1 绪论绪论 内内 容容 提提 要要 本章介绍了有机化学和有机化合物的基本概念及其特点，整体提出了有机化学研究的 对象和方法，并讲述了如何学习有机化学这门课程。重点讲述了有机化合物的构效关系， 有机化合物的结构及其表征方法、命名规则等。 1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学 1.1.1 有机化合物和有机化学有机化合物和有机化学 Organic 一词的意思是有机的、有生命的。Organic Compound 的最初含义是指有生机 之物。因为在 18 世纪以前，化学理论的不完善和合成技术的落后，当时已知的许多化合物 只能从生物体中分离得到，并认为这些化合物不能用人工方法合成。因而这些化合物被叫 做有机化合物，而研究这些化合物的化学称为有机化学(Organic Chemistry)。因此，有机 化合物的最初定义是指来源于动、植物体的物质，以便与来自矿石的无机物相区别。 到了 19 世纪，随着科学的发展和研究的深入人们发现，从生物体中分离得到的有机化 合物也可以在实验室由无机化合物合成。1828 年，魏勒(Whler F.)在实验室用氰酸铵合成 尿素： NH4OCN H2N C O NH2 第一次从典型的无机化合物合成了有机化合物。这一工作极大地动摇了在当时占统治地位 的“生命力说” ，人们已开始重新考虑有机化合物的定义。在不断的研究中，人们发现，有 机化合物分子中都含有碳元素。葛梅林(Gmelin L.)和凯库勒(Kekule A.)提出碳是有机化合物 的基本元素，并把含碳化合物称为有机化合物，因而有机化学被定义为研究碳化合物的化 学。有机化合物这个名称一直使用至今，已经失出了它最初的意义。 有机化合物除了含碳元素以外一般均含有氢元素。许多有机化合物还含有 N、O、S、P、Si、卤素等元素。我们把只含碳、氢两种元素的有机化合物称为烃，其它有 机化合物都可以看成是烃的衍生物。如果我们严格地把有机化合物定义为烃及其衍生物， 则有机化学就是研究烃及其衍生物的化学。 应该注意的是，单质碳、碳的氧化物、碳酸及其盐、氰化物等都含有碳元素，但它们 不是有机化合物。这主要是由于它们的结构、性质和来源都不同于有机化合物。 元素周期表中有一百多种元素，我们为什么把含碳化合物同其它一百多种元素的化合 物分开来讨论呢？主要原因之一是由于含碳化合物数目庞大，目前已知的有机化合物有 2000 多万种，并且这个数目还在以每年大约 15 万种的速度增加，而其它一百多种元素形 成的无机化合物也只不过十多万种。另一个原因是种类繁多、数目庞大的含碳化合物的结 构、物理性质及其化学性质与其它化合物有很大区别。 1.1.2 有机化合物的特点有机化合物的特点 一般地讲，我们从有机化合物的结构和性质上研究其特点。 1.1.2.1 结构上的特点结构上的特点 有机化合物分子中的化学键一般是共价键，而无机化合物一般是离子键；有机化合物 分子之间是范德华力，无机化合物分子之间是静电引力；有机化合物分子结构复杂，例如 维生素 B12 的分子式为 C63H90O4PCo，青霉素 G 分子中有 3 个手性中心，含有多官能团的 双环内酰胺，其结构如下： N S O H H CH3 COOH PhCH2CONH CH3 H G 而无机化合物的结构相对简单一些，但无机化合物中也有结构和功能复杂的化合物。 1.1.2.2 1.1.2.2 性质上的特点性质上的特点 由于有机化合物结构上的特点，导致其与无机化合物，特别是与无机盐类相比较，有 机化合物在性质上有较明显的差异。 有机化合物一般有如下性质上的特点： (1) (1) 大多数有机化合物都可以燃烧，有些有机化合物如汽油等很容易燃烧。 (2) (2) 一般有机化合物的热稳定性较差，受热易分解，许多有机化合物在 200300 时即逐渐分解。 (3) (3) 许多有机化合物在常温下是气体或液体。