第7章有机化学 第7章有机化学 学习要求： 1.了解有机化合物的分类、特点及有机化合物中共价键的特征； 2.学习烷烃、烯烃、炔烃和二烯烃的结构特点及其主要化学性质； 3. 学习醇、酚、醚、醛、酮和羧酸的结构特点及其主要化学性质； 4.了解芳香烃和杂环化合物的结构特点及芳香烃的主要化学性质； 5. 了解有机化合物的立体化学特征； 6.了解有机化学反应中取代、加成和消去反应的反应机理。 有机化学是研究有机化合物的化学。有机化合物一般是含有碳原子的化合物，有机化合 物中除碳元素外含量最多的是氢，其次是氧、氮、磷、硫、卤素等，因此有机化合物也称为 碳氢化合物及它的衍生物。 7.1有机化合物的分类 (1)按照碳骨架分类 按照碳链结合方式的不同，有机化合物可分为三类 a.开链化合物（脂肪族化合物） 只含碳和氢的链烃类化合物。此类化合物的分子中碳原子之间互相连接而成碳链，而 不是成环状。这类化合物也称脂肪族化合物。 CH:CH-CH2CH3 CH:CHCHCH2OH CH3(CH2)COOH 例如： 正丁烷 正丁醇 十八酸 b.碳环族化合物分子中具有碳原子连接而成的闭合环。这类化合物由于成环方式不 同又可分为两类： ()脂环族：性质与脂肪族化合物相似的碳环化合物，这类化合物可以看作由开链 化合物连接闭合成环： CH2 CH2 例如：环己烷 (b)芳香族：含有苯环和稠苯环，性质与脂肪族化合物不同的化合物
第 7 章 有机化学 1 第 7 章 有机化学 有机化学是研究有机化合物的化学。有机化合物一般是含有碳原子的化合物，有机化合 物中除碳元素外含量最多的是氢，其次是氧、氮、磷、硫、卤素等，因此有机化合物也称为 碳氢化合物及它的衍生物。 7.1 有机化合物的分类 （1）按照碳骨架分类 按照碳链结合方式的不同，有机化合物可分为三类 a. 开链化合物（脂肪族化合物） 只含碳和氢的链烃类化合物。此类化合物的分子中碳原子之间互相连接而成碳链，而 不是成环状。这类化合物也称脂肪族化合物。 CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2OH CH3(CH2) 16COOH 例如： 正丁烷 正丁醇 十八酸 b. 碳环族化合物 分子中具有碳原子连接而成的闭合环。这类化合物由于成环方式不 同又可分为两类： (a) 脂环族: 性质与脂肪族化合物相似的碳环化合物，这类化合物可以看作由开链 化合物连接闭合成环； 例如：环己烷 (b) 芳香族：含有苯环和稠苯环，性质与脂肪族化合物不同的化合物 学习要求： 1. 了解有机化合物的分类、特点及有机化合物中共价键的特征； 2. 学习烷烃、烯烃、炔烃和二烯烃的结构特点及其主要化学性质； 3. 学习醇、酚、醚、醛、酮和羧酸的结构特点及其主要化学性质； 4. 了解芳香烃和杂环化合物的结构特点及芳香烃的主要化学性质； 5. 了解有机化合物的立体化学特征； 6. 了解有机化学反应中取代、加成和消去反应的反应机理。 H2C H2C CH2 CH2 CH2 CH2
第7章有机化学 CH HC CH HC. CH CH 例如：苯 c.杂环化合物 在这类化合物的分子中，组成环的原子除碳原子外还有氧、氮、硫等 杂原子。例如： HC-CH HC-CH HO CH CH 例如：呋喃 噻吩 (2)按照官能团分类： 决定一类化合物典型性质的原子或原子团叫官能团。这些原子或者原子团能体现整个 化合物的特征结构，也决定着化合物的一些主要性质。一般来说，含有相同官能团的有机化 合物能起相似的化学反应，因此把它们看作为同一类化合物。 按官能团分类为研究数目庞大的有机化合物提供了更系统更方便的研究方法，并且有 机化合物的反应主要在官能团处发生。 表7-1一些重要官能团的结构和名称 化合物类别 官能团结构 官能团名称 实例 烯烃 C=C 双键 H2C=CH2 乙烯 炔烃 一C三C一 三键 HC三CH 乙炔 卤代烃 一X 卤素 CHsCl 氯苯 醇和酚 一OH 羟基 CH:CH2OH 乙醇 醚 C-0-C 醚键 C2Hs-O-C2H5 乙醚 醛和酮 0 羰基 O 乙醛 CH3-C-H 羧酸 -COOH 羧基 CH?-COOH 乙酸 硝基化合物 -NO2 硝基 C6Hs-NO2 硝基苯 胺 -NH2 氨基 C.Hs-NH2 苯胺 偶氮化合物 -N=N- 重氮基 C6Hs-N=N-C6Hs 偶氮苯 硫醇和硫酚 —SH 巯基 CHs-SH 乙硫醇 磺酸 -SO:H 磺酸基 CHs-SO:H 苯磺酸 具有相同官能团和相似结构的化合物具有相似的性质，化合物按照官能团进行分类，反映了 有机化合物之间的内在联系
