第一章认识有机化合物1-4教科书

化学选修5有机化学基础-1-第一章认识有机化合物碳元素在自然界中的含量较少，在地壳中所占质量分数仅为0．087％。但在已发现或人工合成的两千多万种的物质中，大部分是含碳元素的有机化合物，简称有机物。例如，粮食中的淀粉，木材中的纤维素，动植物体内的蛋白质，石油和天然气中的各种碳氢化合物等。它们对于人类的健康、丰富人类的物质生活、科学技术的进步和社会经济的发展都有着十分重要的作用。由于有机化合物特定的化学组成和结构，导致了其在物理性质和化学性质上的特殊性。研究有机物的组成、结构、性质、制备方法与应用的科学叫有机化学。1有机化合物的分类有机化合物从结构上有两种分类方法：一是按照构成有机化合物分子的碳的骨架来分类；二是按反映有机化合物特性的特定原子团来分类。一、按碳的骨架分类按碳原子组成的分子骨架，有机化合物可分为链状化合物(如丁烷)和环状化合物，环状化合物又包括脂环化合物(如环己烷)和芳香化合物(如苯)。人们往往又将链状烃和脂环烃统称为脂肪烃。化学选修5有机化学基础-2-二、按官能团分类烃分子里的氢原子可以被其他原子或原子团所取代，衍生出一系列新的化合物。如CH4中的氢原子被氯原子取代得到CH3Cl，CH3Cl还可以经过化学反应转变为其他有机化合物，如甲醇(CH3OH)、乙酸(CH3COOH)等。这些化合物从结构上看，都可以看作是烃的衍生物。甲烷在常温下为气体，几乎不溶于水。甲醇沸点较高，常温下为液体，和水能以任意比例相互混溶；甲醇还能与羧酸反应生成酯。甲醇的这些特性取决于甲醇分子中含有的氢氧形成的原子团——羟基(—OH)，决定化合物特殊性质的原子或原子团叫官能团。由于双键和三键决定了烯烃和炔烃的化学性质，也被看成是一种官能团。表1—1列出了常见有机物的类别和官能团。学与问按官能团的不同可以对有机物进行分类，你能指出下列有机物的类别吗?化学选修5有机化学基础-3-表l一1有机物的主要类别、官能团和典型代表物化学选修5有机化学基础-4-习题1．下列物质中不属于有机物的是()。A．氰化钠(NaCN)B．醋酸(CH3COOH)C．乙炔(C2H2)D．碳化硅(SiC)2．当前在人类已知的化合物中，品种最多的是()。A．VA族元素的化合物B．ⅢB族元素的化合物C．过渡元素的化合物D．ⅣA族元素的化合物3．请你按官能团的不同对下列有机物进行分类：(1)CH3CH＝CH2；(2)HC≡C—CH2CH3；(6)CC14。化学选修5有机化学基础-5-2有机化合物的结构特点仅由氧元素和氢元素构成的化合物，至今只发现了两种：H2O和H2O2，而仅由碳元素和氢元素构成的化合物却超过了几百万种，形成了极其庞大的含碳元素的化合物“家族”，这与碳原子的成键特点和碳原子间的结合方式有关。一、有机化合物中碳原子的成键特点碳原子最外层有4个电子，不易失去或获得电子而形成阳离子或阴离子。碳原子通过共价键与氢、氧、氮、硫、磷等多种非金属形成共价化合物。科学实验证明，甲烷分子里，1个碳原子与4个氢原子形成4个共价键，构成以碳原子为中心，4个氢原子位于四个顶点的正四面体立体结构。电子式结构式正四面体结构示意图球棍模型比例模型图1—1甲烷分子的电子式、结构式、正四面体结构示意图、球棍模型和比例模型科学实验还表明：在甲烷分子里，4个碳氢键是等同的，它们的键长均为109．3pm（1pm＝10—12m），两个碳氢键间的夹角均为109°28′，键化学选修5有机化学基础-6-能为413．4kJ／mol。由于碳原子的成键特点，每个碳原子不仅能与氢原子或其他原子形成4个共价键，而且碳原子之间也能以共价键相结合。碳原子间不仅可以形成稳定的单键，还可以形成稳定的双键或三键。多个碳原子可以相互结合成长短不一的碳链，碳链也可以带有支链，还可以结合成碳环，碳链和碳环也可以相互结合。因此，含有原子种类相同，每种原子数目也相同的分子，其原子可能具有多种不同的结合方式，形成具有不同结构的分子。资料卡片键长：成键的2个原子，原子核间的距离称为键长。键角：分子中1个原子与另外2个原子形成的两个共价键在空间的夹角称为键角。