有机化学基础(第3版)(药剂3版)

第1章 有机化合物概述 有机化学是化学中极其重要的一个分支，是研究有机化合物的组成、结构、性质、变化、合成及其应用的一门学科。随着有机化学的飞速发展，人们逐渐认识到有机化学将成为影响人类继续生存的关键学科，有机化学对于人类的食物、能源、材料、资源、环境以及健康的作用至关重要，它逐渐成为一门满足社会需求的中心学科。 第1节 有机化合物的概念 要认识有机化学，首先要知道什么是有机化合物。 观察身边的物质：木材、布料、纸张、塑料、油漆、糖类、油脂、蛋白质等。在不完全燃烧的情况下，这些物质均会生成“碳”黑。 从元素组成角度看，有机化合物在元素组成上基本相似，主要是由碳元素组成，可能含有氢、氧、氮、硫、磷等其他一些元素。含“碳”是有机化合物的组成特点，仅含有碳、氢元素的有机化合物，称为碳氢化合物。其他有机化合物可以看成是碳氢化合物中的氢原子被其他原子或原子团所替代后衍变过来的。所以，碳氢化合物及其衍生物被称为有机化合物，简称有机物。但是，常见的碳酸、碳酸钠、碳酸氢钠、二氧化碳等物质，仍然属于无机化合物。 第2节 有机化合物的特性 将维生素C、石蜡等有机化合物，与氯化钠、硫酸钙等无机化合物进行比较，填入表1-1。 表1-1 有机化合物与无机化合物的特性比较 有机化合物都含有碳元素，其结构特点与无机化合物存在较大差异，所以，大多数有机化合物具有不同于无机化合物的特性。 1. 可燃性 绝大多数有机化合物可以燃烧，如天然气、乙醇、汽油、木材、棉花、油脂等，而大部分无机化合物如酸、碱、盐、氧化物等，则不能燃烧或难以燃烧。 2. 熔点低 有机化合物的熔点通常比无机化合物要低，一般不超过400℃。常温下，很多有机化合物以气体、易挥发的液体或低熔点的固体存在，如乙醇、汽油、石蜡等。 3. 难溶于水 绝大多数有机化合物难溶或不溶于水，而易溶于有机溶剂。因此，有机化学反应常在有机溶剂中进行。例如，常用乙醇、氯仿、乙醚等有机溶剂提取中草药有效成分，而无机化合物则相反，大多易溶于水，难溶于有机溶剂。 4. 稳定性差 多数有机化合物不如无机化合物稳定，常因温度、细菌、空气或光照的影响而分解变质。例如，维生素C片剂是白色的，若长时间放置于空气中会被氧化而变质，呈黄色，且失去药效。此外，许多抗生素片剂或针剂经过一定时间后也会发生变质而失效，所以常需要注明药物有效期。 5. 反应速率比较慢 有机化合物之间的反应速率较慢，一般要几小时、几天，甚至更长的时间才能完成。例如，食物变质、酿酒、制醋等反应都需要较长时间。而多数无机化合物之间的反应瞬间就能完成。 6. 反应产物复杂 多数有机化合物之间的反应，在进行主反应的同时常伴随着副反应，产物中既有主产物又有副产物，是复杂的混合物。因此在书写有机化学反应式时，往往只要求写出主产物，用“→”代替“=”，也不严格要求反应式两侧配平，而无机化合物之间的反应很少有副反应。 7. 同分异构现象普遍 在有机化合物中，分子式相同的物质，可能分子结构不同。也就是说，不同的物质，可能分子式相同。这种同分异构现象在有机化合物中非常普遍，而在无机化合物中很少有同分异构现象。 第3节 有机化合物的结构特征 一、有机化合物分子中的化学键 （一）共价键及价数 有机化合物都含有碳元素，其结构特点主要取决于碳原子的结构。碳原子*外层有4个电子，在形成分子时，既不容易失电子，也不容易得到电子，而易与其他原子形成4个共价键。 在有机化合物分子中，绝大多数原子之间是通过共价键结合的，每种元素表现其特有的化合价。例如，有机化合物中碳元素总是四价，氧元素为二价，氢元素为一价。