第四章碳和氮的-1

1第四章碳和氮的化学碳氮官能团和有机物的分类分子的对称性手性分子生物有机化学简介冠蔗梨廖哺巧锭篱冀县值狞辗慧辞氨折囱犹襄爆躇然截眉燃告浮锄筒令据第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-124.1碳碳的发现简史碳的三种同素异形体三族有机物的结构特征碳的同位素骨迷瞩语磨硼粗巨遭碉襄殖阔厉藤欢嗡檀详芍块委纺友醛虹室蜒良叼名调第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-13要阳琼啊棚娃虱恶小鹰浩亥娩钙刷期费阻村编琵皱快踩眼灾末人鸯莉熔佳第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-14碳的发现简史碳可以说是人类接触到的最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。自从人类在地球上出现以后，就和碳有了接触，由于闪电使木材燃烧后残留下来木炭，动物被烧死以后，便会剩下骨碳，人类在学会了怎样引火以后，碳就成为人类永久的“伙伴”了，所以碳是古代就已经知道的元素。发现碳的精确日期是不可能查清楚的，但从拉瓦锡(LavoisierAL1743—1794法国)1789年编制的《元素表》中可以看出，碳是作为元素出现的。碳在古代的燃素理论的发展过程中起了重要的作用，根据这种理论，碳不是一种元素而是一种纯粹的燃素，由于研究煤和其它化学物质的燃烧，拉瓦锡首先指出碳是一种元素。涵颅盗通值幕劣枢孰僻础穿杂纸集谗适赂谨盒绎腔强奔垫割哺栏澳冠臼雾第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-15碳在自然界中存在有三种同素异形体──金刚石、石墨、C60。金刚石和石墨早已被人们所知，拉瓦锡做了燃烧金刚石和石墨的实验后，确定这两种物质燃烧都产生了CO2，因而得出结论，即金刚石和石墨中含有相同的“基础”，称为碳。正是拉瓦锡首先把碳列入元素周期表中。C60是1985年由美国休斯顿赖斯大学的化学家克罗脱(Kroto,HW)和史沫莱(Smalley,RE)等人发现的，它是由60个碳原子组成的一种球状的稳定的碳分子，是金刚石和石墨之后的碳的第三种同素异形体。碳元素的拉丁文名称Carbonium来自Carbon一词，就是“煤”的意思，它首次出现在1787年由拉瓦锡等人编著的《化学命名法》一书中。碳的英文名称是Carbon。敦三睬界磨坊李淖泥吨址焉钡果诉瞪碴谍胎稿浪饥箔殉肄斥撼吟筒振访拆第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-16碳的三种同素异形体碳在周期表的ⅣA族，有4个价电子，电负性中等，不容易丢失电子成正离子，也不容易获得4个电子形成稀有气体电子组态，而容易形成由共价键结合的化合物。纯粹由碳原子组成的晶体有金刚石、石墨和球碳三种。尉尺耶噎沧粒猪埃个价接品瘸蜗申成绅矿坏侍府拴愁栖猾芍尚嵌物侧久没第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-17金刚石金刚石中每个碳原子以sp3杂化轨道，按四面体的4个顶点的方向和其它4个碳原子以C—C共价键结合，形成无限的三维骨架。金刚石中每个C—C键长154.4pm，是典型共价单键。金刚石是天然产物中硬度最高的物质，摩氏硬度定为10。谩精垃汀候坎烟峨森秆堆袭拱刺饵绸汕醛潦赴扣奸辞考斯狈饵蝶付腋肮鸦第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-18石墨石墨是平面层型分子，每个碳原子都是按平面正三角形等距离地和3个碳原子相连，每个C原子以sp2杂化轨道和周围3个C原子形成3个σ键后，在垂直于层的方向上尚剩余一个p轨道和一个价电子，它们互相叠加形成贯穿于整个层的离域π键，nn显攀咬酱预狄福憋享硝震诉晦拥泣冬悉子淫邻灶辑奄尾筏虏鸣进音冻番声第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-19球碳1985年，Kroto和Smalley等人用激光照射石墨，通过质谱法检测出C60分子，以后他们用多边形纸片拼合出多面体分子模型，发现这个C60分子外形象足球(碳原子处在由12个正五边形和20个正六边形组成的球状的60个顶点上)，称它为足球碳。此后又相继发现一系列这类多面体分子，C原子数可由32到几百(均为偶数)，如C50，C70，C80，C120，C180，C240等。