有机物的结构与分类-讲义(习题+讲解)

中国教育领军品牌1/21环球雅思学校（宿州）辅导讲义学员编号：年级：课时数：学员姓名：辅导科目：学科教师：授课日期及时段教学目的1.掌握甲烷、乙烯、乙炔、苯分子的组成、结构和空间构型，理解有机物分子空间构型与分子内原子成键方式之间的联系。2.学会用结构式、结构简式、键线式表示常见有机物分子的结构。教学内容章节一有机物的结构与分类（A）——本章准备本专题由两个单元组成，第一单元“有机化合物体的结构突出了碳原子的成键特点，即有机化合物中碳原子的成键的三空间取向——四面体、平面三角形和直线形，并用杂化轨道理论对期作出了简单的解释；有机化合物结构的三种表示方法（结构式、结构简式和键线式）；最后介绍有机化合物的同分异构体。在第二单元“有机化合物的分类和命名”中，关于有机化合物的分类，重点介绍的是以官能团为依据的分类方法，简单介绍了其他两种分类方法；关于有机化合物的系统命名法。同时简单的介绍了习惯命名法的基本原则。——章节详解第一单元有机化合物的结构一.知识概念地图中国教育领军品牌2/21答案：1.+4；四；2.饱和；不饱和。3.可以；不能。4.四面体；共平面；共直线。5.正四面体；平面；直线型；平面。6.Sp；sp2；sp3。7.结构式、结构简式和键线式。8.碳；氢；碳。二.教材知识详解（一）有机物中碳原子的成键特点1.碳原子的成键特点（1）碳呀的最外层4个电子，不易失去电子或获得电子而形成阳离子或阴离子，碳原子常通过共价键与H、O、S、P等形成共价化合物。（2）碳原子与碳原子之间也能能以共价键结合，不仅可以形成单键，还可以形成稳定的双键或三键。在有机物分子中，仅以单键方式成键的碳原子称为饱和碳原子；连接在双键、叁键或在苯环上的碳原子（所连原子的数目少于4）称为不饱和碳原子。C—C单键可以旋转而C＝C不能旋转（或三键）。（3）多个碳原子可以相互结合成长短不一的碳链和碳环，碳链和碳环还可以相互结合。（4）有机分子中普遍存在同分异构现象。2.碳原子的成键方式与分子空间构型的关系（1）甲烷分子的结构特点①甲烷的分子的空间构型为正四面体，中心碳原子与四个氢原子形成四个碳氢单键，任意两个键之间的夹角均为109°28′。②运用杂化轨道理论解释甲烷的正四面体结构在碳原子里，核外6个电子分别占据1S轨道，2S轨道及2P轨道。当潭原子与4个氢原子形成甲烷时，碳原子的一个2S轨道和3个2P轨道会发生混杂，混杂后得到4个相同的轨道，夹角都是109°28′，称sp3杂化轨道。如图所示：中国教育领军品牌3/21④碳原子的结构决定了它最多能与四个原子形成共价键（单键），这样的碳原子称为饱和碳原子。在化学反应中，饱和的碳原子的单键断裂后才能结合其他的原子或原子团，生成新的化合物体。3.乙烯、乙炔、苯分子结构特点①乙烯分子（C2H4）是平面形分子，分子中有碳碳双键，每个碳原子周围有一个碳碳双键和4个碳氢单键，相邻两个键的夹角接近120°，碳原子轨道采用sp2杂化。②乙炔分子（C2H2）是直线形分子，分子中有碳碳叁键，每个碳周围有一个碳碳叁键和一个碳氢单键，相邻的两个键的夹角为180°，碳原子轨道采用sp杂化。③苯分子（C6H6）是平面正六边形结构。苯环上碳碳间的键是介于单键和双键之间的独特的键。6个碳原子各以1个电子共同形成这种6个碳原子之间的键，相邻的两个键的夹角为120°。碳原子轨道采用sp2杂化。乙烯、乙炔、苯分子中，与每个碳原子成键的其他原子数目少于4，这样的碳原子称为不饱和碳原子。由于分子中的不饱和碳原子的存在，使得烯烃和炔烃的化学性质比烷烃活泼。（二）有机物结构的表示方法物质的结构决定性质，性质反映结构，对有机化学来讲，物质的种类繁多，只要抓住物质结构的实质，才能掌握其“灵魂”。用来描述物质组成的式子有实验式、分子式等，描述物质结构的式有结构式、结构简式、键线式等。1.有机物结构的表示方法（1）结构式：用一根短线代表一个共键，可以将有机物分子中的所有原子连接起来，这种表示化合物结构的式子称为结构式。