
O
O
O
H
0.000025%
1.2%
0%
92% in hexane
16% in water
100%
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 氢键对酸性的影响
O
O
OH
HO
H
H
O
O
O -
HO
H
H
H
O
OH
H
O
OH
H
O
O -
H
O
O
H
pKa1=1.83; pKa2=6.07
pKa1=3.03; pKa2=4.44
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 天然化合物中的氢键举例 ——
? 蛋白质结构中的氢键 核酸结构中的氢键
N
N
N
N
O
N
sugar
H
H
H
N
N
NH
H
sugarO
(Guanini)G C(Cytosine)
(G≡C)
N
N
N
N
N
sugar
HN
N
O
sugarO
(Adenine)A::::::::::::T(Thymine)
(A=T)
H
H
CH
3
::::::::::
..........
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系偶极-偶极作用力（极性分子）
极性大的分子，偶极-偶极作用力大，溶沸点高，水溶性增强范德华作用力（非极性分子）
极化率越大，分子的接触面积越大，范德华作用力 越 大。溶沸点越高。
吸引或排斥与分子间距离有关，太近，表现为排斥作用。
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 沸点分子的极性、分子量、分子接触面积、氢键极性沸点极性相同，分子量沸点极性相同，分子量相同，分子接触面积氢键的存在，沸点 且氢键沸点沸点
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 熔点分子的极性、分子量、分子接触面积、氢键、
分子对称性
m.p,-138.9 oC -105.5 oC
b.p,3.7 oC 0.9 oC
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 溶解性
General Rule,
相似相溶原理 (like dissolves like)
质子性溶剂 —H
2
O,ROH,NH
3
,RCOOH
极性溶剂非质子性溶剂 — 丙酮、乙醚,DMSO,DMF
非极性溶剂 — 烃类有机溶剂
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 3） 立体结构与性质的关系
? 分子稳定性
? 物理性质
? 化学性质
? 生物活性
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 3） 立体结构与性质的关系
O
O
OH
HO
H
H
O
O
O -
HO
H
H
H
O
OH
H
O
OH
H
O
O -
H
O
O
H
pKa1=1.83; pKa2=6.07
pKa1=3.03; pKa2=4.44
第一章重点讲解问题
? 碳的杂化轨道理论
? 有机分子的基本骨架和官能团
? 有机化合物的分子结构与性质的关系
1）共价键的结构
2）非共价键作用
3）立体结构作业 1：
? 查阅有关书籍和文献，了解有机化学的发展历史和趋势。并就发展历史中你所感兴趣的一个发现作简要介绍和评述，或著名有机化学家的生平作简介。
? 字数要求在 800字以内,第六周周三交作业 2：
?阅读教材第一到第四章，并查阅参考书，
从有机化合物的结构出发，简要概括各主要官能团化合物的化学性质（建议列表，
并对性质与结构特征的关系加以简要说明）
? （第六周周三交）
下周预习内容
? 1、有机化合物命名的一般步骤怎样？基的概念与烷烃、环烷烃的命名。
? 2、饱和碳氢化合物的构象概念，如何进行构象分析？
? 3、碳氢化合物的稳定性如何？环的稳定性与拜尔的环张力学说。
? 4、饱和碳氢化合物的物理性质有何规律？
? 1,有机化学的定义
? 2,杂化轨道理论与有机化合物结构特点
? 3,有机化合物的基本骨架和官能团
? 4,有机化合物的结构与性质的关系
? (1) 共价键
? (2) 非共价作用
? (3) 立体结构
1,有机化学的定义
? Organic
? —— derived from living organism
? Vital force theory
? —— Organic compounds needs a,vital
force” to create them
? 1828,Friedrich Wohler
NH4
+ -
OCN
NH
2
O
NH
2
Heat
1,有机化学的定义
? 1845年，柯尔柏合成了醋酸（ CH
3
COOH）
? 之后，不断有有机物被人工合成，如石蜡烃、醇、脂肪酸、甘油、苹果酸、甲醛糖、
毒芹碱和尿酸等
? 特别是在 1854年，贝特罗合成了脂肪
? 这一发现引起巨大轰动，因为脂肪是细胞组织内的物质
? 它的人工合成意味着,生命力论,被彻底推翻
1,有机化学的定义
? Modern Definition of Organic Chemistry
? ——Organic Chemistry is the Chemistry of
Carbon Compounds
? Question:
? ——Why is an entire branch of chemistry
devoted to the study of carbon-containing
compounds?
