第十章 有机化学导论.doc免费

第十章 有机化学导论 在前面几章，已经介绍了原子结构、化学键和分子间作用力的现代理论，本章将用这些观点来介绍有机化学的一般现象。因为有机化学既能很好地和这些理论联系起来，又是化学中一个非常重要的领域。 有机化学所研究的是那些含有碳同氢以及其他几种非金属（特别是氧、氮、硫及卤素等）结合在一起的物质。有机化合物虽然组分很有限，但它们在数量上远远多于其他元素组成的所有化合物。 有机化合物在我们日常生活的很多方面都很重要。例如，人体大部分是由细胞组织构成的，而这些组织则是由各种大小、各种结构的有机分子所组成。这些有机分子中有许多是由我们身体合成的，它们每天都作为一个成分参与各种复杂的反应，产生出其它的新的分子，并释放能量。总之，使生命过程延续下去。所有动植物体内拥有类似的分子，这些分子有选择性地参加了无数个控制生长、成熟和繁殖过程的反应。 有机化学的一个特别重要的领域和药物的鉴定与发展有关。虽然好几个世纪以来，人们已经确定出某些动植物产品是重要的化学药物，从而使药物的生产和应用发生了真正的变革。在最近三十年里，研究人员所分离和合成的磺胺药、可的松、甾族化合物、镇静剂和多种多样其他药物，使我们能够比人类历史上任何时候都更有效地对付疾病了。假如要评价在这个世纪里对人类福利贡献最大的科学领域，把我们应用药物治疗疾病的能力排在前列毫不过分的，而这些药物则是借助有机化学的知识才制得的。 10.1 有机物的性质 有机化学之所以存在要归结于碳原子的相当独特的性质。请回想一下，碳原子的电子构型是1s22s22p2；它能通过轨道杂化和其它原子形成四个键。这些键可以全部是单键，也可以是单键和双键或叁键的组合。碳的特殊性质在于它能和多种多样非金属原子组成很强的键（键能：C—H=414J/mol，C—O=351kJ/mol，C—Cl=331kJ/mol，C—N=293kJ/mol）。更为重要的是碳原子彼此间能形成很强的单键或重键（键能：C—C=347kJ/mol，C=C=598kJ/mol，C≡C=820kJ/mol）。这就意味着有机分子里的碳原子能够连结成不同长度的链。碳原子的这种能力没有任何其他元素可与之比拟。和碳在一族的硅和锗也能形成四个键，但是Si—Si键和Ge—Ge键比较弱（键能：Si—Si=176kJ/mol），这就严重地限制了这些元素的化学范围。 因为碳的电负性接近于氢和有机化合物里常见的其他非金属的电负性，所以有机化合物中的键是典型的共价键，而化合物本身都是分子型的。有机分子中的键通常总是和八隅规则相一致的，与电子对互斥规则（第八章）所决定的键角也是一致的。在稳定的有机分子中，每个碳原子周围有四个键；碳周围基本上不存在未成键电子对。 有机物质的物理性质是由分子间的吸引力决定的，这些吸引力是由色散力、偶极力和氢键引起的。因为有机分子所包含的原子数目可以从几个到几千个，且具有各种不同的组成，所以它们能以气态、各种粘度的液态以及各种硬度（从很软到金属这样硬）的固态存在，就不足为怪了。 10.2 烃 按照共价键的性质和所含有的原子的种类，可以把有机化合物划分成类和族。有一大类有机物质，它们的分子仅由碳和氢两种原子组成。这种物质叫做烃，并且根据所含碳键的种类，它们又可进一步分成烷、烯、炔或芳香族物质。 饱和烃：烷烃 烃类中一个数量庞大而结构简单的族叫做饱和烃或烷烃。这一族烃类有机物的主要特征是它们的分子中只含有碳-碳单键。在烷烃中，碳原子彼此成键而形成碳链；这个链可长可短，可以是单一直链也可以带有支链。有时烷烃也叫链烷烃。 最简单的烷烃是甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8）。 H H H H H H | | | | | | H—C—H H—C—C—H H—C—C—C—H | | | | | | H H H H H H 甲烷 乙烷 丙烷 在这些分子中，实际上在任何饱和烃中，每个碳原子周围都有四个sp3杂化键。这四个键指向正四面体的四个顶角，正如由电子对互斥规则所预料的那样。这就意味着在丙烷（C3H8）和更高的烷烃里，碳链是弯曲的或是“锯齿”形的。这样，原子和原子间的相互影响要比平面图所表示的小些。 对于较小的烷烃分子，我们发现，一定分子式的所有可能的Lewis结构式都存在。考虑到在主碳链上可以接上支链，就不难正确地估计到四个碳的烷烃有以下两种： H | H—C—H H | | H—C—H H—C—H H |