应用有机化学绪论

1、绪 论,应用有机化学,研究有机化合物的化学，即研究有机化合物的来源、制备、结构、性能、应用以及有关理论和方法的科学。,一、有机化学定义：,建立有机化合物结构理论 (19世纪60年代),建立立体化学 (19世纪70年代),各分支学科的形成 (19世纪以后),分析天然有机化合物 (18世纪末19世纪初),人工合成有机物 (19世纪初),利用天然有机物 (18世纪前),分离天然有机化合物 (18世纪末),二、有机化学发展历史,瑞典化学家舍勒(17421786)首次从事天然产物的分离和有机合成，鉴定了氧和氯两种元素并把结晶操作用于一些植物的提取物，如从葡萄分离了酒石酸，从柠檬分离了柠檬酸，以及乳酸、尿酸、草酸、甘油等，又从糖的氧化得到草酸，从而开始了有机化学的系统研究。,“有机化学”这一名词于1806年首次由贝采利乌斯提出。当时是作为“无机化学”的对立物而命名的。19世纪初，许多化学家相信，在生物体内由于存在所谓“生命力”，才能产生有机化合物，而在实验室里是不能由无机化合物合成的。,贝采利乌斯(Berzelius, Jons Jacob, 1779-1848) 瑞典的化学大师，十九世纪上半叶化

2、学权威。由外祖父和姨母教养成人,十八岁进入乌普萨拉大学医学系，半工半读，业余攻读化学，1802年获得医学博士学位。毕业后担任斯德哥尔摩大学助教，同时从事电化学的研究。1807年被提升为教授。1808年当选为斯德哥尔摩科学院院士，1818年当选为科学院秘书。他又是英国皇家学会会员和被得堡科学院名誉院士。他的研究工作横跨许多领域。培养了许多学生：例如第一个合成尿素的维勒(Wohler)、在铁矿中发现新元素锂(lithium)的亚维森(Arfwedson)、发现新元素钒(vanadium)的沙弗斯顿(Sefstrom)、发现新元素斓(lanthanum)的孟珊乐(Mosander)、发现新元素鈇(holmium) 与锰(thulium)的尼尔逊(Nilsson)等。,1824年，德国化学家维勒从氰经水解制得草酸；1828年他无意中用加热的方法又使氰酸铵转化为尿素。氰和氰酸铵都是无机化合物，而草酸和尿素都是有机化合物。维勒的实验结果给予“生命力”学说第一次冲击。此后，乙酸等有机化合物相继由碳、氢等元素合成，“生命力”学说才逐渐被人们抛弃。 从19世纪初到1858年提出价键概念之前是有机化学的萌

3、芽时期。在这个时期，已经分离出许多有机化合物，制备了一些衍生物，并对它们作了定性描述。,法国化学家拉瓦锡发现，有机化合物燃烧后，产生二氧化碳和水。他的研究工作为有机化合物元素定量分析奠定了基础。1830年，德国化学家李比希发展了碳、氢分析法，1833年法国化学家杜马建立了氮的分析法。这些有机定量分析法的建立使化学家能够求得一个化合物的实验式。,碳、氢分析 基本原理为让有机物在氧气流中燃烧，碳、氢分别氧化为二氧化碳和水，然后用无水高氯酸镁吸收水，用烧碱石棉吸收二氧化碳。由各吸收剂增加的重量分别计算碳和氢的含量。,氮分析基本原理是样品在高温下燃烧，燃烧过程中产生混合气体，其中的干扰成分被一系列适当的吸收剂所吸收，混合气体中的氮氧化物被全部还原成分子氮，随后氮的含量被检测器检测。,有机化合物分子中各原子是如何排列和结合: 最初，有机化学用二元说来解决有机化合物的结构问题。二元说认为一个化合物的分子可分为带正电荷的部分和带负电荷的部分，二者靠静电力结合在一起。 早期的化学家根据某些化学反应认为，有机化合物分子由在反应中保持不变的基团和在反应中起变化的基团按异性电荷的静电力结合。但这个学说本身有