自然界中碳的循环
Organic Chemistry is the Chemistry
of Carbon Compounds
? The answer is,
? Carbon-containing compounds makes life
possible
? We need carbon-containing compounds in
nature for our food,medicines,clothing,
and energy
? We depend on millions of synthetic carbon
-containing compounds in our daily life
Organic Chemistry is the Chemistry
of Carbon Compounds
? Question,
? ——What makes carbon so special?
? ——Why are there so many carbon-
containing compounds?
Organic Chemistry is the Chemistry
of Carbon Compounds
? Please try to draw out all the
structures corresponding to the
formula,
? a,C
2
H
6
O
? b,C
3
H
6
O
? It shares electrons
with several kinds of
atoms——O,N,P、
S,Si,M etc.
? It shares electrons
with other carbon
atoms
? C-C single,double
and triple bond
? chain,or cyclo-links
? Isomerism
phenomenon
C
2
H
6
O,CH
3
OCH
3
CH
3
CH
2
OH
C
3
H
6
O,CH
2
=CHOCH
3
CH
2
=CHCH
2
OH
CH
3
C(OH)=CH
2
CH
3
CH=CHOH
CH
3
COCH
3
CH
3
CH
2
CHO
CH
3
H
H
H
O
H
H
CH
3
H
O
OH
O
CC
H
OH
H
CH
3
CC
OH
H
H
CH
3
自学
1.1 原子结构与原子轨道核外电子排布规则及 C,H,O,N,P、
S,B,F,Cl等原子的核外电子排布。
1.2 共价键的形成电负性、离子键、共价键、偶极矩的概念。
1.3 分子结构的表示方法
Lewis结构式,Kekule结构式及缩写式。
2、杂化轨道理论 Hybridization
? C 1s
2
2s
2
2p
2
—— 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
0
? N 1s
2
2s
2
2p
3
—— 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
1
? O 1s
2
2s
2
2p
4
—— 2s
2
2p
x
2
2p
y
1
2p
z
1
?如果 C,N,O与氢成键使用原子轨道 p 轨道，
则 H-C-H,H-N-H 和 H-O-H的键角应该是 90
0
2、杂化轨道理论 Hybridization
? 事实上，分子的键角并不等于原子轨道间的夹角
O
H
H
104.5
o
109.5
o
H
H
H
H
107.3
o
N
H
H
H
因此提出了杂化轨道理论，认为 C,N,O在与氢原子成键时使用的是 s 与 p 轨道的杂化轨道
2、杂化轨道理论 Hybridization
杂化轨道,能量相近的原子轨道经 能量均化的过程所形成的 能量相等的轨道
? C 1s
2
2s
2
2p
2
? 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
0
2s
1
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
1
? 1s+1p
x
+ 1p
y
+ 1p
z
4 sp
3
? each orbital has one electron
H
C
H
H
H
promotion
hybridization
（ 1） sp
3
Hybridization
（ 1） sp
3
Hybridization
To form a Tetrahedron Carbon
（ 1） sp
3
Hybridization
Bonding in Methane
HCH
H
H
CH
4
（ 1） sp
3
Hybridization
? Configuration isomers —— enantiomers
? a chiral carbon —— a carbon linked
with four different kinds of atoms
H
H
H
H
H
H
H
H
Mirror
H
HO
CH
3
CH
2
Cl
H
OH
ClH
2
C
H
3
C
Mirror
（ 1） sp
3
Hybridization
Bonding in Ethane
CCH
H
H
H
H
H
CH
3
CH
3
C — C 键,σ 键（ sp
3
-
sp
3
）
C — H 键,σ 键（ 1s - sp
3
）
（ 1） sp
3
Hybridization
—— ethane ? Conformation isomer
（ 2） sp
2
Hybridization
? C 1s
2
2s
2
2p
2
? 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
0
2s
1
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
