经全国中小学教材审定委员会 2004年初审通过 普通高中课程标准实验教科书 化学 选修5 有机化学基础 人民教育出版社课程教材研究所编著 化学课程教材研究开发中心
目录 引言 认识有机化合物 第一节有机化合物的分类 第二节有机化合物的结构特点 第三节有机化合物的命名 13 第四节研究有机化合物的一般步骤和方法 17 归纳与整理 复习题 第二章烃和卤代 26 第一节脂肪烃 第二节芳香烃 第三节卤代烃 归纳与整理 87红45 复习题 第三章烃的含氧衍生物 46 第一节醇酚 第二节醛 第三节羧酸酯 第四节有机合成 归纳与整理 复习题 62 第四章生命中的基础有机化学物质 第一节油脂 74 第二节糖类 第三节蛋白质和核酸 归纳与整理 98% 复习题 第五章进入合成有机高分子化合物的时代 第一节合成高分子化合物的基本方法 第二节应用广泛的高分子材料 第三节功能高分子材料 归纳与整理 复习题 118 结束语有机化学与可持续发展 120 元素周期表
引言 经过初中化学和高中化学基础模块的学习之后,相信大家对于有机化学已经不再陌生 了。有一个问题不知道同学们想过没有,化学家最初把化合物区分为有机化合物和无机化 合物,是从它们来源的不同出发的,他们曾经认为,有机化合物只能来自有生命的动植物 (这种看法被称为“生命力论”)。1828年,维勒偶然发现由典型的无机化合物氰酸铵 ( NH CNO)通过加热可以直接转变为动物排泄物—尿素( NH CONH)的实验事实,促 使人们把原来按照“生命力论”对化合物进行分类的方法,改变为按照元素组成为基础的 分类方法。既然如此,在元素周期表的百余种元素中,为什么只有碳元素会独领风骚,它 的化合物和其他元素的化合物在化学中“平分天下”独成一类呢? 也许有同学会从有机化合物数目多、用途广泛来解释这个问题。这种分类方法存在着 很大的随意性和不确定性,在科学上很少用作分类的依据。化学是一门主要从组成、结 构、性质和变化的角度来研究物质的科学,化合物之所以被区分为无机化合物和有机化合 物,只有从这个角度来理解才是合理的。也只有这样,我们才能学好有机化学。 在元素大家族中,碳是一个非常奇特的元素。在无机物中,它有着像金刚石、石墨和 富勒烯(如C)这样性质和结构截然不同的单质,这种情况在周期表的其他元素中是很 少见的。在生命领域中,有机化合物不仅数量多,而且在生命过程中起着关键作用。此外 在人工合成的新化合物中(2008年的化合物总数已经超过3000万种),有机化合物所占 比例更是远远地超过了无机化合物。对于有机化合物和无机化合物之间的这种差别,只有 从化学的角度,并通过与我们比较熟悉的无机化合物的对比,才能够对此有一个比较清晰 的认识。什么是化学的角度?那就是依据近代原子分子结构和化学键理论,从组成、结 构、性质和变化来研究和认识物质的角度。此外,虽然研究化学物质和现象的理论方法已 经取得很大的进步(有多项诺贝尔化学奖与此有关),但是以实验为主并要求实证,仍然 是研究和学习化学的最重要的方法。近年来,有机化学研究中理论方法和实验方法相结合 所取得的成绩非常突出。例如,有机化学家可以根据需求设计药物分子及功能材料等。这 与碳元素的成键特性比较简单,以及人们对于有机分子结构与功能的关系有了比较深刻的 认识有一定的关系 最简单的分子设计,可以通过选取某个碳链和碳环作为基体,然后把碳链或碳环上原 来由氢原子所占据的位置,换成具有所期望的某种性质的官能团的方法来实现。在这里官 能团就像积木中的“功能”模块一样。这种思路可以用于新分子合成路线的拟定。合成出 来的分子的组成、相对分子质量和分子结构,可以很方便地利用现代分析仪器及技术迅速 地加以测定。对于一些组成比较简单、有官能团特征性检出反应的分子,化学分析方法仍 然是一种常用的方法。例如,利用溴的四氯化碳溶液或KMnO4酸性溶液的褪色反应检验 分子中是否存在不饱和键;利用醛基的还原性反应来测定尿样中是否含有葡萄糖等
