文档介绍：第一章有机化学概论
第一节有机化合物概述
一、有机化学研究的对象
有机化学研究的对象是有机化合物。有机化合物是以含碳和氢为主要元素的
化合物,有许多分子中也含氧、氮、硫、磷及卤素原子,因此统称为碳氢化合物及其
衍生物。由于这类化合物最初来源于生物体,例如,构成植物体的结构和组织;它
们在生物体内的形成、变化与生命现象有关,所以被称为有机化合物。
在世纪以前,人们一直错误地认为动植物体内的有机物是靠一种神秘的
“生命力”影响下所造成的,人工是合成不出来的。这种“生命力”学说的错误观念
一直到年才被德国化学家魏勒( )所动摇,他用典型的无机化合物
***酸钾(银)与***化铵,合成了有机化合物尿素。
随后人们又陆续地合成出成千上万种有机化合物,至今那些十分复杂的蛋白
质、核酸也被合成出来。这些事实说明了根本不存在什么神秘的“生命力”。因此,
在探索一些未知领域的奥秘时,必须把握辩证唯物主义世界观,谨防唯心主义将自
己引入歧途。
近年来由于生物学的发展,对于复杂生命现象的研究已进入分子水平,即将
生命现象归结为分子的形成、运动、变化的过程,而这些分子主要是有机化合物
分子。因此要探索生命的奥秘,须在原子水平上研究有机分子的组成、分子结
构、立体形状、分子的性质、分子的变化及变化的条件等。这些内容正是有机化
学研究的内容,这完全确定了有机化学在生命科学、生物学和农业中的基础地位
和作用。
二、原子轨道与分子轨道
价键理论认为,所谓原子轨道是指原子内的电子运动出现几率最大的空间区
域。处于不同能层的电子有不同的轨道。最低能层为轨道,第二能层为轨
道和能量稍高的个能量相等的轨道,第三能层为轨道和个能
量等同的,轨道与个能量相等的轨道。能量依次升
高。随着原子所在的周期升高,轨道能层亦上升。轨道形状各不相同: 轨
道为圆球状, 轨道为哑铃形,原子核处于哑铃两球的中间,哑铃两端对称的球状
部分处于正负不同位相, 个能量相同的轨道分别沿三维坐标轴向分布,且互相
垂直,原子核处于三维坐标的原点。个轨道的形状则不相同。见图
原子轨道在成键过程中,有一种增强轨道的成键能力,使体系更趋稳定的趋
势。正是在这种内在趋势的驱动下,出现了杂化轨道,但不是任何轨道都能杂化,
它必须满足一定条件,其一就是杂化的轨道必须能量相近。如碳原子的外层原子
轨道为。它们能量相近,所以可以杂化,形成四个能量等同、每个轨
道上有一个电子的杂化轨道,也可以形成三个等同的杂化轨道和一个
轨道,还可形成两个等同的杂化轨道和两个轨道,每个杂化轨道上都有一个
价电子。杂化轨道的组成不同(如杂化是一个轨道和三个轨道杂化而
成的),形成的杂化轨道的大小与方向也各异,但它们的共同点是使电子云向一个
方向聚集(见图。若在该方向上与另一原子的适当轨道重叠,比未杂化的
轨道或轨道的方向性更强,重叠更加有效,生成的共价键更稳固。
由于杂化轨道有更强的方向性,同时成键必须满足最大限度的轨道重叠,这就
决定了共价键的方向性,因而也相应地决定了分子的形状及相应的共价键参数。
如甲烷分子,碳的价电子轨道以杂化形成四个杂化轨道与四个氢的轨
道重叠,形成四个共价键,每个碳氢键之间的键角为,分子呈正四面体
状;乙烯分子中的碳,以杂化形成三个杂化轨道,分别与碳、氢的原子轨道
形成三个键,其键角为,呈平面三角形。碳原子上还有一个与此平面垂直
的轨道,与相邻碳原子重叠形成键,如图所示。
根据氮的电子结构可以与氢形成三个共价键,它
们的键角似应为。但观察到的键角为,与相差不多,因此认为氮
的原子轨道也进行了杂化。这样,三个氢的轨道与三个轨道形成三个
键,剩下的一个轨道上有一对电子可以不形成共价键,因而氨分子是稳定
的。氨中三个键的键角比略小是因为该电子对受到原子核的吸引
束缚不如其他成键轨道的电子对受到原子核的吸引束缚大。成键轨道的电子受到
二个原子核的吸引,而它只受一个原子核的吸引,所以未共享电子对的轨道大,
因而压缩其他个成键轨道,使键角变小。这对电子虽然不能形成共价键,但是
可以形成配价键,这对氨或***的性质有极其重要的影响。与氮原子相似,在
杂化轨道出现成对电子的还有氧、磷等原子,所不同的是它的外层比氮原子多一
个电子,当氧与氢化合时,形成二个共价键,另外二个轨道上还各有
一对电子。
分子轨道理论认为,分子轨道可用原子轨道的线性组合来表示。两个原子轨
道通过线性组合可以形成两个分子轨道,如与分别为原子与原子的原
图轨道形状图
图各种杂化轨道电子云分布
子轨道的波函数, 和为系数,成键与反键轨道的波函数可表示为:
反键轨道位能较高,不稳定,一般