1
? 1s + 1p
x
+ 1p
y
+ 1p
z
3 sp
2
+ 1 p
z
? each orbital has one electron
promotion
hybridization
（ 2） sp
2
Hybridization
To form a planer carbon
Bonding in Ethene
CC
H
H
H
H
CH
2
=CH
2
C=C 键,1 σ 键（ sp
2
–
sp
2
）
+ 1 π 键（ p – p）
C — H 键,σ 键（ 1s – sp
2
）
（ 2） sp
2
Hybridization
? another kind of stereo-isomer ——
Geometric Isomerization -- cis,trans
（ 3） sp Hybridization
? C 1s
2
2s
2
2p
2
? 2s
2
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
0
2s
1
2p
x
1
2p
y
1
2p
z
1
? 1s + 1p
x
+ 1p
y
+ 1p
z
2 sp + 1 p
y
+ 1p
z
? each orbital has one electron
promotion
hybridization
（ 3） sp Hybridization
To form a linear carbon
Bonding in Ethyne
CCHH
HC CH
C≡ C 键,1 σ 键（ sp
2
–
sp
2
）
+ 2 π 键（ p – p）
C — H 键,σ 键（ 1s – sp）
（ 3） sp Hybridization
? Optical Activity in Allenes
CCC
C
CC
sp hybridiztion
有机化合物异构现象 Isomerism
C
2
H
6
O,CH
3
OCH
3
CH
3
CH
2
OH
C
3
H
6
O,CH
2
=CHOCH
3
CH
2
=CHCH
2
OH
CH
3
C(OH)=CH
2
CH
3
CH=CHOH
CH
3
COCH
3
CH
3
CH
2
CHO
H
3
C
H
H
H
O
H
H
CH
3
H
O
OH
O
CC
H
OH
H
H
3
C
CC
OH
H
H
H
3
C
有机化合物异构现象 Isomerism
? Isomers
? Constitutional isomers Stereoisomers
? Configurational isomers Conformational isomers
? Optical isomers Geometric isomers
? Enantiomers Diastereomers
3、有机分子的基本骨架和官能团
? 基本骨架 —— 由碳 -碳键和碳 -氢键构成
(开链)烷烃(开链)烯烃(开链)炔烃(开链)不饱和烃环烷烃环烯烃环炔烃芳香烃
3、有机分子的基本骨架和官能团有机分子的官能团
? 官能团,有机分子中具有一定性质的部分原子的集合。
? 含官能团的有机化合物,可看作是碳氢化合物中氢被各种不同官能团取代后的产物，即烃的衍生物。
? 有机化合物按官能团分为,烯烃、炔烃、卤代烃、醇 /酚、醚、醛 /酮、羧酸及其衍生物、
胺、腈、硝基化合物、磺酸等。
（ 1） Functional Groups Containing Halogen
卤代烃 Alkyl Halides
e+
R-X
e-
R
+
+ X
-
? Structural Features:
? X,ns
2
np
5
? halogen ----- electronegativity is bigger
than carbon
? Polar Covalent Bond
（ 2） Functional Groups Containing Oxygen
? 醚（ Ethers） R-O-R
? 醇（ Alcohols） R-OH
? 酚（ Phenols） Ar-OH
? 醛（ Aldehydes） R(H)C=O
? 酮（ Ketones） R
2
C=O
? 羧酸及其衍生物
? （ Carboxylic Acids and their Derivatives）
? RCOOH,RCOOR’,RCONR’
2
,RCOX
（ 2） Functional Groups Containing Oxygen
? The structure Features:
? O,( 1s
2
)2s
2
2p
4
? sp
3
,sp
2
hybridization
? C-O single,
double bond
? 4 orbitals,but 6 electrons in an atoms
there is two lone pairs of electrons
O
H H
104.5
o
（ 2） Functional Groups Containing Oxygen
? The structure Features:
? Polar Covalent Bond —— electronegativity
CO
δ
δ
OH
δ
δ
C O
O
C
δ
δ
δ
δ
C O
O
C
O
δδ
δ
δ
sp
3
CO
δ
δ
?Hydrogen-Bond —— electronegativity
C
O
δ
δ
δ
H
C
O
δ
δ
δ
H
(3) Functional Groups Containing Nitrogen
? 胺（ Amines）,RNH
2
R
2
NH R
3
N
? 季铵盐 （ R
4
N
+
X
-
）
? 亚胺（ Imines）,-C=NH,-C=NR;
? 腈（ Nitrile）,RCN (-CN,cyano group )
(3) Functional Groups Containing Nitrogen