结构式可以在一定程度上反映真正的分子结构和性质，但不能表示空间构型，如甲烷分子是正四面体，而结构式所示的碳原子和四个氢原子却都在同一平面上。特别提示任何有机物都含有碳元素，碳原子相互连接而形成的碳链或碳环是有机化合物的基本骨架。四面体型：—C—平面型：—C=直线型：—C≡，有机物的代表物基本空间结构：甲烷是正四面体结构（5个原子不在一个平面上）；乙烯是平面结构（6个原子位于一个平面）；乙炔是直线型结构（4个原子位于一条直线）；苯环是平面结构（12个原子位于一个平面）。判断原子是否在同一平面上的关键是判断分子中是否存在饱和碳原子。关键把握好碳原子有4个共价电子，可以形成4条共价键。中国教育领军品牌4/21（2）结构简式：在不影响表示物质的接特点的基础上，把相同原子合并，用数字标注在元素符号的右下角，如果省去结构式中代表碳氢单键、碳碳单键等键的短线，这种表示化合物结构的式称结构简式。说明：书写结构简式时应注意①单键“—”可以省略，如乙烷结构中的C—H、C—C中的“—”均可省略，其结构简式可写为CH3—CH3、H3C—CH3、CH3CH3等。②“C=C”和“C≡C”中的“=”和“≡”不能省略。如乙烯的结构简式可写为CH2=CH2、H2C=CH2等，而不能写为CH2CH2。但是醛基（）、羧基（）则可进一步简写为—CHO、—COOH。③准确表示分子中原子成键的情况。如乙醇的结构简式可写为CH3CH2OH、HO—CH2CH3等。（3）键线式：因为碳原子的空间四价构型，在有机化合物中的碳链不呈直线，而是呈锯齿状的，用锯齿状折线来表示有机化合物体中的共价键情况，用拐点和终点表示碳原子的一种表示有机化合物结构的式子。即进一步省去碳氢元素符号，剩下有机化合物分子中键的连接情况，每个拐点和终点均表示连接一个碳原子，这样的式子称键线式。一些有机化合物分子的结构简式和键线式：物质名称及分子式结构式结构简式键线式戊烷C5H12丙烯C3H6乙醇C2H6O乙酸C2H4O4注意点：（1）与结构式相比，结构简式常有H简并（如CH3—CH2—CH2—CH3）、C—C简并（如CH3CH2CH2CH3）、相同基团简并[如CH3(CH2)2CH3、CH(CH3)3]等形式。（2）C=C、C≡C中的“=”、“≡”不能简并（如CH2=CH2不能写成CH2CH2，但醛基、羧基可简写成—CHO、—COOH。（3）CH3—CH2—CH2—CH3实际为锯齿形结构，但其结构简式不需要写成锯齿形，因为键线式结构中每个拐点和端点均表示一个碳原子。（三）同分异构（1）概念：同分异构现象是指有机物具有相同分子式、不同结构的现象。具有同分异构现象的有机化合物互称同分异构体。同分异构现象存在于有机化合物中。存在同分异构现象的原因是有机化合物分子内部通常含有较多的原子，分子内部原子结合的顺序和成键方式不同。但并不是所有分子都是同分异构体，例如CH4、C2H6等就没有同分异构体。同分异构体的性质有较大差异，这是因为结构不同所导致的结果。中国教育领军品牌5/21（2）常见的同分异构现象关系：①碳骨架异构：有机物中由碳骨架不同引起的同分异构现象。如C4H10的几种同分异构体。CH3CH2CH2CH3②官能团位置异构：指的是分子中取代基或官能团在碳链（碳环）上的位置不同而引起的异构现象。如正丙醇和异丙醇；邻二甲苯，间二甲苯，对二甲苯等都属于位置异构。③官能团体类型异构：指的是由分子中官能团不同而分属不同类物质的异构体。常见的如：1-丁炔与1，3-丁二烯、丙烯与环丙烷、乙醇与甲醚、丙醛与丙酮、乙酸与甲酸甲酯、葡萄糖与果糖等。常见的同分异构组成通式可能的类别典型实例CnH2n烯烃、环烷烃CnH2n-2炔烃、二烯烃CnH2n+2O醇、醚CnH2nO醛、酮、烯醇、环醚、环醇CnH2nO2羧酸、酯、羟基醛CnH2n-6O酚、芳香醇、芳香醚CnH2n+1NO2硝基烷Cn（H2O）m单糖或二糖④立体异构立体异构是在有相同分子式的化合物分子中，原子或原子团互相连接的次序相同，但在空间的排列方式不同，与构造异构同属有机化学范畴中的同分异构现象。