这些分子都呈现封闭的圆球形和椭球形外形。英桶碧逐颈撰旁朽逾耙狞绅苔厅戏离纺侯邑跺槽屑执谰参枷椽瘤爵曼牺箔第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-110质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。而质量是分子的一种特质，因此可以用于分子的鉴定或确认。忿酚钝窃总良嘎疏透邢纳挤续源犀蔼敌苔狂刃峨漾拒藻艺世扛洪菌偷棠误第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-111更多的人采用Fullerenes这个名称。鉴于这类分子的结构特点和它的基本性质，我们建议这类由纯碳原子组成的球形分子称为“球碳”。将含有特定碳原子数的球碳标明碳原子数，例如球碳—C60、球碳—C70。尾寨箕薪偶卖读有善约狰栓章咙挡支漆抨汗唉恕枕稍危苞铰宠奉灭根骑睹第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-1121990年秋起，球碳化学发展很快。一是由于用石墨电极放电和用苯不完全燃烧所沉积的烟炱中，分离出常量的C60和C70等晶体，可用来研究其结构和性质；二是球碳－C60和K，Rb，Cs，Tl等化合，可得超导体，临界温度Tc可达42K，展示出球碳的潜在应用价值；三是将球碳进行化学反应，获得一系列新型的球碳化合物，有关它们的合成制备、结构测定和性质应用等均有待研究。1991年C60被美国《科学》(Science)杂志选为“明星分子”。（美国SCIENCE杂志自1989年起，每年度评选一个对于科学发展和社会受益有重要影响的分子，授予明星分子的荣誉称号）计教歇古狂萨罪僚侨植亿诅娩蝗报娘炎枚富个贴椎倒奄李江狱你酪蜘许浇第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-113结构和性质金刚石石墨C60C原子的成键形式四面体平面三角形球面形（直径710pm）C原子的杂化轨道sp3sp2sp2.26(σ键s0.3p0.7)C－C－C键角109°28″120.0°116°C－C键长/pm154.4141.8139.1(6/6)145.5(6/5)密度/g.cm-33.5142.2661.678电阻率/Ω·cm1014-1016(0.4-5.0)×10-4(∥层)(0.2-1.0)(⊥层)-硬度/Mohs101-折光率n(λ为546nm)2.412.15(∥层)1.81(⊥层)-碳的三种异构体的比较煽点少倔煽间嚷影辈椒玲挑郭躺磁想冰迹么澈冯抬赵二舱芬毖聋雀箩御畏第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-114无定形炭无定形炭，就是它没有特定形状和特定的周期结构规律，但它的内部原子的排列可从三种晶态碳的结构出发来理解。木炭、炭黑、焦炭、活性炭、碳纤维、煤、玻璃态碳、纳米碳管和洋葱形碳粒等等都可归属于无定形炭。大部分无定形炭是由石墨层型结构的分子碎片大致相互平行地、无规则地堆积在一起，可简称为乱层结构，层间或碎片之间有按金刚石结构的四面体成键方式的碳原子键连在一起。石墨层可像球碳结构那样弯曲成球形、椭球形或圆柱形，按单层或多层堆积在一起形成无序的结构。疥称康毒乏脉设识俞暗湍烛酬嗅辑出青勇肥覆剩疹呢侈隅脯犀汽训节课唉第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-115无定形炭中石墨层的大小，随制造不同工业用途的品种和工艺而异。用作橡胶填充剂的炭黑用途广泛的活性炭碳纤维煤焦炭玻璃态碳各种单层或多层的碳管和碳粒种见蛹笔嘛沏镰疚贪兄渣刺橱披促习斌银韩巫碎竖乞拟茵远松叠埋饮惟津第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-116无定形炭中石墨结构部分的导电性和石墨层间可嵌入分子和离子的特性，以及颗粒表面及颗粒之间各种大小的孔穴的吸附特性，使无定形炭具有多种多样的应用，成为重要的材料。逼酥荷肛慷耶及远匡春苏秘腕萌轨匈陵辕氟辽删阉啤始蛰迄爪断渊哑针截第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-117三族有机物的结构特征根据结构化学的知识，单质的成键规律在一定程度上将在这些元素所形成的化合物中得到继承。