? The structure Features:
? N,( 1s
2
)2s
2
2p
3
? sp
3,
sp
2,
sp hybridization
? C-N single，
double,
triple bond
? 4 orbitals,but 5 electrons in an atoms
there is a lone pair of electrons
107.3
o
N
H
H
H
(3) Functional Groups Containing Nitrogen
? The structure Features:
? Polar Covalent Bond——electronegativity
? Hydrogen-Bond —— electronegativity
N
R
H
H
N
H
R
H
CN
δ
δ
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系均裂自由基反应 （ A,B A? + B?）
亲电加成亲电反应有机反应 亲电取代离子型反应 消去反应
（ A,B A
+
+ B
-
） 亲核加成异裂 亲核反应亲核取代协同反应
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系碳-氢键键能较高，
其断裂一般是通过游离基反应
（ A,B A? + B?）
Cl
+
HCH
3
CH
3
+
HCl
CH
3
+Cl Cl ClCH
3
Cl+
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系但是对于极性共价键，如C-X，C-Ots等，
取代反应更多是通过 亲核方式进行
CX
+
COH
+
XOH
亲核取代δ
δ
+
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系不饱和键可以发生加成反应，并且因为键的特性不同反应的历程不同
CC
+
HOH
C
H
C
OH
CC
OHH
δ
+
δ
亲电加成
C
O
+RMgX
C
R
OMgX
C
R
OH
H
2
O
CN
CH NH
H
2
Cat
δ
+
δ
δ
δ
+
亲核加成
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系诱导效应与消去反应
?诱导效应 （ inductive effect） — 某一原子或基团的电负性或极性使得电子沿着σ键传递，导致共享电子对发生偏移的作用。
?消去反应
δδδ δδ δδ
CCC
Cl
C
H
CX
δ
+
δδ
+
B(碱)
CC
HX+
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系氧化还原反应
CH CX
氧化
Fe
2+
Fe
3+
-e氧化
+e还原氧化反应 ——加氧或脱氢反应还原反应 ——加氢和脱氧的反应
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系常见官能团中碳的氧化态氧化态
0 1 2 3 4
常见官能团
COOor
C
O
OHHO
COH
C
COH
O
CO
CO
O
C COC
O
OC
COC COOCC
CN
O
COC
O
N
CN
CN
C X
CX
O
CXX
O
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系
?e.g,1,Hydrocarbons
?Alkanes,Alkenes,Alkynes and Aromatic
?CH
3
CH
3
,CH
2
=CH
2
,CH CH,
?Substitute Reaction,Addition Reaction,
?C
6
H
6
-- Addition,difficult;
? Substitution,easy
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系
e.g,2 Unsaturated Compounds
?C=O,C=C
?addition reaction
?different mechanism
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系
e.g,3 Acidity
?RH,ROH,RCOOH
?acidity increase from left to right
4,有机化合物的结构与性质的关系
—— （ 1）共价键的结构与性质关系
e.g,4 Lewis Base
Compounds containing O or N,comparing
with C,have lone pair of electron,so they
often work as Lewis base,
O
R
H
N
R
H
H
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 非共价力包括：
氢键 Hydrogen Bond
偶极-偶极作用力范德华作用力 （吸引力和斥力）等
? 作用于分子间和分子内
? 影响化合物的物理性质和化学性质
? 熔点、沸点、溶解性能
? 酸碱性、反应速率和反应方向非共价力及其强度
Interactions Strength
Ion-Ion interaction comparable to covalent
bonding
Ion-dipole
50~200 kJ/mol
Dipole-dipole
5~50 kJ/mol
Hydrogen bonding
4~120 kJ/mol
Cation-π interactions
5~80 kJ/mol
π -π stacking
0~50 kJ/mol
van der Waals forces