有机物结构式中的每一根 线表示共用一对电子，即表示一个共价键。例如，，式中每个碳原子有四个“—”，表示每个碳原子为四价，相似地，氧原子为二价，氢原子为一价。值得注意的是，这里的化合价，仅表示该原子能够形成的化合价数目，并不体现成键原子所带电荷的性质或电荷的偏离。 （二）碳的成键情况 1. 单键、双键和三键 在有机化合物中，以碳原子为中心，成键情况复杂多样。 用球棍模型搭建甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等分子的空间构型，重点观察碳原子之间的化学键数量和构型（表1-2）。 表1-2 有机化合物的成键情况 在有机化合物中，碳原子与碳原子之间，碳原子与其他原子之间也可以形成单键、双键、三键。例如： 2. 基本骨架——碳骨架 碳原子之间还能够相互连接，形成长短不一的链状和各种不同的环状，构成有机化合物的基本骨架。例如： 3. σ键和π键 有机化合物相邻原子之间以共价键相互连接。有机化合物分子中的共价键主要有σ键和π键。σ键是有机化合物中*基本的共价键，它是两个原子之间共用电子对形成的共价键，其特点是：化学键的键能较高，不易断裂；两个成键的原子可以自由旋转而不影响化学键。例如，C—C、C—H、C—O之间都是σ键。 π键虽然也是两个原子之间共用电子对而形成的共价键，但是它具有一定的特殊性。首先，π键必须与σ键共存于两个成键的原子之间，没有独立存在的π键；其次，π键键能较低，易断裂，且两个成键原子之间不能自由旋转。例如，碳碳双键（）中有一个是σ键，一个是π键；碳碳三键（）中有一个σ键，两个π键。通常在有机化合物分子中，双键和三键中只有一个是σ键，其余均为π键。 二、有机化合物的表示方法 （一）结构式和结构简式 用短线表示共价键，将有机化合物中各原子按一定的次序和方式，连接起来所形成的表示有机化合物结构的表达式称为结构式。例如： 为简单表达物质的结构，将上述结构式中碳氢键的短线省去，得到一种较简单的表示有机化合物结构的表达式，称为结构简式。上述开链结构的物质用结构简式可表示为 CH3—CH3 CH3—CH2—OH CH3CH2Cl 在表示环状有机化合物的结构时，常将分子中环上的碳原子及与碳原子相连的氢原子均省略，也常常采用这种方式表达开链式结构，这种结构式表达方式被称为“键线式”。如下面第二行表示方法。 将有机化合物的表示方法填入表1-3。 表1-3 有机化合物的表示方法 在以后各章节的学习中，有机化合物的结构通常用结构简式来表示。 （二）同分异构现象 分子组成为C2H6O的物质就有两种不同的结构式，分别代表乙醇和甲醚，这两种性质不同的化合物的结构简式分别为 CH3—CH2—OH 乙醇 CH3—O—CH3 甲醚 像乙醇和甲醚这样，分子组成相同，结构不同的化合物，互称为同分异构体，这种现象称为同分异构现象。同分异构现象在有机化合物中普遍存在，同分异构体理化性质不同，是不同的物质。所以，在表示某种有机化合物时，通常不能像表示无机化合物一样，只写出其分子式，而应写出其结构简式。 第4节 有机化合物的分类 有机化合物种类繁多，结构复杂，常把这些有机化合物按照元素组成、碳原子骨架和官能团进行分类。 一、按元素组成分类 根据元素组成，可将有机化合物分为烃和烃的衍生物两大类。 1. 烃 仅由碳和氢两种元素组成的有机化合物总称为碳氢化合物，简称烃，如甲烷、乙烯、乙炔、苯等。 2. 烃的衍生物 烃分子中的氢原子被其他原子或原子团所取代而生成的一系列有机化合物称为烃的衍生物，如卤代烃、乙醇、氨基酸等。 