4、很大的矛盾。,“类型说”由法国化学家热拉尔和洛朗建立。此说否认有机化合物是由带正电荷和带负电荷的基团组成，而认为有机化合物是由一些可以发生取代的母体化合物衍生的，因而可以按这些母体化合物来分类。类型说把众多有机化合物按不同类型分类，根据它们的类型不仅可以解释化合物的一些性质，而且能够预言一些新化合物。但类型说未能回答有机化合物的结构问题。,从1858年价键学说的建立，到1916年价键的电子理论的引入，是经典有机化学时期。,1858年，德国化学家凯库勒和英国化学家库珀等提出价键的概念，并第一次用短划“-”表示“键”。他们认为有机化合物分子是由其组成的原子通过键结合而成的。由于在所有已知的化合物中，一个氢原子只能与一个别的元素的原子结合，氢就选作价的单位。一种元素的价数就是能够与这种元素的一个原子结合的氢原子的个数。凯库勒还提出，在一个分子中碳原子之间可以互相结合这一重要的概念。,1848年巴斯德分离到两种酒石酸结晶，一种半面晶向左，一种半面晶向右。前者能使平面偏振光向左旋转，后者则使之向右旋转，角度相同。在对乳酸的研究中也遇到类似现象。为此，1874年法国化学家勒贝尔和荷兰化学家范托夫分

5、别提出一个新的概念，圆满地解释了这种异构现象。 他们认为：分子是个三维实体，碳的四个价键在空间是对称的，分别指向一个正四面体的四个顶点，碳原子则位于正四面体的中心。当碳原子与四个不同的原子或基团连接时，就产生一对异构体，它们互为实物和镜像，或左手和右手的手性关系，这一对化合物互为旋光异构体。勒贝尔和范托夫的学说，是有机化学中立体化学的基础。,1900年第一个自由基，三苯甲基自由基被发现，这是个长寿命的自由基。不稳定自由基的存在也于1929年得到了证实。,现代有机化学时期 在物理学家发现电子，并阐明原子结构的基础上，美国物理化学家路易斯等人于1916年提出价键的电子理论。 1927年以后，海特勒和伦敦等用量子力学，处理分子结构问题，建立了价键理论，为化学键提出了一个数学模型。后来马利肯用分子轨道理论处理分子结构，其结果与价键的电子理论所得的大体一致，由于计算简便，解决了许多当时不能回答的问题。,无机化学,有机化学,物理化学,高分子化学,分析化学,化学工程及工业化学,环境化学,化学,有机化学的分支,申报指南 国家自然基金委员会,精细化学品：凡能增进或赋于一种(类)产品以特定功能或本身拥有特

6、定功能的小批量，高纯度的化学品。 国外提出下将精细化学品分为35类： 医药、农药、合成染料、有机颜料、涂料、粘合剂、香料、化妆品、表面活性剂、印刷油墨、增塑剂、稳定剂、橡胶助剂、感光材料、催化剂、试剂、高分子凝聚剂、水处理剂、石油添加剂、食品添加剂、兽药、饲料添加剂、造纸化学品、金属表面处理剂、塑料助剂、汽车用化学品、芳香消臭剂、工业杀菌防霉剂、脂肪酸、健康食品、有机电子材料、功能高分子、生命化学品和生化酶、稀土金属化合物、精细陶瓷,三、有机化合物的应用,大宗化学品：数量大的化学品，如溶剂等,四、有机化学的发展前沿和研究热点 1 有机化学的重要分支： (1)有机合成化学 (2)金属有机化学和有机催化 (3)天然有机化学 (4)物理有机化学 (5)生物有机化学 (6)有机功能材料,有机功能材料的研究背景,20世纪70年代：发现有机导体 20世纪80年代：发现有机超导体 20世纪90年代：发现有机铁磁体和高效的有机发光材料 IUPAC认为基于有机（ 高 ）分子的光、电、磁功能材料的研究是21世纪化学的重要研究方向之一,有机化合物具有优良的分子剪裁性与可修饰性 (在坚固性与稳定性等方面具有明

