奧賽講座之有機化學

1、高中化學奧林匹克競賽系列講座（四）高中化學奧林匹克競賽系列講座（四）福清一中化學組福清一中化學組1.1、有機化學歷史和展望、有機化學歷史和展望 1828年德國化學家武勒從典型的無機化合物氰酸鉀與氯化年德國化學家武勒從典型的無機化合物氰酸鉀與氯化銨，合成了有機物尿素。銨，合成了有機物尿素。kocn + nh4cl co(nh2)2 + kcl我國科學家在我國科學家在20世紀世紀60年代首次合成具有生物活性的蛋白質年代首次合成具有生物活性的蛋白質 -結晶牛胰島素結晶牛胰島素1、有機化學概述、有機化學概述1.2、碳原子的成鍵特征、碳原子的成鍵特征1.2.1、共價數(shù)、共價數(shù) 根據(jù)共價鍵理論，某原子有幾

2、個未成對電子，根據(jù)共價鍵理論，某原子有幾個未成對電子，就可以形成幾個共價鍵，而價電子中的孤對電子，就可以形成幾個共價鍵，而價電子中的孤對電子，則可以形成配位鍵。則可以形成配位鍵。c原子可形成原子可形成4個共價鍵；個共價鍵；n、p原子可形成原子可形成3個共價鍵，個共價鍵，1個配位鍵個配位鍵s、o原子可形成原子可形成2個共價鍵，個共價鍵，2個配位鍵個配位鍵cl、br原子可形成原子可形成1個共價鍵，個共價鍵，3個配位鍵個配位鍵h原子可形成原子可形成1個共價鍵個共價鍵 碳元素的成鍵時電子云的重疊方式碳元素的成鍵時電子云的重疊方式 （頭碰頭（頭碰頭鍵鍵、肩并肩、肩并肩鍵）鍵） （1）鍵鍵電子云頭碰頭重疊

3、，重疊程電子云頭碰頭重疊，重疊程度大度大 可繞鍵軸旋轉。穩(wěn)定，能發(fā)生可繞鍵軸旋轉。穩(wěn)定，能發(fā)生取代。取代。 （2）鍵鍵電子云肩并肩重疊，重疊程電子云肩并肩重疊，重疊程度小不能旋轉。易斷裂，易發(fā)生加成反應。度小不能旋轉。易斷裂，易發(fā)生加成反應。1.2.2、碳原子的成鍵特征、碳原子的成鍵特征c原子的價電子：原子的價電子：2s1、2px1、2py1、2pz1（1）、）、成鍵時軌道的重疊要盡可能采取電子云密度最大的方向，成鍵時軌道的重疊要盡可能采取電子云密度最大的方向，要盡可能使生成物能量更低、更穩(wěn)定。因此碳原子在成鍵時可能要盡可能使生成物能量更低、更穩(wěn)定。因此碳原子在成鍵時可能4個價電子軌道完全雜化

4、（個價電子軌道完全雜化（sp3雜化雜化）、可能部分雜化（）、可能部分雜化（sp2雜化、雜化、sp雜化雜化）（2）、）、碳原子在形成碳原子在形成4個共價單鍵個共價單鍵時，采用等性時，采用等性sp3雜化形式。雜化形式。并且，為使成鍵電子對間的相互排斥力最小，這四個共價鍵構成并且，為使成鍵電子對間的相互排斥力最小，這四個共價鍵構成一種一種“立體立體”的結構。的結構。 例如例如ch4：形成：形成4個共價鍵鍵能、鍵長完全相等，夾角為個共價鍵鍵能、鍵長完全相等，夾角為109。28。（3）、）、在在c2h4分子中，分子中，c原子為達到最外層原子為達到最外層8電子的穩(wěn)定結電子的穩(wěn)定結構，構，形成了形成了2個共

5、價單鍵個共價單鍵（鍵）鍵），和一個雙鍵，和一個雙鍵（鍵和鍵和鍵）鍵）。這時碳原子采用了這時碳原子采用了sp2雜化形式形成了三個雜化形式形成了三個鍵。鍵。乙烯分子中乙烯分子中6個原子位于同一平面上個原子位于同一平面上。 在在c2h2分子中，碳原子形成了一個單鍵一個叁鍵，這分子中，碳原子形成了一個單鍵一個叁鍵，這時碳原子采用了時碳原子采用了sp雜化形式形成了雜化形式形成了兩個兩個鍵鍵，另外兩個，另外兩個p電電子分別與另外一個碳原子的兩個子分別與另外一個碳原子的兩個p電子形成了電子形成了兩個兩個鍵鍵，乙乙炔分子中炔分子中4個原子位于同一直線上。個原子位于同一直線上。（4）、）、在在ch2=chch=

