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第十章 有机化合物概述
一、有机化学和有机化合物
有机化学（organicchemistry)是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质、应用以及有关理论和方法学的科学。
人们在很早以前就认识了有机化合物的应用和变化，但是对它们的研究只是在近代才有较大的发展。从前，人们把来源于有生命的动物和植物的物质叫做有机化合物（organic compound)，而把从无生命的矿物中得到的物质叫无机化合物。有机化合物与生命有关系，所以人们认为它们是“有机”的，故称为有机化合物。实际上，有机化合物不一定都来自有机物，也可以以无机化合物为原料在实验室中人工合成出来。
大量的研究证明，有机化合物都含有碳元素，所以人们就把含碳的化合物叫做有机化合物。然而，除了碳以外，绝大多数的有机化合物还含有氢，有的也含有氧、硫、氮和卤素等。所以，现在就有人把有机化合物定义为碳氢化合物及其衍生物。但是，含碳的化合物不一定都是有机化合物，如一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐及金属氰化物等，由于它们的性质与无机化合物相似，因此习惯上仍把它们放在无机化学中讨论。所以，有机化学和有机化合物的“有机”二字，已不再反映其固有的涵义，只是历史上的原因迄今仍沿用罢了。有机化合物与无机化合物之间没有绝对的界限，也不存在本质的区别。然而，由于元素碳在周期表中的特殊位置，使得有机化合物在组成、结构和性质等方面有着明显的特点，所以有必要把有机化合物与无机化合物分别进行讨论。
有机化合物主要具有下面一些特点：
（1)有机化合物数目繁多，且自成系统
组成有机化合物的元素较少，除碳以外，还有氢、氧、硫、氮、磷及卤素等为数不多的元素。但有机化合物的数目却极为庞大，迄今已知的近1800万种化合物中，绝大多数都是有机化合物，而且新合成或被新分离和鉴定的有机化合物还在与日俱增。由碳以外的其它100多种元素组成的无机化合物的总数，还不到有机化合物的十分之一。
有机化合物之所以数目众多，主要有两个原因：（1)碳原子彼此之间能够进行多种方式的结合，生成稳定的、长短不同的直链、支链或环状化合物；（2)碳是周期表中第二周期第四族的元素，不仅能与电负性较小的氢原子结合，也能与电负性较大的氧、硫、卤素等元素形成化学键。
有机化合物的数目虽然很多，但根据它们之间的相互关系，可以统一在一个完整的体系中。
（2)热稳定性差，容易燃烧
与典型的无机化合物相比，有机化合物一般对热是不稳定的，有的甚至在常温下就能分解。虽然大多数的有机化合物在常温下是稳定的，但放在坩埚中加热，即炭化变黑，并且在完全燃烧后不留灰烬（有机酸的盐类等除外)。这是识别有机化合物的简单方法之一。
（3)熔点较低
有机化合物的熔点通常比无机化合物要低，一般在300℃以下就熔化。
（4)难溶于水，易溶于有机溶剂
多数有机化合物，易溶于乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂而难溶或不溶于水。但是当有机化合物分子中含有能够同水形成氢键的羟基、羧基、磺酸基等时，该有机化合物也有可能溶于水中。
（5)反应速度慢，常有副反应发生
虽然在有机酸和有机碱中，也有一些离解度较大的物质，但大多数的有机化合物电离度很小。所以，很多有机反应，一般都是反应速度缓慢的分子间的反应，往往需要加热或使用催化剂，而瞬间进行的离子反应很少。另外，分解或取代反应都是在分子中的某一部位发生，且在大多数情况下，反应分阶段进行。所以，往往有副产物生成或能够分离出多种反应中间产物。
有机化学是一门极具创新性的学科。在对重要的天然产物和生命基础物质（糖、脂、肽和核苷等)的研究中，有机化学取得了丰硕的成果。在21世纪，有机化学面临新的发展机遇。一方面，随着新的分离技术，物理方法以及生物学方法的不断涌现，人们在了解有机化合物的性能、反应以及合成方面将有更新的认识和研究手段。另一方面，材料科学和生命科学的发展以及人类对环境和能源的新要求，都给有机化学提出了新的课题和挑战，有机化学将在物理有机化学（包括计算化学)、有机合成化学、天然产物化学、金属有机化学、药物化学以及有机分析化学等多个方面得到发展。