立体异构分为几何异构（顺反异构）、对应异构两类。a.几何异构在有双键或小环结构(如环丙烷)的分子中，由于分子中双键或环的原子间的键的自由旋转受阻碍，存在不同的中国教育领军品牌6/21空间排列方式而产生的立体异构现象，又称顺反异构。顺反异构：立体异构的一种，由于双键不能自由旋转引起的，一般指烯烃的双键顺式异构体：两个相同原子或基团在双键同一侧的为顺式异构体。反式异构体：两个相同原子或基团分别在双键两侧的为反式异构体。例如：2-丁烯就存在着两种顺反异构体。顺反异构体产生的条件：⑴分子不能自由旋转（否则将变成另外一种分子）；⑵双键上同一碳上不能有相同的基团；同分异构是分子式相同,结构式不同，顺反异构是空间构像不同。(3)同分异构体书写规律①主链由长到短，支链由整到散，位置由心到边，排列由对到邻到间。②按照碳链异构—位置异构—官能团异构的顺序书写，也可按官能团异构—碳链异构—位置异构顺序书写，不管按照哪种方法书写都必须防止漏写和重写。注意：①碳原子必须满足4个键（用碳链表示时，每个碳原子成键数目要小于4，小于4补上氢后，碳原子的成键数目为4。②主链上的链端不能接甲基，主链上的第二个碳原子或倒数第二个碳原子不能接乙基，否则主链将会改变，而写出重复的结构。③判断两物质是否为同分异构体判断根据是同分异构体的概念。其方法是：先看分子式相同，再看结构不同。注意从两个方面考虑：一是原子或原子团的连接顺序；二是原子的空间排列形状。由此能辨认出等同结构。还应记住常见不同类别的异构体，例如：相同碳原子数的烯烃和环烷烃，相同碳原子数的二烯烃和炔烃，饱和一元醇和醚，醛和酮，羧酸和酯，氨基酸和硝基化合物等。（4）烷烃同分异构体的写法。烷烃同分异构体的书写通常用“减链”法，即：选择最长的碳链为主链，找出中心对称线，然后再按“主链由长到短，支链由整到散，位置由中到边，排布由邻到间”的原则写出各个同分异构体，现以C7H16为例（先写碳链，再补足氢原子）：①将分子中全部碳原子连成支链作为主链：C—C—C—C—C—C—C②将主链上的碳原子取一个下来，依次连接在主链中心对称线一侧的各个碳原子上（含中心碳原子）即得到两个带有甲基主链为6个碳原子的碳骨架：这一步及下面两步中均要注意防止支链重新变成主中国教育领军品牌7/21链，如是错误的。③从主链上取下两个碳原子来，按由整到散（即先八区下来的两个碳原子连成一个乙基，再将这个乙基分成两个甲基）、由中到边、由邻到间的原则连接到主链上，得到下列五种碳架：④从主链上取下三个碳原子，效仿第（3）步书写得一种碳骨架④从主链上取下三个碳原子，效仿第（3）步书写得一种碳骨架⑤根据碳四价的原则补足氢原子，即得到了C7H16的全部同分异构体的结构式，共有9种同分异构体。【说明】①写烷烃同分异构体的技能是写各类有机物的同分异构体的重要基础，也是高考的热点之一，在操作中做到不重、不漏是个难点，攻克难点的主要办法是按照上面介绍的方法强化练习，并通过命名对所写同分异构体进行检验②像烷烃同分异构体这样的同分异构现象叫做碳链异构，或叫碳架异构。（5）烯烃的同分异构现象烯烃的同分异构体除了要考虑碳链异构外，还应考虑双键的位置，分子通式符合CnH2n的烃除烯烃外，当n=3，4，5…时，还有等叫做环烷烃的一类烃，所以分子组成为CnH2n的烃的同分异构体现象较烷烃更加突出（6）饱和一元醇的同分异构体由烷烃所衍生的一元醇，通式为CnH2n+2O，CnH2n+2O的同分异构体有碳链异构、羟基位置异构、跨类异构。书写同分异构体的步骤（以C5H12O为例加以说明）第一步：碳链异构第二步：位置异构，首先寻找对称轴，从中间向一边移动（可类推到卤代烃）（共8种醇）特别提示从主链取下的碳原子不得超过总碳原子数的一半.这样写法可巧记为：成直链，一条线；摘一碳，挂中间，往边排，不到端，摘两碳，成乙基；二甲基，跨邻间。同学们必须注意的是，烷烃同分异构体的书写必