二、按碳的骨架分类 1. 开链化合物 开链化合物是指碳原子与碳原子间，或碳原子与其他原子之间相互连接成开放的链状有机化合物。由于这类化合物*初是从脂肪中得到的，所以又称为脂肪族化合物。例如： 2. 闭链化合物 闭链化合物是指碳原子与碳原子，或碳原子与其他原子之间连接成闭合的环状的有机化合物。例如： 闭链化合物又可分为碳环化合物和杂环化合物。碳环化合物是指有机化合物分子中的环全部由碳原子构成的化合物，如化合物A、B和D。杂环化合物是指构成环的原子除了碳原子之外，还含有O、N、S等其他元素的原子，如化合物C。 碳环化合物又可分为脂环族化合物和芳香族化合物。脂环族化合物是指与脂肪族化合物性质相似的碳环化合物，如化合物A。芳香族化合物是指分子中含有苯环的化合物，如化合物B和D，其中B为*简单的芳香族化合物。 三、按官能团分类 有机化合物中有一些特殊的原子或原子团，如碳碳双键、羟基（—OH）、羧基（—COOH）、卤素原子（—X）等，它们决定了一类有机化合物的化学性质。像这种能决定一类有机化合物化学性质的原子或原子团称为官能团。含有相同官能团的化合物，它们的主要化学性质基本相同。按照分子中所含官能团的不同，可将有机化合物分为若干类，见表1-4。 表1-4 部分有机化合物及其官能团 第5节 我国有机化学发展状况 有机化学的发展史，是人类认识自然，改造自然，造福自身的历史，是科学工作者不畏艰难，勇于探究自然现象，并创造更多、更实用的有机化合物，为人类医疗和生活提供物质保证的历史。 有机化学的发展离不开古代劳动人民的辛勤劳作，在开发和利用天然有机物的长期实践中，我国劳动人民积累了大量与有机化学相关的经验和知识。例如，在酿酒方面，几千年前，劳动人民在储存粮食时，受到自然发酵的启发，经过大量实践，学会了利用生物催化剂——酵母进行酿酒，使中国成为世界上*早的酿酒国家之一。在殷商时期，人们已经学会用桑叶养蚕，利用蚕吐出成分极为复杂的蚕丝生产绸缎。在周代，人们就已学会用靛蓝、茜草等染色；在西汉，人们即已经会用植物纤维造纸；在唐朝，人们学会了制糖技术 在古代医药学方面，也有有机化合物的身影。世界上**部国家药典是我国唐朝时政府颁布的《新修本草》，共记载了药物850种，其中就有很多植物药和动物药的炮制工艺，为当时的社会提供了用药指南。到了明朝，药学大师李时珍编纂了举世闻名的巨著《本草纲目》，记载药物1892种，详细记载了许多有机化合物的性质和制备方法，对我国古代本草学做了一次历史性总结，对世界各国药学的发展也有很大的影响。 在我国古代，有机化学的发展一直非常缓慢，它主要受到有机化学的理论基础和技术方法限制。中华人民共和国成立后，我国有机化学事业在国家的大力扶持下，得到了显著的发展，在有机反应、有机合成化学、天然产物化学、元素有机化学和生物合成等有机化学研究领域均取得了可喜的进展。 一、有机氟化学研究实力雄厚 有机反应领域是有机化学中*为活跃的研究领域。中华人民共和国成立后，一批又一批优秀的科学家，为了国防需要，投身于有机反应领域，从零开始，对有机反应物质、机理、结构和环境等多方面深入研究，发现了很多新的反应，探索出了多类有机物质合成的新方法和新途径。在有机反应的众多成就中，*为突出的是有机氟化学。 我国的有机氟化学研究始于20世纪50年代后期。经过几代人几十年的努力，我国在满足原子能工业、火箭和宇航技术方面对特种材料的需求以外，已经能够生产出含氟表面活性剂、含氟医药和农药、氟碳代血液等多类含氟产品，并造就了一支实力雄厚的有机氟化学研究队伍，卿凤翎教授