第一章 有机化合物的结构特点与研究方法——第一节 有机化合物的结构特点

仅由氧元素和氢元素组成的稳定的化合物只有两种:H₂O和H₂O₂,而仅由碳元素和氢元素组成的烃类物质,目前已知结构的已有上千种。有机化合物分子结构的复杂多变与碳原子的成键特点、碳原子间的结合方式,以及分子中各原子在空间的排布有着密切关系。

一、有机化合物的分类方法
有机化合物数量繁多,为便于研究,需要对其进行合理分类。按照不同的结构特点,有机化合物主要有两种分类方法,一是依据构成有机化合物分子的碳骨架来分类,二是依据有机化合物分子中的官能团来分类。
1.依据碳骨架分类
根据碳原子组成的分子骨架,有机化合物主要分为链状化合物和环状化合物。链状化合物又可分为脂肪烃(如丁烷CH₃CH₂CH₂CH₃)和脂肪烃衍生物(如溴乙烷CH₃CH₂Br),环状化合物又可分为脂环化合物和芳香族化合物,脂环化合物包括脂环烃(如环己烷)和脂环烃生物(如环己醇),芳香族化合物包括芳香烃(如苯)和芳香烃行生物(如溴苯)。
2.依据官能团分类
烃分子中的氢原子可以被其他原子或原子团所取代,得到烃的衍生物。如甲烷中的氢原子被氯原子取代得到氯代甲烷,它还可以经过化学反应,进一步转变为甲醇(CH₃OH)、甲醛(HCHO)等一系列烃的衍生物。
甲烷在常温下为气体,难溶于水,化学性质比较稳定。甲醇则在常温下为液体,与水互溶,能与羧酸反应生成酯。甲醇的这些特性取决于其分子中含有的羟基,像这样决定有机化合物特性的原子或原子团叫官能团。根据有机化合物分子中的官能团,可以对有机化合物进行分类。

二、有机化合物中的共价键
在有机化合物的分子中,碳原子通过共用电子对与其他原子形成不同类型的共价键,共价键的类型和极性对有机化合物的性质有很大的影响。
1.共价键的类型
有机化合物的共价键有两种基本类型：σ键和π键。
(1)σ键 甲烷分子中的C—H和乙烷分子中的C—C都是σ键。在甲烷分子中,氢原子的1s轨道与碳原子的一个sp³杂化轨道沿着两个原子核间的键轴,以“头碰头”的形式相互重叠,形成σ键。通过σ键连接的原子或原子团可绕键轴旋转而不会导致化学键的破坏。
(2)π键 在乙烯分子中,两个碳原子均以sp³杂化轨道与氢原子的1s轨道及另一个碳原子的sp²杂化轨道进行重叠,形成4个C—H σ键与一个C—C σ键;两个碳原子未参与杂化的p轨道以“肩并肩”的形式从侧面重叠,形成了π键。π键的轨道重叠程度比σ键的小，所以不如σ键牢固,比较容易断裂而发生化学反应。通过π键连接的原子或原子团不能绕键轴旋转。
一般情况下,有机化合物中的单键是σ键,双键中含有一个σ键和一个π键,三键中含有一个σ键和两个π键。一般的有机反应就是有机化合物分子中旧共价键断裂和新共价键形成的过程,共价键的类型与有机反应的类型密切相关。例如,甲烷分子中含有C—H σ键,能发生取代反应;乙烯和乙炔分子的双键和三键中含有π键,它们都能发生加成反应。
2.共价键的极性与有机反应
由于不同的成键原子间电负性的差异,共用电子对会发生偏移。偏移的程度越大,共价键极性越强,在反应中越容易发生断裂。因此有机化合物的官能团及其邻近的化学健往往是发生化学反应的活性部位。
【实验1-1】 向两只分别盛有蒸馏水和无水乙醇的烧杯中各加入同样大小的钠(约绿豆大),观察现象。
注意：操作时请注意安全，不要近距离俯视烧杯！
实验表明,乙醇与钠能发生反应放出氢气,原因在于乙醇分子中的氢氧键极性较强,能够发生断裂。同样条件下,乙醇与钠的反应没有水与钠的反应剧烈,这是由于乙醇分子中氢氧键的极性比水分子中氢氧键的极性弱。基团之间的相互影响使得官能团中化学键的极性发生变化,从而影响着官能团和物质的性质。
另外,由于羟基中氧原子的电负性较大,乙醇分子中的碳氧键极性也较强,在乙醇与氢溴酸的反应中,碳氧键发生了断裂。
共价健的断裂需要吸收能量,而且有机化合物分子中共价键断裂的位置存在多种可能。相对无机反应,有机反应一般反应速率较小,副反应较多,产物比较复杂。

三、有机化合物的同分异构现象
同分异构现象在有机化合物中十分普遍，这也是有机化合物数量非常庞大的原因之一。
化合物具有相同的分子式,但具有不同结构的现象叫同分异构现象,具有同分异构现象的化合物互为同分异构体。一般情况下,有机化合物分子中的碳原子数目越多,其同分异构体的数目也越多。
有机化合物的同分异构现象主要有构造异构和立体异构。构造异构主要包括由碳骨架不同而产生的碳架异构,由官能团的位置不同而产生的位置异构,以及由官能团不同而产生的官能团异构。立体异构有顺反异构和对映异构等,我们将会陆续学习。