一些常温下为固体的有机化合物，它 们的熔点一般也很低，熔点超过 300的有机化合物很少，这是由于有机化合物晶体 一般是由较弱的分子间引力维持所致。 (4) (4) 一般有机化合物的极性较弱或是完全没有极性，而水是极性强、介电常数很大 的液体，因此一般有机化合物难溶或不溶于水。但一些极性较强的有机化合物，如 低级醇、羧酸、磺酸等也易溶于水。不溶于水的有机化合物往往可溶于某些有机溶 剂，如苯、乙醚、丙酮、石油醚、乙酸乙酯等。 (5) (5) 有机化合物的化学反应，多数不是离子型反应，而是分子中共价键的断裂和形 成的反应。除了某些反应(多数为放热的自由基型反应)的反应速度极快外，大多数有 机反应速度较慢，需要一定时间才能完成。为了加速反应，往往需要辅以加热、光 照或加催化剂等手段来增加分子能量、降低反应活化能或改变反应历程来实现。 (6) 有机反应产物往往不是单一的，在一个反应体系中可能进行若干不同途径的反应，得 到几种产物。一般把在某一特定条件下进行的主要反应叫做主反应，其它的反应叫做 副反应。 有机化合物与无机化合物的性质差别并不是绝对的。例如，有机化合物 CCl4不但不能 燃烧，而且可用作灭火剂。有些有机化合物可耐高温；有些有机化合物可作为超导材料等。 随着金属有机的发展以及各学科间的相互渗透，有机化合物与无机化合物之间的差别逐步 缩小。 1.1.3 同系列与同分异构现象同系列与同分异构现象 同系列和同分异构现象是有机化学中的普遍现象，也是造成有机化合物数目庞大的主 要原因之一。 同系列：具有同一个分子结构通式，结构相似，化学性质也相似，物理性质随着碳原 子数的增加而有规律地变化的化合物系列，叫同系列。 同系列中的化合物互称为同系物。 例如甲烷(CH4)、乙烷(CH3CH3)、丙烷(CH3CH2CH3)互为同系物。在同系列化合物中，相邻 两个同系物之间的结构式相差一个结构单元，而不相邻的同系物中，结构相差该结构单元 的整数倍(例如在烷烃中，结构单元是 CH2)，这个结构单元叫系列差。 由于在同系列中，结构相似，化学性质也相似，物理性质也是有规律地变化，因此， 在有机化合物学习和研究中，一般研究一些典型的或者有代表性的化合物，就可以推断出 同系列中其它化合物的基本性质，这对有机化学的学习和研究是非常有用的。但是，在同 系列中，性质并不是完全相同。 在判断两个化合物是否为同系物时，最重要的因素是要考虑它们的结构而不是分子式。 例如：CH3CHO(C2H4O)乙醛，CH3COCH3(C3H6O)丙酮，CH3CH2CH2CHO(C4H8O)丁醛，虽 然通式均为 CnH2nO， 但并不都是同系物。 同分异构现象：分子式相同而结构相异，因而其性质也各异的不同化合物，称为同分 异构体。这种现象叫同分异构现象。 同分异构现象在有机化学中普遍存在。一个分子式可 以代表许多不同的有机分子。例如分子式 C2H6O 可代表乙醇 CH3CH2OH 或甲醚 CH3OCH3 两种结构不同因而性质也不同的化合物，它们互为同分异构体。 HCC H H O H H HHCO H H CH H H 又如 C4H10包含丁烷和异丁烷两种不同结构的同分异构体。 HCC H H C H H CHCC H H CH H H H H H H H H CH H H (2- ) 显然，一个有机化合物含有的碳原子数和原子种类愈多，分子中原子间的可能排列方 式也愈多，它的同分异构体也愈多。例如，分子式 C4H10的烷烃的同分异构体数只有 2 个， 而分子式为 C10H22的同分异构体数可达 75 个。丁烷和异丁烷的异构现象，只是分子中各 原子间相互结合的顺序不同而引起的，这只是构造(constitution)不同而导致的异构现象。这 种由于原子间结合顺序不同而导致的异构现象叫做构造异构(constitution isomerism)。除此 之外，还有构型异构(configuration isomerism)和构象异构(conformation isomerism)。 