7、显的缺点)。,2 有机功能材料的分类,有机功能材料主要研究功能有机分子和高分子的合成、组装及其凝聚态的结构，光电磁等物理功能和现象及其产生的机制，以及由此形成的有机和高分子功能材料在光电子、微电子等器件方面的应用，并探索实现新一代分子器件的方法和途径。,（1）有机半导体、光导体 有机半导体己有40多年的发展历史，对其电导、光导和其他物 理性能及结构进行了详细研究。 虽然现有理论对无机半导体材料的研究和应用探索等方面起了 指导作用，并己被实践证明是成功的，但在解释有机半导体和 光导体现象上仍有许多不适用的地方，主要原因是有机固体在 化学上和结构上往往较复杂，所以有机半导体理论还有待于进 一步发展。,有机光导体最成功的应用例子是作为复印机和激光打印机的光导鼓材料。据报道，在日本激光打印机产品中有机材料占了90以上。 此外，有机半导体材料正逐步被用于大屏幕显示、各种敏感元件、开关元件、光盘及太阳能电池等方面。,（2）有机导体和有机超导体,1973年，美国科学家发现有机晶体TTFTCNQ具有金属电导性以来，有机导体的研究得到了飞速发展。 这类有机导体都属于电荷转移复合物类型，给体分子和受体分子

8、在晶体中面对面紧密有序堆砌成柱，沿着电子重叠方向有着类似金属性的电导。诸如电开关、温度显示和光盘等方面的研究已有了一定的进展。,TTF：四硫富瓦烯；,TCNQ：7,7,8,8-四氰基对苯醌二甲烷,1980年，有机超导体(TMTST)2PF6的出现震动了整个科学界，结束了多年来关于有机超导体是否存在的争议。 有机超导体的最高临界温度己超过了12K。特别是C60经掺杂，超导临界温度已达47K。 室温有机超导体是否存在以及它与生物神经传导和信息处理的可能关系，引起了广大科学家的极大兴趣和注意。 新的有机导体的设计、合成，提高有机超导体临界温度，试探高聚物超导体和室温超导体的可能性等仍是有机导体和有机超导体今后的研究方向。,（3）导电高聚物,1977年，由美国化学家MacDiarmid、物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa首先发现掺碘的聚乙炔具有金属特性，从此导电聚合物受到了各国科学家、产业界和政府的高度重视。导电高聚物的出现，不仅打破了聚合物仅为绝缘体的传统概念，为分子电子学打下基础，这方面的研究具有重要的科学意义。,导电高聚物的导电机理不同于金属和无机半导体。自由电子是金属导

9、电的载流子，电子和空穴是无机半导体的载流子，而导电高聚物的载流子是由孤立子、极化子和双极化子等构成。由于导电高聚物具有电子共轭结构，因此，导电高聚物都具有快速响应(10-13 S)。导电高聚物可以具有与金属相比拟的高电导率，同时具有结构多样化、可加工和相对密度低等特点。,（4）有机与高分子非线性光学材料,目前研究的有机非线性光学材料可分为三类：有机晶体、聚合物和LB 膜。 非线性有机晶体从其化学结构来分有五种：尿素及其衍生物；间二取代苯的衍生物；芳香硝基化合物；有机盐；聚二乙炔单晶。,在光通信、光信息处理方面有着较好的应用前景。,5有机铁磁体,6分子器件,. . . . . .,附件1： 与有机化学有关的著名期刊简介,1. Science,1880年，电灯的发明人、 世界最著名的科学家之一 托马斯爱迪生 (Thomas Alva Edison) 创办了Science 周刊。 如今， Science 周刊已成为世界上订户最多的综合性科学刊物。 Science 周刊每星期都以高超的编辑手段， 向世界各地的16万订户提供两种不同的科学信息：该星期有关科学和科学政策的最重要的新闻报道以及报告全

10、球科学研究最显著突破的精选论文。 在这个意义上， Science 周刊既是一个传统的学术刊物也是一个新闻杂志。,Publisher:the American Association for the Advancement of Science,(Impact factor:28.103),2. Nature,一共有十一种刊物在Nature 这个大家族里：周刊Nature（1869年创刊）；月刊Nature Genetics（1992创刊）；Nature Structural Biology (1994创刊)；Nature Medicine (1995创刊)； Nature Biotechnology（1996创刊）；,Nature Neuroscience (1998创刊)；Nature Cell Biology (1999创刊)；Nature Immunology (2000创刊)；及另外三份综述性期刊Nature Reviews Genetics, Nature Reviews Molecular Cell Biology and Nature Reviews Neuroscience (2000创刊)。创办这些期刊最主要的目的是要发表业界内最高质量的科学论文-任何有很大潜力的科学领域的文章。同时也发表一些评论性文章，新故事，简述等。投稿形式也可以是信件，新闻，综述等。,

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