《高等有機(jī)化學(xué)》PPT課件.ppt

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高等有機(jī)化學(xué)AdvancedOrganicChemistry 課程說(shuō)明1 任課教師韓瑩副教授2 課時(shí)本課程共36學(xué)時(shí) 有機(jī)化學(xué) OrganicChemistry 1 有機(jī)化學(xué)研究的對(duì)象有機(jī)化學(xué)的研究對(duì)象是有機(jī)化合物 研究有機(jī)化合物的組成 結(jié)構(gòu) 性質(zhì) 合成 變化 以及伴隨這些變化所發(fā)生的一系列現(xiàn)象 2 有機(jī)化學(xué)發(fā)展歷程的回顧 1 利用公元770 780年 人們開(kāi)始利用來(lái)自動(dòng)植物體內(nèi)的物質(zhì) 例如 燒酒 糖 染料和藥物 2 提取1773年 尿素 1773 1785年 檸檬酸 乳酸 酒石酸 嗎啡 元素測(cè)定 生活力學(xué)說(shuō) 有機(jī)化學(xué) 3 合成19世紀(jì)中葉 用無(wú)機(jī)物氰酸銨 NH4CNO 首次合成尿素 乙酸 油脂 生活力學(xué)說(shuō)被否定 4 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)一維 二維 三維 5 有機(jī)化學(xué)的近代發(fā)展借助于近代物理學(xué)的進(jìn)展 有機(jī)化學(xué)得到長(zhǎng)足的發(fā)展 不僅在實(shí)驗(yàn)室里分離和提取了一系列天然有機(jī)產(chǎn)物 而且還合成出一些自然界未曾發(fā)現(xiàn)的化合物 并逐步興起了有機(jī)合成化學(xué)工業(yè) 尤其以染料和制藥工業(yè)最為突出 20世紀(jì)30年代 隨著石油等天然資源的開(kāi)發(fā)和利用 世界進(jìn)入了合成高分子材料的新時(shí)代 目前 隨著結(jié)構(gòu)理論和化學(xué)反應(yīng)理論以及計(jì)算機(jī) 激光 磁共振和重組DNA技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展 有機(jī)化學(xué)對(duì)分子水平的掌握日益得心應(yīng)手 能夠按照某種特定需要 在分子水平上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和進(jìn)行制備 并由此形成了化學(xué)發(fā)展的一個(gè)新方向 分子工程學(xué) 3 21世紀(jì)有機(jī)化學(xué)的展望 1 走出純化學(xué) 進(jìn)入大科學(xué)當(dāng)生物化學(xué)和藥物化學(xué)徹底脫離有機(jī)化學(xué)后 化學(xué)家則把興趣更多地轉(zhuǎn)向獲得結(jié)構(gòu)奇特或曇花一現(xiàn)的分子 較少象生物學(xué)家那樣發(fā)揮想象力 探索其有時(shí)是捉摸不定的功能 隨著20世紀(jì)的過(guò)去 化學(xué)知識(shí)和化學(xué)生產(chǎn)的普及和發(fā)展 數(shù)學(xué) 物理的進(jìn)展 一些在此基礎(chǔ)上綜合發(fā)展起來(lái)的大科學(xué)開(kāi)始顯現(xiàn)出它們重要的地位 而這些大科學(xué)的發(fā)展 又反過(guò)來(lái)對(duì)化學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向 尤其是與信息時(shí)代相關(guān)的功能材料以及當(dāng)前可能更受人們重視的生命科學(xué) 都面臨著眾多的化學(xué)問(wèn)題亟待解決 要求化學(xué)家更多更積極的參與 如果說(shuō)生物學(xué)家致力于闡明生命的過(guò)程 那么化學(xué)家的使命就是研究如何調(diào)控這一過(guò)程 然而 化學(xué)雖然在20世紀(jì)有了飛躍的發(fā)展 但面對(duì)生命這樣復(fù)雜的體系 現(xiàn)有的化學(xué)知識(shí)是不敷應(yīng)用的 特別需要新化合物和新結(jié)構(gòu)的提供以及復(fù)雜體系中分子識(shí)別本質(zhì)的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累 2 迎接挑戰(zhàn) 發(fā)展化學(xué)21世紀(jì)初 化學(xué)發(fā)展的幾個(gè)重要方面可能為 