6、ch2分子中，兩個分子中，兩個鍵的電子鍵的電子云為云為4個碳原子共用，該分子更加穩(wěn)定。個碳原子共用，該分子更加穩(wěn)定?！肮曹椆曹棥?鍵鍵又叫離域又叫離域大大鍵。例如苯分子：鍵。例如苯分子：3個個鍵的電子云為鍵的電子云為6個個c原子共用。原子共用。1.3、碳原子的雜化軌道與結構特點、碳原子的雜化軌道與結構特點1、sp3雜化軌道及其代表物和結構特點雜化軌道及其代表物和結構特點、碳原子的基態(tài)、激發(fā)態(tài)、碳原子的基態(tài)、激發(fā)態(tài)、碳原子的、碳原子的spsp3 3雜化的優(yōu)點：大頭更大、成鍵能雜化的優(yōu)點：大頭更大、成鍵能 力更強力更強、碳原子的、碳原子的spsp3 3雜化軌道的電子云的模型：正四面體雜化軌道的電子

7、云的模型：正四面體、碳原子的、碳原子的spsp3 3雜化軌道的成鍵的特點：全部是單鍵雜化軌道的成鍵的特點：全部是單鍵 即形成即形成4 4個個鍵鍵、代表物：、代表物：chch4 4、cclccl4 4 2、sp2雜化軌道及其代表物和結構特點雜化軌道及其代表物和結構特點碳原子的碳原子的spsp2 2雜化的優(yōu)點：大頭更大、成鍵能力更強雜化的優(yōu)點：大頭更大、成鍵能力更強、碳原子的、碳原子的spsp2 2雜化軌道的電子云的模型：雜化軌道的電子云的模型： 平面正三角形平面正三角形、碳原子的、碳原子的spsp2 2雜化軌道的成鍵的特點：雜化軌道的成鍵的特點： 形成形成3 3個單鍵即個單鍵即3 3個個鍵的同時

8、又形成了鍵的同時又形成了1 1個個鍵鍵、代表物：乙烯、苯、代表物：乙烯、苯 3、 sp雜化軌道及其代表物和結構特點雜化軌道及其代表物和結構特點碳原子的碳原子的spsp雜化的優(yōu)點：大頭更大、成鍵能力更強雜化的優(yōu)點：大頭更大、成鍵能力更強、碳原子的、碳原子的spsp雜化軌道的電子云的模型：直線型雜化軌道的電子云的模型：直線型、碳原子的、碳原子的spsp雜化軌道的成鍵的特點：雜化軌道的成鍵的特點： 形成形成2 2個單鍵即個單鍵即2 2個個鍵的同時又形成了鍵的同時又形成了2 2個個鍵鍵代表物：乙炔代表物：乙炔鍵鍵鍵鍵由原子軌道軸向交疊由原子軌道軸向交疊而成，交疊程度大而成，交疊程度大側面交疊，交疊程度

9、較小側面交疊，交疊程度較小電子云對鍵軸呈圓柱電子云對鍵軸呈圓柱形對稱分布，核對其形對稱分布，核對其束縛力較大束縛力較大電子云分布在分子平面上下，流動電子云分布在分子平面上下，流動性較大，極化性也大性較大，極化性也大繞鍵軸旋轉不破壞交繞鍵軸旋轉不破壞交疊疊不能自由旋轉，不能自由旋轉，c cc c原子相對旋轉會原子相對旋轉會減少甚至破壞交疊，造成鍵的斷裂，減少甚至破壞交疊，造成鍵的斷裂，因此有順反異構現(xiàn)象。因此有順反異構現(xiàn)象。鍵能大、穩(wěn)定鍵能大、穩(wěn)定鍵能較小，易破裂，易起化學反應鍵能較小，易破裂，易起化學反應1.4、高中有機化學中的常用概念或化學用語、高中有機化學中的常用概念或化學用語 1.4.1