第 7 章 有机化学 2 例如：苯 c. 杂环化合物 在这类化合物的分子中，组成环的原子除碳原子外还有氧、氮、硫等 杂原子。例如： 例如：呋喃 噻吩 （2）按照官能团分类： 决定一类化合物典型性质的原子或原子团叫官能团。这些原子或者原子团能体现整个 化合物的特征结构，也决定着化合物的一些主要性质。一般来说，含有相同官能团的有机化 合物能起相似的化学反应，因此把它们看作为同一类化合物。 按官能团分类为研究数目庞大的有机化合物提供了更系统更方便的研究方法，并且有 机化合物的反应主要在官能团处发生。 表 7-1 一些重要官能团的结构和名称 化合物类别 官能团结构 官能团名称 实例 烯烃 C C 双键 H2C CH2 乙烯 炔烃 C C 三键 HC CH 乙炔 卤代烃 X 卤素 C6H5Cl 氯苯 醇和酚 OH 羟基 CH3CH2OH 乙醇 醚 C O C 醚键 C2H5 O C2H5 乙醚 醛和酮 O C 羰基 O CH3 C H 乙醛 羧酸 COOH 羧基 CH3 COOH 乙酸 硝基化合物 NO2 硝基 C6H5 NO2 硝基苯 胺 NH2 氨基 C6H5 NH2 苯胺 偶氮化合物 N N 重氮基 C6H5 N N C6H5 偶氮苯 硫醇和硫酚 SH 巯基 C2H5 SH 乙硫醇 磺酸 SO3H 磺酸基 C6H5 SO3H 苯磺酸 具有相同官能团和相似结构的化合物具有相似的性质，化合物按照官能团进行分类，反映了 有机化合物之间的内在联系。 CH HC HC CH CH CH O CH HC CH HC HC CH HC S CH
第7章有机化学 官能团名 官能团结构 有机物类 实例e 称 结构式 名称和 单键 -长 烷 CH3 2.甲基十七烷和 CHCH(CH2)CH2CH3 双键和 -C=C 烯烃〔aeg H2C=CH 乙烯e 三键e -CC一a 炔烃(e HC三CH, 乙炔 卤素和 -Xo 卤代烃haloginated F 一氟一氯甲烷+ hydrocarbon）p c1-c-c11-_d_c1 一氟二氯一溴 Br 甲烷？ 羟基 OH 醇alcohoD OH OHOHOH OH 乙二醇 CHa-CHa CHa-CH-CHa 丙三醇和 OH 戴(phenoD 苯酚？ 醚键？ R-0-R 醚(ethe)p CHs-0-CHs 乙醚 羰基和 醛(aldede)p 甲醛 HCH 酮ketone) B紫罗兰酮 醌 OH 茜红？ OH 羧基 0 羧酸(carboxylic acid)P 0 甲酸 OH H_&-OH。 酰氧綦 酯(este)P 0 乙酸辛酯 &-0 CHCXCHH 硝基 -NO 硝基化合物(nito-compowt均 CH 02N NO2 三硝基甲苯 NO2 CH-NO2 硝基甲烷 氨基 一NH2g 胺(amine)e OH 多巴胺和 CHCHCHNH 氰基和 一C三Ng CH-C=N
第 7 章 有机化学 3 CH3CH(CH2 )13CH2CH3 CH3
第7章有机化学 7.2饱和烃和不饱和脂肪烃 由碳和氢两种元素组成的有机物叫做烃hydrocarbon),也叫做碳氢化合物。根据分子 中的碳架结构，可以把烃分成饱和烃与不饱和烃两大类。饱和烃一般指烷烃和环烷烃，不饱 和烃一般包括烯烃、炔烃和芳香烃。 7.2.1烷烃 烷烃是指分子中的碳原子以单键相连，其余的价键都与氢原子结合而成的化合物。烷 烃属于饱和烃，饱和意味着分子中的每一个碳原子都达到了与其他原子结合的最大限度。烷 烃中最简单的是甲烷，分子式是CH4,乙烷、丙烷、丁烷和戊烷的分子式分别为：C2H6, C3Hg,CHo和CsH2。上述烷烃的性质也很相似。这样的一系列化合物叫做同系列。同系 列中的各个化合物彼此互称为同系物。CH2则叫做同系列的系差。