二、有机化学与医学
研究医学的主要目的是为了防病、治病，研究的对象是组成成分复杂的人体。组成人体的物质除水和一些无机盐以外，绝大部分是有机物。例如，构成人体组织的蛋白质，与体内代谢有密切关系的酶、激素和维生素，人体贮藏的养分—糖原、脂肪等。这些有机化合物在体内进行着一系列复杂的变化（也包括化学变化)，以维持体内新陈代谢作用的平衡。为了防治疾病，除了研究病因以外，还要了解药物在体内的变化，它们的结构与药效、毒性的关系，这些都与有机化学密切相关。有机化学为生物化学、生物学、免疫学、遗传学、卫生学以及临床诊断等提供必要的基础知识。有关生命的人工合成，基因组和后基因组计划，癌症、艾滋病等的治疗都是目前医学和生物学正在探索的重大课题。在这些领域中也离不开有机化学的密切配合。
另外，有机化学与人类的生产和生活也有着十分密切的关系。它涉及数目众多的天然物质和合成物质，这些物质直接关系到人类的衣、食、住、行。我们身上穿的衣服，工业上使用的汽油、柴油、橡胶、塑料、油漆、染料以及杀虫剂、昆虫信息素等都是有机化合物。
三、组成有机化合物的化学键—共价键
典型的有机化合物与典型的无机化合物的主要差别在于组成分子的化学键不同。如上所述，有机化合物都含有碳，碳位于元素周期表第二周期第四族，它有四个价电子，在形成分子时，它既不易失去也不易得到四个电子，使其成为惰性元素的电子结构。因此，碳与其它原子结合时，是采取各自提供数目相等的电子，作为双方共有，并使每个原子达到稳定的八隅体结构。这种由共用电子对所形成的键叫做共价键（covalent bond)。由一对共用电子形成的键称为单键。由两对或三对共用电子所形成的键分别叫做双键或三键。它们是有机化合物中最常见的共价键。例如：
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四、有机化合物分子的结构
（一)分子式和构造式
分子式（molecularformula)是以元素符号表示分子组成的式子。由于它不能表明分子的结构，因此在有机化学中应用较少。分子结构的涵义包括：（1)分子中各原子的排列次序；（2)分子中各原子间相互结合的方式；（3)分子中各原子在空间的排布。只表示分子中各原子的排列次序及结合方式的式子叫做构造式（constitutional formula)。例如分子组成是C2H6O的化合物可以是构造不同的两个化合物。
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（沸点78.5℃，能与钠反应) （沸点-23.6℃，不能与钠反应)
构造式在有机化学中的应用最多，在推测和说明有机化合物的物理性质及化学性质时也极为重要。
（二)化合物的构型和构型式
构造式只是在平面上表示分子中各原子或原子团的排列次序和结合方式，医学招聘网是两维的。但是，分子结构是立体的，应当用三维表示法。例如最简单的甲烷分子，碳原子位于正四面体的中心，四个氢原子位于正四面体的四个顶点（图10-1a)。
为了形象地表明分子中各原子在空间的排布，往往借助分子模型表示。最常用的分子模型有两种，一是用各种颜色的圆球代表不同的原子，用木棍代表原子间的键。这种用圆球和木棍做成的模型称为球棒模型（图10-1b)。另一种是根据实际测得的原子半径和键长按比例制成的模型，叫做比例模型（图10-1c)。它能更准确地表示分子中各原子间的相互关系。
（a)甲烷的正四面体模型 （b)甲烷的球棒模型 （c)甲烷的比例模型
图10-1 甲烷的空间构型模型
在具有确定构造的分子中，各原子在空间的排布叫做分子的构型。为了在平面上表示有机化合物分子的立体结构，通常用实线表示在纸平面上的键，用粗实线或楔形实线表示伸向纸平面前方的键，用虚线或楔形虚线表示伸向纸平面后方的键（图10-2)。这种三维式就是构型式。然而，为了方便起见，通常用构造式。
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五、共价键参数
共价键的参数包括键长、键角、键能及键的极性等，它们可以表征有机分子中共价键的某些性质。它们对探讨有机化合物的结构和性质是十分重要的。
（一) 键长
在正常的、未激发的分子中，各原子处于平衡的位置。这时两个成键原子核中心间的距离就是该键的键长，一般用纳米（nm)表示。键长取决于成键的两个原子的大小及原子轨道重叠的程度。成键原子及成键的类型不同，其键长也不相同。例如，C－C、C＝C及C≡C的键长分别是0.154nm、0.133nm和0.121nm，即单键最长，双键次之，三键最短。