10、.分子式、最簡式、通式分子式、最簡式、通式 介紹各類烴的通式介紹各類烴的通式 1.4.2.結構式、結構簡式結構式、結構簡式（省單鍵、省單鍵、碳架結構、碳架結構、折線式）折線式） （1）以）以c5h12為例介紹結構式和一般結構簡式為例介紹結構式和一般結構簡式 （2）以）以c6h14為例介紹結構簡式中的碳架結構為例介紹結構簡式中的碳架結構 和折線式和折線式 1.4.3.同分異構體、同分異構現(xiàn)象同分異構體、同分異構現(xiàn)象(1)同分異構體和同分異構現(xiàn)象的概念同分異構體和同分異構現(xiàn)象的概念(2)舉例說明舉例說明1.4.4、有機物的官能團、有機物的官能團決定化合物化學特性的原子或原子團。決定化合物化學特性的

11、原子或原子團。常見的官能團有：常見的官能團有：c=c雙鍵、雙鍵、cc叁鍵、鹵素原子（叁鍵、鹵素原子（x）、羥基（）、羥基（oh）醛基（醛基（ ch）o羧基（羧基（cooh）硝基硝基（ no2）、磺酸基（）、磺酸基（ so3h）、氨基（）、氨基（ nh2）1.4.5.同系物（同系物（概念概念、判斷判斷） （1）同系物的概念）同系物的概念 （2）根據(jù)同系物的概念判斷）根據(jù)同系物的概念判斷2 2、有機物系統(tǒng)命名法、有機物系統(tǒng)命名法 2.1帶支鏈烷烴帶支鏈烷烴 主鏈主鏈 選碳鏈最長、帶支鏈最多者。選碳鏈最長、帶支鏈最多者。 編號編號 按最低系列規(guī)則。從靠側鏈最近端編號，如按最低系列規(guī)則。從靠側鏈最近端

12、編號，如兩端號碼相同時，則依次比較下一取代基位次，最兩端號碼相同時，則依次比較下一取代基位次，最先遇到最小位次定為最低系統(tǒng)（不管取代基性質如先遇到最小位次定為最低系統(tǒng)（不管取代基性質如何）。何）。 取代基次序取代基次序iupac規(guī)定依英文名第一字母次序規(guī)定依英文名第一字母次序排列。我國規(guī)定采用立體化學中排列。我國規(guī)定采用立體化學中“次序規(guī)則次序規(guī)則”：優(yōu)先基團放在后面，如第一原子相同則比較下優(yōu)先基團放在后面，如第一原子相同則比較下一原子。一原子。 2-甲基甲基-3-乙基戊烷乙基戊烷 2.2單官能團化合物單官能團化合物 主鏈主鏈 選含官能團的最長碳鏈、帶側鏈最選含官能團的最長碳鏈、帶側鏈最多者，

13、稱為某烯（或炔、醇、醛、酮、酸、多者，稱為某烯（或炔、醇、醛、酮、酸、酯、酯、）。鹵代烴、硝基化合物、醚則以）。鹵代烴、硝基化合物、醚則以烴為母體，以鹵素、硝基、烴氧基為取代基，烴為母體，以鹵素、硝基、烴氧基為取代基，并標明取代基位置。并標明取代基位置。 編號編號 從靠近官能團（或上述取代基）端從靠近官能團（或上述取代基）端開始，按次序規(guī)則優(yōu)先基團列在后面。開始，按次序規(guī)則優(yōu)先基團列在后面。 2.3多官能團化合物多官能團化合物 （1）脂肪族）脂肪族 選含官能團最多（盡量包括重鍵）的最長碳選含官能團最多（盡量包括重鍵）的最長碳鏈為主鏈。官能團詞尾取法習慣上按下列次序：鏈為主鏈。官能團詞尾取法習慣

14、上按下列次序： ohnh2（=nh）ccc=c （2）脂環(huán)族、芳香族）脂環(huán)族、芳香族 如側鏈簡單，選環(huán)作母體；如取代基如側鏈簡單，選環(huán)作母體；如取代基復雜，取碳鏈作主鏈。復雜，取碳鏈作主鏈。 （3）雜環(huán)）雜環(huán) 從雜原子開始編號，有多種雜原子時，按從雜原子開始編號，有多種雜原子時，按o、s、n、p順序編號。順序編號。 2.4順反異構體順反異構體 （1）順反命名法）順反命名法 環(huán)狀化合物用順、反表示。相同或相似的原環(huán)狀化合物用順、反表示。相同或相似的原子或基因處于同側稱為順式，處于異側稱為反式。子或基因處于同側稱為順式，處于異側稱為反式。 3 3. 異構現(xiàn)象和立體化學異構現(xiàn)象和立體化學 3.1構造

