成版第一章绪论

1第一章绪论学习目标要求掌握的概念：有机化合物，四面体结构要求理解的基础理论：碳原子杂化方式1.1有机化合物和有机化学我们日常生活中，吃的粮食、肉类、蛋禽、蔬菜、水果，穿的棉、麻、丝、稠、毛等各种材质的衣服，日常生活使用的各种塑料制品等等，都属于有机化合物范畴，它们的共同特点是：含碳的化合物，或者碳烃化合物及其衍生物，还可以含O、N、P、S等元素。而研究有机化合物的结构、性质、合成、反应机理及化学变化规律和应用的科学就是有机化学。自测题1-1：下列物之中哪些不是有机化合物？NaHCO3，葡萄糖，色拉油，食盐，柠檬汁。提示：有些化合物虽然也含有碳、氢、氧元素，如NaHCO3，但是以离子化合物形式存在，一般不认为是有机化合物。有些化合物不含有碳，却被认为是有机化合物，如硅烷。所以，有机化合物的定义基本上按习惯确定。答案：NaHCO3，食盐1.2有机化合物的特点我们日常接触的化合物，80%以上是有机化合物，与无机化合物相比较，有机化合物种类繁多，记录在案的有3000万种，绝大多数有机化合物结构复杂，如同一幢布满了各种电线、导管、机器的车间大楼，看似复杂却能有效工作。美国化学文摘（简称CA），给每一种结构明确的化合物进行了分类和编号，简称cas号，通过检索cas号就可以知晓当今世界上化合物准确数量机，指的是生命，想想“生机勃发”“生机盎然”这些成语，就明白“有机化合物”最初的意思是指有生命的动植物制造的化合物2与无机物相比，有机物多以共价键结合，它的结构单元往往是分子，其分子间的作用力较弱，因此绝大多数有机物沸点低，极易燃烧而引发巨大灾难。近年来，造成重大生命财产损失的火灾、爆炸事故时有发生，据联合国统计，每年死于火灾的人数为超过了传染病、交通事故的死亡人数的总和。有机化合物的另一个特点是难溶于水，而易溶于有机溶剂——相似相溶规律。由于油污不溶解于水，一旦原油泄露，将漂浮在水面上形成大面积的油膜，隔断了空气与水体的交换，导致水体缺氧，致使大量水生动植物死亡，引发环境灾难。无机反应一般都是离子反应，往往瞬间可完成，例卤离子和银离子相遇时即刻形成不溶解的卤化银沉淀。有机反应一般是非离子反应，速度较慢，因此工业生产中常常采取加热等手段加速反应进行。想想煤炭和石油的形成，经历了地质年代何其漫长。但凡事有例外，爆炸反应速度太快，人们反而设法避。有机反应常伴有副反应发生。有机物分子比较复杂，能起反应的部位比较多，因此反应时常产生复杂的混合物使主要的反应产物大大降低。一个有机反应若能达到60-70%的产率，就比较令人满意了。化工厂里有一半以上的设备用于化工产品的分离提纯等后处理过程，为了不污染环境，还要耗费巨资处理副产物，因此，研究新型催化剂，改革生产工艺，实现零排放，就是绿色化学的重要任务。1.3有机化学的研究内容1.天然产物的提取、分离，结构鉴定、开发与应用研究：分离和提取自然界存在的各种有机物，测定、确定其结构、性质。例如：食品成分、草药里面的药物等。2．关于反应机理的研究：研究有机物的结构与性质间的关系，有GreenChemistry，英国皇家化学会出版的杂志3机物的反应、变化经历的途径、影响反应的因素，揭示有机反应的规律，以便控制反应的有利发展方向。3．有机合成：由简单的有机物（石油、煤焦油）为原料，通过反应合成自然界存在或不存在的有机物—人们所需的物质。如：维生素、药物、香料、染料、农药、塑料、合成纤维、合成橡胶等。4．合成反应的选择：包括化学、区域、立体选择性，以及高通量合成技术（highthroughput）组合化学（combinatorialchemistry）也受到了空前的重视。1.4碳的sp3杂化以及成键方式组成有机化合物的元素只有简单的碳、氢、氧、氮、磷、硫、卤素等有限几种，为什么有机化合物数量如此庞大呢？其原因就在于碳的超强的成键能力。化学反应说到底，是原子核外层电子的分分合合。碳，六号元素，核外电子排布1s22s22p2，只有两个未成对电子，理论上只能形成2个化学键，但是人们很早就认识到有机物中碳是四价的。美国人LinusC.Pauling教授创造性提出了“杂化”概念，解决了这个问题。Hybridization，愿意是杂交，原本是生物学名词，指不同物种间的杂交。如老虎和狮子交配的后代被称为狮虎兽，既像老虎，又像狮子，但是狮虎兽不是老虎，也不是狮子，而是一个新的物种。