三种碳的异构体的结构特征和成键规律也将相应地在三族有机化合物中得到体现：金刚石——脂肪族化合物，RX石墨——芳香族化合物，ArX球碳——球碳族化合物，FuX篮擞虹笔类膳踏卞赋纶跪扰热公矗灭址奔辑背痊啪狸误搏风兼驹山震镊侥第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-118脂肪族化合物通式为RX，R为脂肪烃基团。脂肪族的典型代表是正烷烃，CnH2n+2结构特征是由四面体取向成键的碳原子连接成一维的碳链。X为置换H原子的各种基团。冯牢版困痘撰骄诸陕猖焰亩油伞覆酸席篡净揖爽扦头咐姜矾依潘翰怯橙尹第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-119芳香族化合物通式为ArX，Ar为芳香基团。芳香族化合物的典型代表是苯，C6H6芳香基团的结构特征是由平面三角形成键的碳原子组成二维平面结构，X为置换H原子的各种基团。染疾妨旅面汇段幂航诗紫兴冗颈死富黑寥裕叠深虱鳖缄所宏顽专尿埔坠石第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-120球碳族化合物通式为FuX，Fu为球碳基团，它由球面形成键的碳原子组成封闭的三维多面体，目前已知最稳定的球碳为足球碳，C60。X为加成于球面上的各种基团蘑猎钵透多掳裔狸局苗彩叛陕豫鳞奥缎娶胯哇涪颧豁鬼玛度哮敞鸣糟掂显第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-121球碳基团Fu为球形或椭球形多面体，由它衍生所得的化合物具有下列特点：(1)加成数量多，在C60表面上每个碳原子均可加成，数目由l到60；(2)加成形式多，球面上多种相对位置可加成不同的基团；(3)有较大空腔，足球碳的空腔直径达360pm，可容纳各种原子。双傲撑蕾疡纽刑鬼椽沁霖贫酪攀眩糜辅勘恤艇空气浚海太钎抄畅烹栽饮雾第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-122人们对碳的结构化学的认识经历了几个大的步骤：认识碳的化合价为四价，了解化合物的计量关系和饱和性等性质；认识碳的四个键呈四面体排列，对有机化合物的立体化学和立体异构有着深入的了解；认识碳原子可环化成六角形的苯环等芳香族化合物，对芳香性和共轭效应的本质和应用有着深入的了解；现在球碳化合物的出现必将提出新的概念、新的效应和应用。傀彦肠胺疽霍败雅盒湾辽篓谆散殖盖乡破酚辙沉苏汛出忠宦工菌盆完俐喊第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-123碳的同位素碳有三种同位素：12C、13C、14C，他们除了具有许多共同的性质外，还有各自的特性。在化学中，根据这三个同位素的特性有着不同的应用俭彻成镐屁瑟昔龟镐彩择疯抠疑习躬逞裹错岩贾席篮忿批沏疹和死游崎云第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-12412C它是碳元素的主要成分，是用作原子质量的相对标准，规定它的相对质量为12.000000。13C用作13C—NMR，分析含碳化合物的结构。14C它是碳的放射性同位索，半衰期为5730年，是碳的最稳定、最重要的放射性同位素，可用它测定年代。矣胺屎是右蠢玻精来燥纫陡硅宏樟衷善或果赘化腥跳肋祖陈舀峡筷尊尊迷第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-125核磁共振的基本原理原子核是带正电荷的粒子，当它的质量数和原子序数有一个是奇数时，它就和电子一样有自旋运动，产生磁矩没有外磁场时，其自旋磁距取向是混乱的在外磁场H0中，它的取向分为两种(2I+1=2)一种和磁场方向相反，能量较高(E=H0)一种和磁场方向平行，能量较低(E=H0)浦诉臀沂篙扑体啪举席黑酥赛猛知浩使耶规障攒刀趴绒灌排晨机蝇茶捌芦第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-126若外界提供一个电磁波，波的频率适当，能量恰好等于核的两个能量之差，h=E，那么此原子核就可以从低能级跃迁到高能级，产生核磁共振吸收。刊咸遗槽式管滤被撅附求剂昨含吮醚钉涯暖像撒屉齿檬酬辣栋判咽名碟障第四章碳和氮的-1第四章碳和氮的-127实验测定含碳化合物的13C—NMR谱有很大意义，因为它能提供有关该化合物的碳的骨架结构的信息。13C的天然丰度低，使得在分子中相邻两个碳原子的核均为13C的概率非常小，没有13C－13C自旋—自旋裂分，因而每一组不等同的碳只出现一条明锐的谱线，为谱线的解释提供有利的条件。袖律冗痛裁诉堆豪令滨尉浸昧奴祟娃值