同系物具有相类似的化学 性质，其物理性质一般随分子中碳原子的递增而有规律的变化。总体来说，分子量越大的烷 烃，其熔沸点越高，密度越大。 通式：CnH2n+2 简式：CH3(CH2)3CH3,CH3CH2CH(CH3)2.C(CH3)4 L.烷烃的结构 甲烷是最低级的烷烃，在讨论烷烃分子结构之前，首先介绍甲烷的分子结构。甲烷的分 H H-C一H 子式为CH4,一般把其结构式写成：( )。但这只能说明分子中碳原子与四个氢 原子直接相连，而没有表示出氢原子与碳原子在空间的相对位置，即分子的立体形象。实验 证明甲烷分子里的碳原子和四个氢原子不在一个平面上，而是形成正四面体的立体结构，可 用模型来表示（见下图）。甲烷中的碳原子采取sp杂化H一C一H间键的夹角是10928'。 图：甲烷分子模型 Sp杂化又称正四面体杂化，四个sp杂化轨道对称地分布在碳原子的周围，它的对称轴之间 的夹角是109.5°，这样的排布可以使四个轨道彼此在空间的距离最远，电子之间的相互斥 力最小，体系最稳定。 由碳原子的四个sp杂化轨道与四个氢原子的s轨道进行重叠，形成四个相等的C一H 共价键而构成甲烷分子。 在构成甲烷分子时，碳氢键是轨道沿着对称轴方向相互重叠所形成的共价键，其特点 是电子云分布呈圆柱形轴对称，两核连线之间电子云密度最大，这种键叫做σ键。σ键比较
第 7 章 有机化学 4 7.2 饱和烃和不饱和脂肪烃 由碳和氢两种元素组成的有机物叫做烃(hydrocarbon)，也叫做碳氢化合物。根据分子 中的碳架结构，可以把烃分成饱和烃与不饱和烃两大类。饱和烃一般指烷烃和环烷烃，不饱 和烃一般包括烯烃、炔烃和芳香烃。 7.2.1 烷烃 烷烃是指分子中的碳原子以单键相连，其余的价键都与氢原子结合而成的化合物。烷 烃属于饱和烃，饱和意味着分子中的每一个碳原子都达到了与其他原子结合的最大限度。烷 烃中最简单的是甲烷，分子式是 CH4，乙烷、丙烷、丁烷和戊烷的分子式分别为：C2H6， C3H8，C4H10 和 C5H12。上述烷烃的性质也很相似。这样的一系列化合物叫做同系列。同系 列中的各个化合物彼此互称为同系物。CH2则叫做同系列的系差。同系物具有相类似的化学 性质，其物理性质一般随分子中碳原子的递增而有规律的变化。总体来说，分子量越大的烷 烃，其熔沸点越高，密度越大。 通式： CnH2n+2 简式：CH3(CH2)3CH3, CH3CH2CH(CH3)2, C(CH3)4 1. 烷烃的结构 甲烷是最低级的烷烃，在讨论烷烃分子结构之前，首先介绍甲烷的分子结构。甲烷的分 子式为 CH4，一般把其结构式写成：（ C H H H H ）。但这只能说明分子中碳原子与四个氢 原子直接相连，而没有表示出氢原子与碳原子在空间的相对位置，即分子的立体形象。实验 证明甲烷分子里的碳原子和四个氢原子不在一个平面上，而是形成正四面体的立体结构，可 用模型来表示（见下图）。甲烷中的碳原子采取 sp³杂化 H—C—H 间键的夹角是 109°28’。 图：甲烷分子模型 sp³杂化又称正四面体杂化，四个 sp³杂化轨道对称地分布在碳原子的周围，它的对称轴之间 的夹角是 109.5° ，这样的排布可以使四个轨道彼此在空间的距离最远，电子之间的相互斥 力最小，体系最稳定。 由碳原子的四个 sp³杂化轨道与四个氢原子的 s 轨道进行重叠，形成四个相等的 C—H 共价键而构成甲烷分子。 在构成甲烷分子时，碳氢键是轨道沿着对称轴方向相互重叠所形成的共价键，其特点 是电子云分布呈圆柱形轴对称，两核连线之间电子云密度最大，这种键叫做 σ 键。σ 键比较