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué) 如1999年諾貝爾獎(jiǎng)授予的飛秒化學(xué)等 分子識(shí)別 分子間的弱相互作用和分子聚集體化學(xué) 合成和組裝化學(xué)等 以合成為例 從科學(xué)發(fā)展的角度來(lái)看 合成化學(xué)是化學(xué)學(xué)科的核心 是未來(lái)化學(xué)家改造世界 創(chuàng)造社會(huì)的最有力的手段 創(chuàng)造新的合成反應(yīng)一直是化學(xué)界的熱點(diǎn) 多年來(lái)不少諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就是授予了合成化學(xué)家 最近20年SCI引用次數(shù)最多的50名化學(xué)家中約有1 3是從事合成化學(xué)的 200年來(lái)化學(xué)家不僅發(fā)現(xiàn)和合成了眾多天然存在的化合物 同時(shí)也人工創(chuàng)造了大量非天然的化合物 使得人類社會(huì)所有的化合物已達(dá)2230萬(wàn)個(gè) CA1999年12月10日收錄的化合物數(shù) 其增加速度從20世紀(jì)90年代前每年60多萬(wàn)個(gè)到今天幾個(gè)月100萬(wàn)個(gè) 隨著21世紀(jì)的到來(lái)和社會(huì)高科技的迅猛發(fā)展 要求合成化學(xué)家能夠更多地提供新型結(jié)構(gòu)和新型功能的化合物 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和組裝各種功能的分子聚集體 進(jìn)而制備高技術(shù)傳感器 仿生智能材料以及分子電子器件 分子開(kāi)關(guān)等新材料 生命科學(xué)研究進(jìn)入到分子水平 需要化學(xué)的參與 需要合成研究的參與 材料科學(xué) 環(huán)境 能源乃至信息科學(xué)都對(duì)化學(xué)提出了諸多挑戰(zhàn) 大科學(xué)正在召喚著化學(xué) 走出純化學(xué) 進(jìn)入大科學(xué) 迎接挑戰(zhàn) 發(fā)展化學(xué) 超越前人 閃耀輝煌 4 有機(jī)化學(xué)發(fā)展前沿和研究熱點(diǎn)在有機(jī)化學(xué)的發(fā)展過(guò)程中 逐步形成了有機(jī)合成化學(xué) 天然有機(jī)化學(xué) 生物有機(jī)化學(xué) 金屬與元素有機(jī)化學(xué) 物理有機(jī)化學(xué)以及有機(jī)物分離分析等領(lǐng)域 這些領(lǐng)域在各自的成長(zhǎng)過(guò)程中相互滲透 相互依靠并相互促進(jìn) 為有機(jī)化學(xué)學(xué)科的繁榮發(fā)展作出重要的貢獻(xiàn) 有機(jī)合成化學(xué) 有機(jī)合成的基礎(chǔ)是各種各樣的基元合成反應(yīng) 發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)或用新的試劑或技術(shù)改善提高已有的反應(yīng)的效率和選擇性是發(fā)展有機(jī)合成的主要途徑 高選擇性試劑和反應(yīng)是有機(jī)合成化學(xué)中最主要的研究課題之一 其中包括化學(xué)和區(qū)域選擇控制 立體選擇性控制和不對(duì)稱合成等 復(fù)雜有機(jī)分子的全合成一直是最受關(guān)注的領(lǐng)域 與生物科學(xué)相結(jié)合 重視分子的功能則是合成化學(xué)家的新熱點(diǎn) 天然有機(jī)化學(xué) 天然有機(jī)化學(xué)是研究動(dòng)植物及生物體內(nèi)源性生理活性物質(zhì)的有機(jī)化學(xué) 目的是希望發(fā)掘有生理活性的天然化合物 作為發(fā)展新藥先導(dǎo)化合物 或者直接用于臨床或?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù) 天然有機(jī)化學(xué)是植物化學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué) 藥物化學(xué) 農(nóng)業(yè)化學(xué)的基礎(chǔ) 同時(shí) 天然有機(jī)化學(xué)的研究為有機(jī)化合物新的分離分析方法 新的專一性和立體選擇性合成方法和立體化學(xué)等方面作出了重要貢獻(xiàn) 生物有機(jī)化學(xué) 