15、異構構造異構 分子式相同而構造式不同，即分子中原子互相分子式相同而構造式不同，即分子中原子互相連接的方式和次序不同，稱構造異構。有碳架異構、連接的方式和次序不同，稱構造異構。有碳架異構、位置異構、官能團異構、互變異構。位置異構、官能團異構、互變異構。 3.2立體異構立體異構 構造式相同但原子或基團在空間的排列不同構造式相同但原子或基團在空間的排列不同（即構型不同）產(chǎn)生的異構現(xiàn)象叫立體異構。如（即構型不同）產(chǎn)生的異構現(xiàn)象叫立體異構。如順反異構、對映異構。順反異構、對映異構。 一、一、 甲烷的組成、結構和性質甲烷的組成、結構和性質1.1.甲烷的組成：甲烷的組成：（1 1）元素組成）元素組成 （2

16、2）質量組成）質量組成 （3 3）分子組成）分子組成（4 4）通過質量組成推斷分子組成的方法）通過質量組成推斷分子組成的方法2.2.甲烷的結構：甲烷的結構：（1 1）分子結構）分子結構 chch4 4分子中的碳原子是以分子中的碳原子是以spsp3 3雜化軌道成鍵的雜化軌道成鍵的 chch4 4分子是以碳原子為中心的正四面體，分子是以碳原子為中心的正四面體， 鍵角為鍵角為1091090 02828 chch4 4分子的結構式分子的結構式 chch4 4分子的電子式分子的電子式 下列事實中能證明甲烷分子為正四面體而非正方下列事實中能證明甲烷分子為正四面體而非正方形結構的是（形結構的是（ ）a.ch

17、a.ch3 3clcl無同分異構體無同分異構體 b.chb.ch2 2clcl2 2無同分異構體無同分異構體c.chclc.chcl3 3無同分異構體無同分異構體 d.cd.ch h鍵的鍵參數(shù)相同鍵的鍵參數(shù)相同 （2 2）晶體結構）晶體結構3.3.甲烷的性質：甲烷的性質：（1 1）取代反應）取代反應 取代反應的概念取代反應的概念甲烷的鹵代：甲烷的鹵代： a.a.甲烷氯代的化學反應方程式：甲烷氯代的化學反應方程式： b.b.甲烷發(fā)生鹵代反應的條件：光照且鹵素單質為氣體甲烷發(fā)生鹵代反應的條件：光照且鹵素單質為氣體甲烷氯代反應的分析甲烷氯代反應的分析 a.a.反應的機理：反應的機理： b.b.有機產(chǎn)

18、物的特點：有機產(chǎn)物的特點： a.a.是否為混合物？是否為混合物？ b.b.各種有機產(chǎn)物的名稱和狀態(tài)、顏色各種有機產(chǎn)物的名稱和狀態(tài)、顏色 c.c.各種產(chǎn)物的物質的量之間的關系：各種產(chǎn)物的物質的量之間的關系： a. a. n n(hcl(hcl) )最大，且最大，且 n n(hcl(hcl)=)= n n(cl(cl2 2) )b.b.n n(ch(ch4 4)=)= n n(ch(ch3 3cl)+cl)+ n n(ch(ch2 2clcl2 2)+)+ n n(chcl(chcl3 3)+)+ n n(ccl(ccl4 4) )c c、n n(hcl(hcl)=)=n n(ch(ch3 3cl

19、)+2cl)+2n n(ch(ch2 2clcl2 2)+3)+3n n(chcl(chcl3 3)+4)+4 n n(ccl(ccl4 4) )甲烷氯代反應實驗的現(xiàn)象甲烷氯代反應實驗的現(xiàn)象 a.a.混合氣體的顏色：混合氣體的顏色： b.b.產(chǎn)物的狀態(tài)：產(chǎn)物的狀態(tài)： c.c.產(chǎn)物產(chǎn)物hclhcl的水溶性：的水溶性：（2 2）裂解反應）裂解反應甲烷常溫時很穩(wěn)定，高溫時可斷鍵甲烷常溫時很穩(wěn)定，高溫時可斷鍵甲烷的高溫裂解反應方程式：甲烷的高溫裂解反應方程式：以上反應的溫度高低比較：以上反應的溫度高低比較： （3 3）燃燒）燃燒反應方程式：反應方程式：點燃甲烷時的注意事項：點燃甲烷時的注意事項：甲烷燃