合成有机高分子化合物的发明,开创了一个以组成和结构都非常简单的有机化合物为 原料,制备性能相仿,甚至超过天然纤维、橡胶和其他材料的新时代,而且已经发展成为 巨大的石油化工工业。高分子材料的改性可以在原料阶段进行,也可以在生成高分子的同 时进行,还可以在生成高分子化合物之后再进行修饰。从而使得高分子材料可以具有一般 有机化合物所没有的性能。例如,导电高分子、高吸水性树脂、能够发射激光的高分子、 具有生物活性的高分子、能够抗辐射的高分子和具有形状记忆功能的高分子等 当你们学习了“有机化学基础”之后,就能体会到,神奇出自平凡,创新源自思考和 需求,化学的魅力也就在其中
1有机化合物的分类 有机化合物从结构上有两种分类方法:一是按照构成有机化合物分子的碳的骨架来分 类;二是按反映有机化合物特性的特定原子团来分类 、按碳的骨架分类 按碳原子组成的分子骨架,有机化合物可分为链状化合物(如丁烷)和环状化合物, 环状化合物又包括脂环化合物(如环已烷)和芳香化合物(如苯)。人们往往又将链状烃 称为脂肪烃。 链状化合物(如CHCH2CH2CH3) 有机化合物 脂环化合物(如 环状化合物 芳香化合物(如[) 按官能团分类 烃分子里的氢原子可以被其他原子或原子团所取代, 衍生出一系列新的化合物。如CH4中的氢原子被氯原子官能团 functional group 取代得到CHCl,CHCl还可以经过化学反应转变为其 他有机化合物,如甲醇(CHOH)、乙酸( CH3 COOH)等。这些化合物从结构上看,都 可以看作是烃的衍生物。 甲烷在常温下为气体,几乎不溶于水。甲醇沸点较高,常温下为液体,和水能以任意 比例相互混溶;甲醇还能与羧酸反应生成酯。甲醇的这些特性取决于甲醇分子中含有的氢 氧形成的原子团—羟基(-OH),决定化合物特殊性质的原子或原子团叫官能团。由于双键 和三键决定了烯烃和炔烃的化学性质,也被看成是一种官能团。表1-1列出了常见有机物的类 别和官能团。 表1-1有机物的主要类别、官能团和典型代表物 类别 官能团 典型代表物的名称和结构简式 烷烃 甲烷 CHa 烯烃 双键 乙烯 CH,-CH: 炔烃 C=C-三键 乙炔 CH-CH 4第一章认识有机化合物
续表 类别 官能团 典型代表物的名称和结构简式 芳香烃 苯 卤代烃 X(X表示卤素原子) 溴乙烷 CH, CH, Br 醇 OH羟基 乙醇 CH, CH,OH OH羟基 苯酚 COC醚键 乙醚 CH CH, OCH CH 醛 C-H醛基 乙醛 CH2-C一H C-羰基 丙 CH,-C-CH, 羧酸 COH羧基 乙酸 CH,-C--OH O-R酯基 乙酸乙酯 CH,-C-0-C2H 学与向 按官能团的不同可以对有机物进行分类,你能指出下列有机物的类别吗? CH OH COOH H HO -CHs 第一节有机化合物的分类5
习/题 1.下列物质中不属于有机物的是()。 A.氤化钠(NaCN) B.醋酸( CH: COOH) C.乙炔(C2H2) D.碳化硅(SiC 2.当前在人类已知的化合物中,品种最多的是() A.VA族元素的化合物 B.ⅢB族元素的化合物 C.过渡元素的化合物 D.NA族元素的化合物 3.请你按官能团的不同对下列有机物进行分类 (1) CH CH-CH, (2) CH-C--CH: CH OH (3 CH, (4) CH, CH: CH: C H (5)H CH, (6)CC4 6第一章认识有机化合