第7章有机化学 牢固，能自由旋转，而不影响电子云重叠程度。一个碳原子的$p杂化轨道与另一个碳原子 的sp杂化轨道也能形成C一C之间的σ键。任何两个原子轨道，只要是沿着轨道对称轴方 向相互重叠所形成的键都叫σ键。 2.烷烃的化学性质 烷烃中的碳都是饱和的，所以化学性质稳定。常温下与强酸、强碱、强氧化剂及还原 剂都不易反应，所以通常除作为燃料外，常用作溶剂，润滑油来使用，在较特殊的条件下， 烷烃也显示一定的反应性能，而这些化学性质在基本有机原料工业及石油化工中都非常重 要。结构决定性质，同系列中各化合物的结构是相似的，因此它们的化学性质也基本相似， 但是同系列中碳原子数差别较大的同系物间，反应速率会有较大差别，有时甚至不反应。 (1)取代反应 烷烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代的反应称为取代反应。如被卤素取代的反 应称卤代反应。 卤代反应 烷烃与卤素在室温和黑暗中并不起反应，但在高温下或光照下，可以发生反应生成卤代 烷和卤化氢。工业上常用甲烷的氯代反应来生产氯甲烷 CH +Cl-hv>CH,CI+HC1+99.8kJ /mol CH CI+CL->CH,CL HCI CH,CL,+Cl,-hw>CHCL+HCI CHCL,+CL,"→CCL,+HCI 所生成的氯甲烷可以继续反应生成二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）及四氯化碳 不同卤素的反应活性为：F2>C2>Br2>2 不同氢原子的反应活性：3°氢>2°氢>1°氢 HHH CH3CH3 H --CH3 店/HCH 伯1仲2°叔3°季4° (参见课本p174) 卤代反应的机理一自由基历程 反应机理是指化学反应所经历的途径和过程（也叫反应历程、反应机制）。反应机理是 基于大量的实验事实而做出的理论推导。了解反应机理对掌握反应规律，控制反应条件等生 产实践有指导意义。 烷烃的卤代反应属于自由基反应，反应机理大致经历以下三个步骤： (①链的引发 在光照或高温下，氯分子吸收能量而分解为两活泼的氯原子： C12hD→2C1.△=243k灯ao1 (i）链的增长 氯原子可以夺取烷烃分子中的氢原子而生成甲基自由基CH,CH再与氯分子作用生成一 氯甲烷和一个新的氯原子，反应可重复进行。 5
第 7 章 有机化学 5 牢固，能自由旋转，而不影响电子云重叠程度。一个碳原子的 sp³杂化轨道与另一个碳原子 的 sp³杂化轨道也能形成 C—C 之间的 σ 键。任何两个原子轨道，只要是沿着轨道对称轴方 向相互重叠所形成的键都叫 σ 键。 2. 烷烃的化学性质 烷烃中的碳都是饱和的，所以化学性质稳定。常温下与强酸、强碱、强氧化剂及还原 剂都不易反应，所以通常除作为燃料外，常用作溶剂，润滑油来使用，在较特殊的条件下， 烷烃也显示一定的反应性能，而这些化学性质在基本有机原料工业及石油化工中都非常重 要。结构决定性质，同系列中各化合物的结构是相似的，因此它们的化学性质也基本相似， 但是同系列中碳原子数差别较大的同系物间，反应速率会有较大差别，有时甚至不反应。 （1）取代反应 烷烃分子中的氢原子被其它原子或基团所取代的反应称为取代反应。如被卤素取代的反 应称卤代反应。 卤代反应 烷烃与卤素在室温和黑暗中并不起反应，但在高温下或光照下，可以发生反应生成卤代 烷和卤化氢。工业上常用甲烷的氯代反应来生产氯甲烷 所生成的氯甲烷可以继续反应生成二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）及四氯化碳. 不同卤素的反应活性为：F2>Cl2>Br2>I2 不同氢原子的反应活性: 3º氢>2º氢>1º氢 (参见课本 p174) 卤代反应的机理——自由基历程 反应机理是指化学反应所经历的途径和过程（也叫反应历程、反应机制）。反应机理是 基于大量的实验事实而做出的理论推导。了解反应机理对掌握反应规律，控制反应条件等生 产实践有指导意义。 烷烃的卤代反应属于自由基反应，反应机理大致经历以下三个步骤： (i) 链的引发 在光照或高温下，氯分子吸收能量而分解为两活泼的氯原子： (ii) 链的增长 氯原子可以夺取烷烃分子中的氢原子而生成甲基自由基 CH3，CH3 再与氯分子作用生成一 氯甲烷和一个新的氯原子，反应可重复进行。 CH Cl Cl HCl kJ mol 4 2 3 CH 99.8 / h CH Cl Cl CH Cl HCl 3 2 2 2 h CHCl Cl Cl HCl 3 2 4 C h CH Cl Cl CHCl HCl 2 2 2 3 h C H H C C H C H H C H H H CH3 CH3 CH3 CH3 伯1。仲2。叔3。季4