键能：以共价键结合的双原子分子，裂解成原子时所吸收的能量称为该种共价键的键能，键能越大，化学键越稳定。科学视野碳原子的sp3杂化与甲烷的结构甲烷分子具有正四面体结构，它为什么会具有这样的结构呢?我们已经知道，多电子原子的核外电子的能量是不同的。按电子的能量差异，可以将核外电子分成不同的能层(即电子层)。理论研究还证明，多电子原子中，同一能层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成能级，并用符号ns、np等表示。例如，第一能层有1个能级(1s)，第二能层有2个能级(2s和2p)，等等。当电子在不同的能级里运动时，其运动区域是不同的。人们根据电子的能量差异和运动区域的不同，认为核外电子分别处在不同的轨道上运动，并用s、p等来表示不同形状的轨道(如化学选修5有机化学基础-7-图1—2)。在每个轨道里最多只能容纳2个电子。在碳原子里，核外的6个电子中2个电子占据了1s轨道，2个电子占据了2s轨道，2个电子占据了2p轨道。图1—2s和p轨道当碳原子跟4个氢原子形成甲烷时，碳原子的1个2s轨道和3个2p轨道会发生混杂，混杂后保持原有轨道总数不变，却得到4个相同的轨道，夹角都是109°28′，称为sp3杂化轨道(如图1—3)。碳原子的sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道沿轨道对称轴重叠形成了碳氢σ键，这就构成了甲烷分子的正四面体结构。化学选修5有机化学基础-8-图1—3sp3杂化轨道烷烃分子是由碳氢和碳碳σ键组成的。σ键的强度较大，组成σ键的两个原子可以围绕键轴旋转，不影响键的强度。二、有机化合物的同分异构现象思考与交流1．以组成为C5H12的戊烷的三种同分异构体为例，回忆有关同分异构体知识。2．思考讨论并完成下表。物质名称正戊烷异戊烷新戊烷结构式相同点不同点化合物具有相同的分子式，但结构不同，因而产生了性质上的差异，这种现象叫同分异构现象。具有同分异构现象的化合物互为同分异构体。在有机化合物中，当碳原子数目增多时，同分异构体的数目也就越多。同分异构现象在有机化合物中十分普遍，这也是有机化合物在自然界数目非常庞大的一个原因。化学选修5有机化学基础-9-这种由于碳链骨架不同，产生的异构现象称为碳链异构。烷烃中的同分异构体均为碳链异构。在丁烯(C4H8)分子里，含有碳碳双键，由于双键在碳链中位置不同产生的同分异构现象叫位置异构。如：1—丁烯2—丁烯若烯烃分子中的碳链存在着支链，还可以形成碳链异构。如：2—甲基丙烯1—丁烯、2—丁烯、2—甲基丙烯的分子式均为C4H8，它们互为同分异构体。如果有机物分子式相同，但具有不同官能团的同分异构体叫官能团异构，如乙醇和二甲醚：乙醇二甲醚学与问己烷(C6H14)有5种同分异构体，你能写出它们的结构式吗?你能写出C3H6的同分异构体吗?资料卡片结构式、结构简式和键线式有机化合物的组成、结构可以用结构式、结构简式和键线式表示。有化学选修5有机化学基础-10-机物分子中原子间的一对共用电子(一个共价键)用一根短线表示，将有机物分子中的原子连接起来，称为结构式。如乙醛的结构式：如果省略碳碳单键或碳氢单键等短线，成为结构简式。如乙酸的结构简式：CH3COOH。如果将碳、氢元素符号省略，只表示分子中键的连接情况，每个拐点或终点均表示有一个碳原子，称为键线式。如丙烯的键线式：科学史话碳价四面体学说的创始人——雅科比·亨利克·范特霍夫荷兰化学家雅科比·亨利克·范特霍夫在上中学时就非常爱好化学，他经常积攒起父母给的零用钱购买一些实验用的药品和仪器，进行家庭小实验。在早期的有机化合物结构理论中，认为有机化合物的分子结构都是平面形的，即分子中所有的原子都处在同一平面内。例如，甲烷的碳原子和氢原子都在同一平面上。但是这种结构理论无法解释下列现象，如果甲烷的两个氢原子被两个氯原子取代得到二氯甲烷，按照平面结构理论，应当有两个异构体：实验事实证明，组成为CH2Cl2的分子不存在异构体。