生物有機(jī)化學(xué)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的一門生物化學(xué)和有機(jī)化學(xué)之間的邊緣學(xué)科 一方面 應(yīng)用有機(jī)化學(xué)的結(jié)構(gòu)理論 基團(tuán)相互作用理論 有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)理論 以及應(yīng)用有機(jī)化學(xué)研究方法 在分子水平上研究生物分子的化學(xué)變化和反應(yīng)規(guī)律 另一方面 通過(guò)模擬生物體系的化學(xué)變化 建立有機(jī)化學(xué)研究新體系 反應(yīng)機(jī)理和有機(jī)合成新方法等 元素有機(jī)化學(xué)和金屬有機(jī)化學(xué) 元素有機(jī)化學(xué)是當(dāng)代有機(jī)化學(xué)研究中最為活躍的領(lǐng)域之一 有機(jī)磷化學(xué) 有機(jī)氟化學(xué) 有機(jī)硼化學(xué)和有機(jī)硅化學(xué)是當(dāng)前元素有機(jī)化學(xué)中四個(gè)主要支柱 金屬有機(jī)化學(xué)是近代化學(xué)前沿領(lǐng)域之一 金屬有機(jī)化合物的合成 結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性能的研究以及新型基元反應(yīng)的開(kāi)發(fā)和以有機(jī)合成為目標(biāo)的金屬有機(jī)化學(xué)都是金屬有機(jī)化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容 物理有機(jī)化學(xué)主要是通過(guò)現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)方法與理論計(jì)算方法研究有機(jī)分子結(jié)構(gòu)及其物理 化學(xué)性能之間的關(guān)系 闡明有機(jī)化學(xué)的反應(yīng)機(jī)理 有機(jī)化學(xué)反應(yīng)途徑的宏觀和微觀細(xì)節(jié)是物理有機(jī)化學(xué)的核心課題之一 而生命科學(xué)中的物理有機(jī)化學(xué)研究 則包括主 客體化學(xué)中的模擬酶催化反應(yīng) 主體分子提供的微環(huán)境可控制反應(yīng) 主體分子對(duì)客體分子的識(shí)別作用以及疏水親脂作用等 物理有機(jī)化學(xué) 有機(jī)物的分離和分析是人類認(rèn)識(shí)和改造有機(jī)物質(zhì)世界的重要手段 在有機(jī)化學(xué)發(fā)展的各個(gè)重要?dú)v史階段以及有機(jī)化學(xué)在與其他學(xué)科相互滲透的主要界面點(diǎn)上 有機(jī)物的分離和分析都起到了關(guān)鍵性的作用 而分離和分析緊密結(jié)合是有機(jī)分析的一大特色 有機(jī)化合物的分離和分析 藥物化學(xué) 農(nóng)藥化學(xué) 有機(jī)功能材料 香料化學(xué) 石油化工產(chǎn)品的深度加工和農(nóng)林牧資源及工農(nóng)業(yè)廢棄物的高值化 新型藥物 新農(nóng)藥 有機(jī)功能材料及香料新品種的創(chuàng)制將帶動(dòng)分子設(shè)計(jì) 有機(jī)合成 立體化學(xué) 構(gòu)效關(guān)系等研究水平的提高 而農(nóng)副產(chǎn)品加工中的廢棄物的高值化將會(huì)是有機(jī)化學(xué)的有發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域 有機(jī)化學(xué)中的重要應(yīng)用研究 高等有機(jī)化學(xué) 參考書 1 AdvancedOrganicChemistry 4thEdition FrancisA CareyandRichardJ Sundberg 2001 2 AdvancedOrganicChemistry 1thEdition 中譯本 FrancisA CareyandRichardJ Sundberg 1984 3 物理有機(jī)化學(xué) 上 下 高振衡編 高等教育出版社 4 高等有機(jī)化學(xué) 汪秋安編 化學(xué)工業(yè)出版社 高等有機(jī)化學(xué) 高等有機(jī)化學(xué)又名物理有機(jī)和理論有機(jī)化學(xué)研究對(duì)象 