（二) 键角
分子中某一原子与另外两个原子形成的两个共价键在空间中的夹角，叫做键角。它的大小与分子的空间构型有关。例如，烷烃的碳原子都是
键角的大小是影响化合物性质的因素之一。 例如环丙烷的C－C－C键角比正常的C－C－C键角小，因此它不太稳定。
（三) 键能和键离解能
在25℃和101.325kPa压力下，以共价键结合的A、B两个原子在气态时使键断裂，分解为A和B两个原子（气态)时所消耗的能量叫做键能。一个共价键断裂所消耗的能量又叫做共价键的离解能。对于双原子分子来说，键能就等于离解能。对多原子分子来说，键能和键离解能是两个不同的概念。多原子分子的离解能是指断裂一个给定的键时所消耗的能量，而键能则是断裂同类型共价键中的一个键所需要的平均能量。键的离解能反映了以共价键结合的两个原子相互结合的牢固程度，键的离解能愈大，键愈牢固。一般地说，离解能对我们较为有用。
表10-1列举了一些化合物的键的离解能。
表10-1 一些化合物的键离解能
| 键 | D/kJ·mol-1 | 键 | D/kJ·mol-1 |
| H－H | 435 | n-C3H7－H | 410 |
| H－F | 444 | i-C3H7－H | 397 |
| H－Cl | 431 | t-C4H9－H | 381 |
| H－Br | 368 | CH2CH－H | 435 |
| H－I | 397 | CH2CHCH2－H | 368 |
| F－F | 159 | CH3－CH3 | 368 |
| Cl－Cl | 243 | C2H5－CH3 | 356 |
| Br－Br | 192 | n-C3H7－CH3 | 356 |
| I－I | 151 | i-C3H7－CH3 | 351 |
| CH3－H | 435 | t-C4H9－CH3 | 335 |
| CH3－F | 452 | CH2CH－CH3 | 385 |
| CH3－Cl | 351 | CH2CHCH2－CH3 | 301 |
| CH3－Br | 293 | n-C3H7－Cl | 343 |
| CH3－I | 234 | i-C3H7－Cl | 339 |
| C2H5－H | 410 | t-C4H9－Cl | 331 |
| C2H5－F | 444 | CH2CH－Cl | 351 |
| C2H5－Cl | 343 | CH2CHCH2－Cl | 251 |
| C2H5－Br | 289 | ||
| C2H5－I | 226 |
（四) 键的极性
由两个相同的原子或两个电负性相同的原子组成的共价键，由于它们的共用电子对的电子云对称地分布于两个原子核之间，所以这种共价键是非极性的。如果组成共价键的两个原子的电负性不同，则形成极性共价键。它们的共用电子对的电子云不是平均地分布在两个原子核之间，而是靠近电负性较大的原子，使它带部分负电荷（用δ–表示)；电负性较小的原子则带部分正电荷（用δ+表示)。例如，氯甲烷，H3C－Cl，电负性较大
δ+ δ–
的氯原子带部分负电荷，碳带部分正电荷，可表示为H3C－Cl。两个键合原子的电负性
相差愈大，键的极性愈强。
键的极性能导致分子的极性。用极性键结合的双原子分子是极性分子；用极性键结合的多原子分子是否有极性，则与分子的几何形状有关。
键的极性能够影响化合物的物理性质和化学性质。它不仅与化合物的熔点、沸点和溶解度有关，而且还能决定在这个键上能否发生化学反应或发生什么类型的反应，并影响与它相连的键的反应活性。
六、共价键的断裂和反应类型
任何化学反应都是分子在反应体系中作布朗运动或无序碰撞而完成的。在这一反应过程中，包括原有化学键的断裂和新键的形成。共价键的断裂方式有两种：均裂和异裂。
（一) 均裂和异裂
1. 均裂
共价键断裂后，两个键合原子共用的一对电子由两个原子各保留一个。这种键的断裂方式叫均裂（homolysis)。
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均裂往往借助于较高的温度或光的照射。
由均裂生成的带有未成对电子的原子或原子团叫自由基或游离基。有自由基参加的反应叫做自由基反应。光、高温或过氧化物能够引发这种反应。自由基反应是高分子化学中的一个重要的反应，也存在于许多生理或病理过程。