在有机化学中，化合物的结构(Structure)是指分子中原子间的排列次序、原子间的相对 立体位置、化学键的结合状态以及分子中电子的分布状态等各项内容在内的总称。这些都 将在以后陆续讨论。 因此，对于有机化合物不能用分子式来表示，而要用结构式或者结构简式来表示。 1.1.4 有机化学的研究内容和任务有机化学的研究内容和任务 1.1.4.1 有机化学的研究内容有机化学的研究内容 有机化学的研究内容非常广泛，至少包括以下几个方面。 1、 天然产物的研究从天然产物中分离、提取纯粹的有机化合物，进行结构测定和性能 研究，尤其是生物活性研究，从有机化合物的发现开始，天然产物的研究一直是一个非常 活跃且取得很大成绩的研究领域。随着实验和分析技术的进步，目前已经能够分离含量极 少的天然产物，如维生素、激素、植物生长素、昆虫信息素等。 2、 2、 有机化合物的结构测定 由天然产物中分离或通过合成方法得到的有机化合物都 需要 经过结构测定，了解它们与其它有机化合物之间的关系或研究有机化合物的结构与性质之 间的关系。以前结构测定全靠化学方法，测定一个复杂的天然产物的结构需要很多年的艰 苦工作。现在，结合化学方法和近代物理方法(如紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱、质谱、 元素分析、热分析法等)对有机化合物进行结构测定，研究有机化合物的结构与性质之间的 关系就比较容易。 3、 3、 有机合成 从天然产物中分离的有机化合物经过结构测定后，就可以根据结 构，按照一定方法从容易得到的原料合成具有确定结构的有机化合物。例如：靛蓝是一种 从植物中提取的染料，测定了它的结构后，发展了工业生产靛蓝的方法，完全取代了天然 的靛蓝。通过有机合成不但可以验证所确定的天然产物结构的正确性，还可以得到一系列 与天然产物结构类似的化合物，从中筛选性能更好的产物。许多工业部门，如染料、医药、 农药等都是在合成的基础上建立起来的。天然产物的合成，新化合物的合成以及合成方法 的研究都是有机合成的研究内容。 4、 反应机理的研究运用化学分析技术和近代物理分析仪器，结合理论化学原理和理论， 对反应中间体、反应过程进行研究。通过反应机理的研究可以加深对有机反应的理解，有 助于合理地改变实验条件，提高合成效率。通过反应机理的研究还可以了解结构与反应活 性之间的关系。 化学学科是一个整体，它的各个分支，如无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、 生物化学等都是互相联系，互相渗透，互相促进的。无论从事化学中哪一个领域的工作， 都必须具备有机化学的基础知识。如无机化合物的分离和分析中用到的有机化合物愈来愈 多；络合物中络合剂大部分是有机化合物；发展很快的金属有机化学则是无机化学和有机 化学之间的边缘学科。因此，有机化学是化学各专业一门重要的基础课，有机化学基本知 识和实验技能对各专业都是必需的。 1.1.4.2 有机化学的任务有机化学的任务 有机化学与人民生活，国民经济和国防建设等方面都有着密切的关系。一百多年来， 随着有机化学的发展，我们的物质世界发生了一场大革命。例如，天然的石头，石油，水， 空气和盐可以变成布匹和人造羊毛等，这在一百多年以前是不可想象的事情。本世纪四十 年代新兴的高分子技术，使人类开始进入了征服材料的时代。目前，布匹，皮革和各种生 活用具，无不可以从高分子原料合成。有机导体、有机超导、有机磁性材料、有机光学材 料和光电转换材料正在代替传统材料而迅速发展，成为当今有机化学的前沿领域并展现美 好的前景。随着生物技术的发展， “基因工程”取得较大的进展，在此基础上产生的杂交水 稻大大缓解了因人口增长带来的粮食短缺问题。 然而，有机化学的发展远没有中止，人类已经向有机化学提出了更新更严峻的挑战。 目前，世界人口仍不断增加，自然资源不断减少，人类生存已经受到严重威胁。因此，制 造人类食物以代替天然蛋白质，淀粉等食物是摆在有机化学工作者面前的一个紧迫