化学选修5有机化学基础-11-范特霍夫于1874年发表了《空间化学引论》，提出了一种新观点，他认为建立在平面结构基础上的化合物的结构式并不能反映它的真实结构，他提出在甲烷中，碳的四个价键指向四面体的顶点，碳原子位于四面体的中心，氢原子位于四个顶点上。像二氯甲烷这样的有机物，它的四面体模型只有一个①(你可以做个模型检验一下这个结论)。如果甲烷的四个氢原子被四个不同的原子取代，例如，氯溴碘代甲烷，它的异构体的数目就有两个，就像人的左右手似的(你相信吗?你也可以做个模型检验一下)。范特霍夫的假说被许多实验事实所证实，他的碳价四面体学说还解释了一些当时弄不清的异构现象。与此同时，法国化学家勒·贝尔也持有相同的观点。他们二人共同奠定了有机化合物三维空间结构学说的基础，这就是范特霍夫—勒·贝尔碳价四面体学说。由于范特霍夫在化学研究上的贡献，他于1901年获诺贝尔化学奖，成为第一位获得诺贝尔奖的化学家。习题1．碳原子最外电子层含有个电子，1个碳原子可以跟其他非金属原子形成个键，碳原子之间也能以共价键相结合，形成键、键或键，连接①在立体结构式中，实线表示该键在纸平面上，实楔形线表示该键在纸平面前方，虚线表示该键在纸平面后方。化学选修5有机化学基础-12-成稳定的长短不一的碳链或含碳原子数目不等的碳环，从而导致有机物种类纷繁，数量庞大。2．下列几种结构简式代表了种不同的烃。3．下列各组物质中，属于同分异构体的是()。4．烷烃C5H12的一种同分异构体只能生成一种一氯代物，试写出这种异构体的结构简式。5．有机物CH3CH3、CH3CH＝CH2、CH3CH2C≡CH、CH3C≡CH、C6H6、中，与乙烯互为同系物的是和。化学选修5有机化学基础-13-3有机化合物的命名有机化合物结构复杂，种类繁多，普遍存在着同分异构现象。为了使每一种有机化合物对应一个名称，按照一定的原则和方法，对每一种有机化合物进行命名是最有效的科学方法。烷烃的命名是有机化合物命名的基础，其他有机物的命名原则是在烷烃命名原则的基础上延伸出来的。一、烷烃的命名烃分子失去一个氢原子所剩余的原子团叫做烃基。烷烃失去一个氢原子剩余的原子团就叫烷基，以英文缩写字母R表示。例如，甲烷分子失去一个氢原子后剩余的原子团“—CH3”叫做甲基，乙烷(CH3CH3)分子失去一个氢原子后剩余的原子团“—CH2CH3”叫做乙基。学与问烷烃的同分异构体随着碳原子数目的增多而增多，并且烃基数目也会增多。你能写出丙烷(CH3CH2CH3)分子失去一个氢原子后的烃基的结构简式吗?烷烃可以根据分子里所含碳原子数目来命名。碳原子数在十以内的用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸来表示。例如，CH4叫甲烷，C5H12叫戊烷。碳原子数在十以上的用数字来表示。例如，C17H36叫十七烷。前面提到的戊烷的三种异构体，可用“正”“异”“新”来区别，这种命名方法叫习惯命名法。由于烷烃分子中碳原子数目越多，结构越复杂，同分异构体的数目也越多，习惯命名法在实际应用上有很大的局限性。因此，在有机化学中广泛采用系统命名法。下面以带支链的烷烃为例，初步介绍化学选修5有机化学基础-14-系统命名法的命名步骤。(1)选定分子中最长的碳链为主链，按主链中碳原子数目称作“某烷”。(2)选主链中离支链最近的一端为起点，用l，2，3等阿拉伯数字依次给主链上的各个碳原子编号定位，以确定支链在主链中的位置。例如：(3)将支链的名称写在主链名称的前面，在支链的前面用阿拉伯数字注明它在主链上所处的位置，并在数字与名称之间用一短线隔开。例如，用系统命名法对异戊烷命名：2—甲基丁烷(4)如果主链上有相同的支链，可以将支链合并起来，用“二”“三”等数字表示支链的个数。两个表示支链位置的阿拉伯数字之间需用“，”隔开。下面以2，3—二甲基己烷为例，对一般烷烃的命名可图示如下：如果主链上有几个不同的支链，把简单的写在前面，把复杂的写在后化学选修5有机化学基础-15-面。例如：2—甲基—4—乙基庚烷学与问请用系统命名法给新戊烷命名。二、烯烃和炔烃的命名前面