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)以及有機(jī)化合物在反應(yīng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變化 研究有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件對(duì)有機(jī)化合物的物理 化學(xué)性能的影響以及化學(xué)反應(yīng)歷程 它的理論基礎(chǔ)主要是量子化學(xué)和以此為依據(jù)的化學(xué)鍵理論和電子理論 高等有機(jī)化學(xué) 通過(guò)對(duì)一般典型有機(jī)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及典型反應(yīng)歷程的研究 使有機(jī)合成化學(xué)家有可能運(yùn)用這些理性認(rèn)識(shí)來(lái)推測(cè)未知有機(jī)物極其在反應(yīng)中的內(nèi)在聯(lián)系 從而有利于設(shè)計(jì)具有特殊性能的新化合物 考慮合成中的最好原料和最理想的合成路線等 學(xué)習(xí)方法介紹 有機(jī)化學(xué)是化學(xué)專業(yè)四大基礎(chǔ)課之一 因此 對(duì)化學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng) 非常注重他們有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)識(shí)水平 促使形成有機(jī)化學(xué)學(xué)科的思維方式 高等有機(jī)化學(xué)又是在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)上 對(duì)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)在理論水平上有更深入的理解 以利于提高我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中靈活應(yīng)用的能力 但如果我們學(xué)習(xí)僅僅是死記硬背幾個(gè)反應(yīng)式的話 那將在做一件毫無(wú)意義的事情 決不是我們學(xué)習(xí)高等有機(jī)化學(xué)的目的 我們?cè)趯W(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)采取哪些可行的學(xué)習(xí)方法呢 復(fù)習(xí)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的知識(shí)這一點(diǎn)的大家學(xué)習(xí)好 高等有機(jī)化學(xué) 的基礎(chǔ) 因?yàn)?高等有機(jī)化學(xué) 的學(xué)習(xí)是基礎(chǔ) 有機(jī)化學(xué) 的深入 深化 沒(méi)有基礎(chǔ) 我們是很難在有限的時(shí)間里讓同學(xué)們對(duì)某一問(wèn)題有更深刻的專業(yè)知識(shí)理解 要求大家至少要粗略地看一遍 例 有機(jī)反應(yīng)歷程 機(jī)理 1 定義描述某個(gè)反應(yīng)的逐步變化過(guò)程 即反應(yīng)分幾步進(jìn)行 有幾個(gè)基元反應(yīng) 每步反應(yīng)涉及那些鍵的斷裂 那些鍵的形成 哪一步是決定整個(gè)反應(yīng)速率的反應(yīng)定速步驟 反應(yīng)條件在其中起什么作用等一系列細(xì)節(jié) 2 共價(jià)鍵斷裂和形成過(guò)程中電子轉(zhuǎn)移的表示方法 表示一對(duì)電子的轉(zhuǎn)移 共價(jià)鍵的異裂彎箭頭從共價(jià)鍵的中部指向接受電子的原子 該原子得到一對(duì)孤電子對(duì) 形成負(fù)離子 形成新的共價(jià)鍵彎箭頭從孤電子對(duì)指向形成共價(jià)鍵的部位 其結(jié)果形成了新的共價(jià)鍵 表示單電子的轉(zhuǎn)移 共價(jià)鍵的均裂彎箭頭從共價(jià)鍵的中部指向接受電子的原子 該原子得到一個(gè)電子 形成自由基 例如 3 類型 一步反應(yīng) 經(jīng)過(guò)過(guò)渡態(tài) transitionstate 反應(yīng)物過(guò)渡態(tài)生成物 一步反應(yīng)勢(shì)能變化示意圖 兩步反應(yīng) 生成反應(yīng)的活性中間體 reactiveintermediate 反應(yīng)物中間體產(chǎn)物 慢 兩步反應(yīng)勢(shì)能變化示意圖 反應(yīng)物 中間體或過(guò)渡態(tài) 