2有机化合物的结构特点 仅由氧元素和氢元素构成的化合物,至今只发现了两种:HO和H2O2,而仅由碳元 素和氢元素构成的化合物却超过了几百万种,形成了极其庞大的含碳元素的化合物“家 族”,这与碳原子的成键特点和碳原子间的结合方式有关。 有机化合物中碳原子的成键特点 碳原子最外层有4个电子,不易失去或获得电子而形成阳离子或阴离子。碳原子通过 共价键与氢、氧、氮、硫、磷等多种非金属形成共价化合物。科学实验证明,甲烷分子 里,1个碳原子与4个氢原子形成4个共价键,构成以碳原子为中心,4个氢原子位于四 个顶点的正四面体立体结构。 科学实验还表明,在甲烷分子里,4个碳氢键是等同的,它们的键长均为 109,3pm,两个碳氢键间的夹角均为109°28,键能为4134kJ·mol 资料卡片 键长;成键的2个原子, H氵CxH H-C-H 原子核间的距离称为键长。 键角:分子中1个原子 H 电子武 结构式 与另外2个原子形成的两个 正四面体结构示意图 共价键在空间的夹角称为 键角 健能:以共价键蛄合的 双原子分子,裂解成原子时 球棍糢型 比例模望 所吸收的能量称为该种共价 键的键能,键能越大,化学 图11甲烷分子的电子式、结构式、正四面体结构示意图、球棍模 键越稳定 型和比例模型 由于碳原子的成键特点,每个碳原子不仅能与氢原子或其他原子形成4个共价键,而 且碳原子之间也能以共价键相结合。碳原子间不仅可以形成稳定的单键,还可以形成稳定 的双键或三键。多个碳原子可以相互结合成长短不一的碳链,碳链也可以带有支链,还可 以结合成碳环,碳链和碳环也可以相互结合。因此,含有原子种类相同,每种原子数目也 相同的分子,其原子可能具有多种不同的结合方式,形成具有不同结构的分子 ①1p=10-1m, 第二节有机化合物的结构特点7
到学视导碳原子的sp杂化与甲烷的结构 甲烷分子具有正四面体结构,它为什么会具有这样的结构呢? 我们巳经知道,多电子原子的核外电子的能量是不同的。按电子的能量差异,可以将 核外电子分成不同的能层(即电子层)。理论研究还诬明,多电子原子中,同一能层的电 子,能量也可能不同,还可以把它们分成能级,并用符号ns、叩等表示。例如,第一能层 有1个能级(1s),第二能层有2个能级(2s和2p),等等。当电子在不同的能级里运动时, 其运动区城是不冋的。人们根据电子的能量差异和运动区城的不同,认为核外咆子分别处 在不同的轨道上运动,并用s、p等来表示不同形状的轨道(如图12)。在每个轨道里最多 只能容纳2个电子。 轨道 p轨道 图12s和p轨道 在碳原子里,核外的6个电子中2个电子占据了1s轨道,2个电子占据了2s轨道,2 个电子占据了2p轨道。 当碳原子跟4个氩原子形成甲婉时,碳原子的1个2s轨道和3个2p轨道会发生混 杂,混杂后保持原有轨道总数不变,却得到4个相同的轨道,央角都是10928,称为sp 杂化轨道(如图13)。碳原子的sp3杂化轨道与氨原子的1s轨道沿轨道对称轴重叠形成 了碳氢σ键,这就构成了甲烷分子的正四面体结构(如图1-4)。 烷烃分子是由碳氢和碳碳σ键组成的。σ键的强度较大,组成σ键的两个原子可以围 绕键轴旋转,不影响键的强度。 8第一章认识有机化合物
图133p3杂化轨道 图14甲烷分子的正四面体结构 、有机化合物的同分异构现象 固与交流 4 1,以组成为CH12的戊烷的三种同分异构体为例,回忆有关同分异构体的知识。 2.思考讨论并完成下表。 物质名称 正戊烷 异戊烷 新戊烷 结构式 相同点 不同点 Q 正戊烷 异戊烷 新戊烷 图15三种戊烷的球棍模型 化合物具有相同的分子式,但结构不同,因而产生了 性质上的差异,这种现象叫同分异构现象。具有同分异构同分异构现象 IsomerIsm 现象的化合物互为同分异构体。在有机化合物中,当碳原同分异构体 Isomer 子数目增多时,同分异构体的数目也就越多。同分异构现 象在有机化合物中十分普遍,这也是有机化合物在自然界中数目非常庞大的一个原因 第二节有机化合物的结构特点9