< 5 kJ/mol,variable
Hydrophobic effects
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系氢键的饱和性和方向性
? 饱和性当 A－ H中的氢原子与一个 B
原子结合形成氢键后，另一个电负性大的原子 B’则难以接近氢原子了，因为 B,A
的负电荷将排斥原子 B’靠近，因此一个氢原子只能与一个杂原子形成氢键。
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 方向性
1,只有当 A-H
…
B在同一直线上时最强；
2,氢键的方向和未共用电子对的对称轴一致，这样可使原子 B中负电荷分布最多的部分最接近氢原子，这样形成的氢键最稳定。
氢键的强弱
A,B的电负性越大，氢键越强； B的原子半径越小，氢键越强。（ F-H
…
F最强）
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系分子内氢键与分子间氢键分子间氢键使熔点、沸点升高分子内氢键使熔点、沸点下降分子间氢键使水溶性增加
N
O
O
H
O
N
O
O
HO
N
O
O
O
H
邻硝基苯酚 m.p.45℃对硝基苯酚 m.p.114℃
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 氢键对分子构象的影响
H
H
Cl
O
HH
H
Cl
H
HO
HH
H
CH
3
H
HO
HH
H
I IIIII
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 氢键对互变异构平衡的影响
H
3
C CHO
H
2
CC
OH
H
O
CCH
3
H
3
C
H
2
CC
OH
CH
3
OO
O
O
H
O
OH
O
O
O
O
H
0.000025%
1.2%
0%
92% in hexane
16% in water
100%
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 氢键对酸性的影响
O
O
OH
HO
H
H
O
O
O -
HO
H
H
H
O
OH
H
O
OH
H
O
O -
H
O
O
H
pKa1=1.83; pKa2=6.07
pKa1=3.03; pKa2=4.44
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 天然化合物中的氢键举例 ——
? 蛋白质结构中的氢键 核酸结构中的氢键
N
N
N
N
O
N
sugar
H
H
H
N
N
NH
H
sugarO
(Guanini)G C(Cytosine)
(G≡C)
N
N
N
N
N
sugar
HN
N
O
sugarO
(Adenine)A::::::::::::T(Thymine)
(A=T)
H
H
CH
3
::::::::::
..........
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系偶极-偶极作用力（极性分子）
极性大的分子，偶极-偶极作用力大，溶沸点高，水溶性增强范德华作用力（非极性分子）
极化率越大，分子的接触面积越大，范德华作用力 越 大。溶沸点越高。
吸引或排斥与分子间距离有关，太近，表现为排斥作用。
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 沸点分子的极性、分子量、分子接触面积、氢键极性沸点极性相同，分子量沸点极性相同，分子量相同，分子接触面积氢键的存在，沸点 且氢键沸点沸点
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 熔点分子的极性、分子量、分子接触面积、氢键、
分子对称性
m.p,-138.9 oC -105.5 oC
b.p,3.7 oC 0.9 oC
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 2）非共价作用与性质的关系
? 溶解性
General Rule,
相似相溶原理 (like dissolves like)
质子性溶剂 —H
2
O,ROH,NH
3
,RCOOH
极性溶剂非质子性溶剂 — 丙酮、乙醚,DMSO,DMF
非极性溶剂 — 烃类有机溶剂
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 3） 立体结构与性质的关系
? 分子稳定性
? 物理性质
? 化学性质
? 生物活性
4,有机化合物的结构与性质的关系
——（ 3） 立体结构与性质的关系
O
O
OH
HO
H
H
O
O
O -
HO
H
H
H
O
OH
H
O
OH
H
O
O -
H
O
O
H
pKa1=1.83; pKa2=6.07
pKa1=3.03; pKa2=4.44
第一章重点讲解问题
? 碳的杂化轨道理论
? 有机分子的基本骨架和官能团
? 有机化合物的分子结构与性质的关系
1）共价键的结构
2）非共价键作用
3）立体结构作业 1：
? 查阅有关书籍和文献，了解有机化学的发展历史和趋势。并就发展历史中你所感兴趣的一个发现作简要介绍和评述，或著名有机化学家的生平作简介。
? 字数要求在 800字以内,第六周周三交作业 2：
?阅读教材第一到第四章，并查阅参考书，
从有机化合物的结构出发，简要概括各主要官能团化合物的化学性质（建议列表，
并对性质与结构特征的关系加以简要说明）
? （第六周周三交）
下周预习内容
? 1、有机化合物命名的一般步骤怎样？基的概念与烷烃、环烷烃的命名。
? 2、饱和碳氢化合物的构象概念，如何进行构象分析？
? 3、碳氢化合物的稳定性如何？环的稳定性与拜尔的环张力学说。
? 4、饱和碳氢化合物的物理性质有何规律？