20、燒的現(xiàn)象：甲烷燃燒的現(xiàn)象： a.a.火焰顏色火焰顏色淡藍色、煙淡藍色、煙無煙或很淡的煙無煙或很淡的煙b.b.分析原因分析原因4.4.甲烷的制備：甲烷的制備：（1 1）工業(yè)制備）工業(yè)制備 （2 2）實驗室制備）實驗室制備 藥品：無水藥品：無水chch3 3coonacoona和堿石灰和堿石灰反應原理：（主反應、副反應以及反應的類型）反應原理：（主反應、副反應以及反應的類型） a.a.主反應方程式：主反應方程式： b.b.副反應方程式：副反應方程式： c.c.是否為取代反應？是否為取代反應？堿石灰中的堿石灰中的caocao的作用：的作用： a.a.提供反應物提供反應物 b.b.疏松導氣疏松導氣氣體

21、發(fā)生裝置：同于氣體發(fā)生裝置：同于o o2 2、nhnh3 3 氣體收集方法：同氣體收集方法：同h h2 2、o o2 2、nhnh3 3比較比較 性質驗證實驗：性質驗證實驗： a.a.不能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪色不能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪色 b.b.不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色 c.c.點燃燃燒：通過對產(chǎn)物的定性分析驗證甲烷的元素點燃燃燒：通過對產(chǎn)物的定性分析驗證甲烷的元素 組成組成 尾氣處理：點燃燃燒尾氣處理：點燃燃燒 實驗室制甲烷反應原理的應用：實驗室制甲烷反應原理的應用：5.5.甲烷的用途：甲烷的用途： 一、 烷烴的組成、結構和性質1.1.烷烴的組成：烷烴

22、的組成：（1）元素組成 （2）分子組成（通式）（3）質量組成 2.2.烷烴的結構特點：烷烴的結構特點：（1）分子結構 （2）晶體結構 3.3.烷烴的性質特點：烷烴的性質特點：（1）取代反應一元取代產(chǎn)物的判斷與書寫一元取代產(chǎn)物的判斷與書寫二元取代產(chǎn)物的判斷與書寫二元取代產(chǎn)物的判斷與書寫氣態(tài)烷烴不能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪色氣態(tài)烷烴不能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪色液態(tài)烷烴不能因反應使溴水褪色，液態(tài)烷烴不能因反應使溴水褪色， 但能因萃取而使溴水褪色但能因萃取而使溴水褪色 （2）裂解反應c8h18的均裂的均裂c4h10的裂解的裂解c4h10裂解后所得混合氣體平均分子量的計算裂解后所得混合氣體平均分子

23、量的計算（3）氧化反應烷烴不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色烷烴不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色c4h10催化氧化制催化氧化制ch3cooh烷烴的燃燒：用通式書寫烷烴的燃燒：用通式書寫烴烴c cx xh hy y燃燒的相關計算燃燒的相關計算 a.a.燃燒后生成的燃燒后生成的coco2 2和和h h2 2o o（g g）的體積比為）的體積比為a ab b 最簡式為：cah2b 分子式為：(cah2b)n b. b.燃燒前后混合氣體的體積不變燃燒前后混合氣體的體積不變 分子式為：分子式為：cxh4 具體為：ch4、c2h4、c3h4 c. c.燃燒后生成的燃燒后生成的coco2 2和和h h2 2o o（g g）被）被naohnaoh溶液或溶液或 nana2 2o o2 2固體充分吸收固體充分吸收 討論計算討論計算4.4.常見的氣態(tài)烷烴：常見的氣態(tài)烷烴： chch4 4、c c2 2h h6 6、c c3 3h h8 8、chch3 3chch2 2chch2 2chch3 3、ch(chch(ch3 3) )3 3、c(chc(ch3 3) )4 45.5.烷烴的物理性質：熔點、沸點的遞變規(guī)律烷烴的物理性質：熔點、沸點的遞變規(guī)律三、烷烴的命名系統(tǒng)命名法 1.1.取代基：取代基：（1）烴基 （2）烴名 （3）甲基、乙基的電子式