图1-1老虎与狮子杂交得到狮虎兽碳几乎可以与元素周期表中任何元素成键4LinusC.Pauling教授由生物学上的杂交，想到碳的2s轨道与2p轨道也会如此行为（我们称为杂化），结果形成了新的轨道，因为是由2s和2p杂化的，所以新的轨道称为sp轨道。请注意，杂化前后轨道的总数目不变，但是体系的能量有所降低。具体过程如下：一个2s轨道与3个2p轨道杂化后，生成四个新的轨道，被称为sp3轨道，每个轨道上有一个电子，电子是带负电荷的，彼此排斥，因此四个轨道采用在空间最远离的排布方式。图1-2sp3杂化示意图上图中，四个sp3轨道指向正四面体的顶点。在立体几何上，这样的结构，彼此之间的夹角是10928’。每个sp3轨道带有一个电子，与一个H形成共价键，这就是甲烷分子。图1-3甲烷的正四面体结构很多同学想象不出四面体是什么样子，请把四个等边三角形折起来就是了，正四面体是最简单的多面体。甲烷分子中，碳原子在四面体中间，四个氢原子在四个顶角上，任何两个C—H键之间是10928’，这是一个高度对称的分子。如果2个碳原子各自拿出一个sp3轨道成键，剩下的sp3轨道与氢原子成键，就形成了乙烷。杂化轨道的形状介于s轨道和p轨道之间，能量也同样介于两者之间。骡子模样是不是介于马与驴之间？5图1-4头对头σ键形成像上图中这样，以“头对头”方式成键的，称为σ键。σ键是轴对称的，可以绕着轴旋转。1.5碳的sp2杂化以及成键方式碳原子一个2s轨道与2个2p轨道杂化后，生成三个新的轨道，被称为sp2轨道，每个轨道上有一个电子，电子是带负电荷的，彼此排斥，因此三个杂化轨道采用在空间最远离的排布方式，见下图。图1-5sp2杂化示意图三个sp2杂化轨道在平面上，彼此互成120°夹角，别忘了——还有一个未参与杂化的2p轨道，轨道有一个电子，同样要与sp2杂化轨道空间距离最远，因此只能采取垂直的方式排布，见下图。图1-6sp2杂化轨道与2p轨道关系示意图2个碳原子彼此各自拿出一个sp2杂化轨道以头对头方式形成一个σ键，三个点在空间彼此最远离的方式就是指向正三角形顶点6剩下的sp2杂化轨道与氢原子成键，2个未参与杂化的2p轨道采取“肩并肩”方式成π键，这样就形成了乙烯分子。图1-7乙烯分子结构示意图(bond,英文化学键的意思)上图中，2个碳原子的未参与杂化的2p轨道在空间采用“肩并肩”方式配对成键，看一看，这样的形状是不是很像希腊字母π？我们称之为π键。乙烯分子的球棒模型以及真实比例的空间模型如下所示：图1-8乙烯分子球棒模型与空间模型自测题1-2π键能否绕键轴旋转？提示：π键存在的前提条件是2个碳原子的2p轨道肩并肩，旋转会破坏这样的结构。答案：不能旋转。1.6碳的sp杂化以及成键方式碳原子一个2s轨道与1个2p轨道杂化后，生成两个新的轨道，被称为sp轨道，每个轨道上有一个电子，电子是带负电荷的，彼此排斥，因此两个杂化轨道采用线性排布方式，彼此为180°夹角，见下图。图1-9sp杂化轨道形成示意图7碳原子还有两个未参与杂化的2p轨道，彼此排斥的结果就是形成以下的形状：图1-10sp杂化轨道与2p轨道关系示意图可见，2个2p互相垂直，且都垂直于sp杂化轨道。2个碳原子彼此各自拿出一个sp杂化轨道以头对头方式形成一个σ键，剩下的sp杂化轨道与氢原子成键，这样就形成了乙炔分子，见下图图1-11乙炔分子结构以及电子密度示意图说明：有机化学中，为了书写方便，用“—”表示一个共价键。凡是以头对头方式成键的都是σ键，因此C—H也是σ键。提示：细心的同学会发现，不同杂化轨道的形状也不一样的，含有s成分越多，杂化轨道形状也越接近s轨道：sp3是纺锤形，而sp则变得“胖乎乎”。本章应掌握的概念以及理论有机化合物；碳的杂化方式以及杂化轨道的形状；杂化轨道能量高低比较电子密度图。橙色表示负电荷，蓝色表示正电荷，颜色深浅表示密度高低8思考题一、指出下列化合物中键的类型。1）CH3CH=CHCH2CH3；2）HCCCH3二、填空或者判断对错1）共价有机化合物因为分子彼此间的吸引力很弱，因此它们的沸点和熔点比无机化合物来说相对较低()。2）C可以和元素周期表中绝大多数元素相键合()。3）共价键结合的有机分子之间发生反应速度较慢，常需要较高的温度或者催化剂才能发生反应()。4）有机反应复杂，副产物多，转化率和选择性很少能够达到100%()。5）有机化合物是指含碳的化合物，或者碳氢化合物及其衍生物。一般含有C、H、O、N、P、S等元素()。6）按能量降低的顺序排列s轨道、p轨道和三种杂化轨道的顺序是：psp3sp2sps()。