2. 异裂
共价键断裂后，两个键合原子共用的一对电子只归属原来生成共价键的两个原子中的一个原子，这种键的断裂方式叫做异裂（heterolysis)。它往往被酸、碱或极性溶剂所催化，一般在极性溶剂中进行。
碳与其它原子间的σ键断裂时，可得到碳正离子（carbocation)或碳负离子（carbanion)：
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通过共价键的异裂而进行的反应叫做离子型反应，它有别于无机化合物瞬间完成的离子反应。它通常发生于极性分子之间，通过共价键的异裂而完成。
路易斯酸碱概念可以帮助我们对离子型反应的理解。按照路易斯的定义，接受电子对的物质为酸，提供电子对的物质为碱。
碳正离子和路易斯酸是亲电的，在反应中它们总是进攻反应物中电子云密度较大的部位。所以是一种亲电试剂。碳负离子和路易斯碱是亲核的，在反应中它们往往寻求质子或进攻一个荷正电的中心以中和其负电荷，是亲核试剂。由亲电试剂的进攻而发生的反应叫亲电反应；由亲核试剂的进攻而发生的反应叫亲核反应。
（二)反应类型
有机化学反应还可根据产物与原料之间的关系分为取代反应、加成反应、消去反应、异构化反应和氧化还原等五种反应类型。
1. 取代反应
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2. 加成反应
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3. 消去反应
一般地说，位于两个相邻碳原子上的两个σ键断裂，并在这两个原子之间形成一个
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4. 异构化反应
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5. 氧化还原反应
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实际上，人们把两种反应类型的分类往往结合在一起，例如，亲电取代反应，亲核取代反应；亲电加成反应，亲核加成反应；氧化加成反应和还原消除反应等。
七、有机化合物的分类
按照形成有机分子构造骨架上的碳原子的结合方式，有机化合物可分类如下：
链状化合物（脂肪族化合物)
有机化合物 脂环化合物
碳环化合物
环状化合物 芳香族化合物
杂环化合物
有机化合物的化学性质除了和它们的碳骨架构造有关外，主要取决于分子中某些特殊的原子或原子团。这些能决定化合物基本化学性质的原子或原子团叫官能团（functional group)。由于含有相同官www.lindalemus.com/yaoshi/能团的化合物的化学性质基本相似，所以把官能团作为主要标准对有机化合物进行分类，以便于学习。表10-2列举了一些有机化合物的类别及其官能团。
表10-2 有机化合物的分类及其官能团
| 官 能 团 | 名 称 | 分 类 名 |
| ＞C＝C＜ | 双键 | 烯烃 |
| －C≡C－ | 三键 | 炔烃 |
| －OH | 羟基 | 醇（脂肪族)酚（芳香族) |
| －O－ | 醚键 | 醚 |
| －CHO | 醛基 | 醛 |
| ＞C＝O | 酮基 | 酮 |
| －COOH | 羧基 | 羧酸 |
| －SO3H | 磺酸基 | 磺酸 |
| －NO2 | 硝基 | 硝基化合物 |
| －NH2 | 氨基 | 胺 |
| －CN | 氰基 | 腈 |
| －X（F，Cl，Br，I) | 卤素 | 卤代物 |
烷烃没有官能团，但各种含有官能团的化合物可以看作是它的氢原子被官能团取代而衍生物出来的；苯环不是官能团，但在芳香烃中，苯环具有官能团的性质。
习 题
1.你对有机化学的定义是如何理解的？为什么说“有机”这个词已失去了它固有的涵义？
2.有机化合物与无机化合物有哪些不同的地方？
3.造成有机化合物的数目比无机物多的原因是什么？
4.区别下列各组概念：
（1)键能和键的离解能
（2)构造式和结构式
5.指出下列化合物分子中所含官能团的名称以及它们所属化合物的类型。
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