生成物 在共價(jià)鍵斷裂和形成的同時(shí) 碳原子的雜化狀態(tài)也發(fā)生改變 影響反應(yīng)的因素 形成過(guò)渡態(tài)所需活化能 反應(yīng)物反應(yīng)活性與中間體的穩(wěn)定性 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系 結(jié)構(gòu)決定性質(zhì) 性質(zhì)又為結(jié)構(gòu)的探索和確定提供線索和依據(jù) 有機(jī)化學(xué)的核心問(wèn)題之一就是研究和掌握有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特征及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系 結(jié)構(gòu) 決定 性質(zhì) 反映 近代結(jié)構(gòu)理論 要敢于花時(shí)間和精力每一門學(xué)科都有自己的專業(yè)特點(diǎn) 高等有機(jī)化學(xué) 這門課程專業(yè)性強(qiáng) 在整個(gè)受化學(xué)教育的過(guò)程中 對(duì)提高化學(xué)水平有舉足輕重的作用 高等有機(jī)化學(xué) 內(nèi)容多 理論性強(qiáng) 而在一些具體的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中又綜錯(cuò)復(fù)雜 加之條件變化影響 沒(méi)有過(guò)硬的專業(yè)理論水平 是很難理解并正確認(rèn)識(shí)一些具體的有機(jī)化學(xué)的 因此要敢于花時(shí)間和精力學(xué)好 高等有機(jī)化學(xué) 讓自己的化學(xué)水平真正上一個(gè)臺(tái)階 學(xué)會(huì)理解并記憶有機(jī)化學(xué)理論的知識(shí) 并靈活應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí) 理解記憶在哪一門學(xué)科都是重要的 但對(duì)學(xué)習(xí) 高等有機(jī)化學(xué) 特別顯得突出 也只有理解記憶后 才能融會(huì)貫通 舉一反三 舉兩個(gè)例子作簡(jiǎn)單的說(shuō)明 1 對(duì)馬氏規(guī)則的認(rèn)識(shí) 2 乙醇在不同條件下成醚或成烯 例 馬氏規(guī)則 鹵化氫等極性試劑與不對(duì)稱烯的離子型加成反應(yīng) 氫原子加在含氫較多的雙鍵碳原子上 鹵素 其它親核性原子或基團(tuán)加在含氫較少的雙鍵碳原子上 這種取向稱為馬爾科夫尼科夫規(guī)則 簡(jiǎn)稱馬氏規(guī)則 馬氏規(guī)則是一種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 應(yīng)在具體的反應(yīng)中作具體分析 該為死記硬背的方法 換一個(gè)思路 若我們知道 烯烴親電加成反應(yīng)一般分兩步進(jìn)行 第一步 烯烴接受親電試劑的進(jìn)攻生成正離子中間體 第二步 正離子與親核物種結(jié)合 有的反應(yīng)在第一步生成的正離子為結(jié)構(gòu)特殊的三元環(huán)狀正離子 鎓離子 如Br2與烯烴加成生成溴鎓正離子 第二步 Br 從背后進(jìn)攻 生成反式加成產(chǎn)物 該兩步反應(yīng)的第一步是決定速度的步驟 酸與烯烴加成的位置與形成碳正離子的穩(wěn)定性有關(guān) iii 比 iv 穩(wěn)定 乙醇的成醚或成烯反應(yīng)實(shí)際上涉及到親核取代反應(yīng)和消去反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng) 高溫有利于消去反應(yīng) 例 乙醇在不同條件下成醚或成烯 高等有機(jī)化學(xué)的研究?jī)?nèi)容與目的 高等有機(jī)化學(xué)是有機(jī)化學(xué)的核心部分 core 高等有機(jī)化學(xué) 分子結(jié)構(gòu)的基本概念 含碳化合物的反應(yīng)性 反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化 反應(yīng)機(jī)理 揭示反應(yīng)的本質(zhì) 內(nèi)在規(guī)律 把有機(jī)反應(yīng)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái) 結(jié)構(gòu) 高等有機(jī)化學(xué) 機(jī)理 合成