有机化合物

一、定义

有机化合物(organic compound)是含碳元素的化合物，其种类数目庞大，与人类的生产生活关系密切。有机化合物中含碳元素和氢元素，有的还有氮、氧、硫和卤素等元素。

有机化合物指含碳的化合物(CO、CO2、碳酸以及碳酸盐等性质与无机化合物相同的化合物除外)；有机化学(organic chemistry)是关于有机化合物的科学，即关于有机化合物结构、性质及变化规律的科学。

二、化学式和模型

有机化合物构造可通过蛛网式(cobweb formula)、缩写式(condensed formula)、键线式(bond-line formula)等几种化学式表示（表1-1）。
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有机分子中原子的空间排列状态可用各种模型表示，最常用的模型是棒球模型和斯陶特(Stuart)模型，其中，斯陶特模型又称比例模型。比例模型是按各种原子半径和键角以及键长比例设计的，可以精确地表示分子中各原子的立体关系。

中心碳原子（或其他原子如氧和氮等）上各个价键在三维空间结构中常用锲线式表示，式中细线“—”表示该键在纸面上，锲形实线表示该键在纸面前方，虚线表示该键在纸面后方。甲烷立体结构的棒球模型、比例模型以及其锲线式如图1-1所示。
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三、分类

通常有机化合物可依据分子骨架分类或依据分子所含官能团分类。

（一）根据分子骨架

有机化合物分为

  1. 骨架非闭合的开链化合物
  2. 骨架闭合的环状化合物。环状化合物又分成
    1. 碳环化合物，碳环化合物骨架仅含碳原子。含有苯环的碳环化合物称为芳香族化合物，不含苯环的称为脂环化合物。
    2. 杂环化合物，杂环化合物成环的原子含有氧、硫或氮等杂原子。

（二）根据官能团

有机化合物中能体现其性质的原子或基团通常称为官能团(functional group)。例如CH3OH(甲醇)、C2H5OH(乙醇)、CH3CH2CH2OH(丙醇)等醇类化合物中都含有羟基(-OH)，羟基是醇类化合物的官能团。

含有相同官能团的化合物有相似的理化性质。有机化合物也可按官能团分类，此种分类方法便于认识含相同官能团的化合物的共性。本书是按官能团分类展现有机化学的基础内容。一些有机化合物常见官能团见表1-3。
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含有多个官能团的有机化合物包括：分子中含有多个相同官能团的多官能团化合物和分子中含有多个不相同官能团的混合官能团化合物。

有机化合物的化学性质主要取决于其官能团。在多官能团化合物和混合官能团化合物中，每一个官能团完全保留或分保留它们原有的理化性质，因此这些化合物可发生与含有相对应官能团的单官能团化合物相同或相似的化学反应。但是受分子中存在的其他官能团的影响，这些化合物官能团的性质有一定的改变。

多官能团化合物和混合官能团化合物的官能团间的相互影响通常与它们之间的相对位置有关。

  1. 当两个官能团互为对方的α位时（例如：共轭双键、邻二醇化合物等），两个官能团原有的化学性质常发生改变。
  2. 当两个官能团互为对方的β位时，位于两个官能团之间碳原子上的氢可被活化。例如：乙酰乙酸乙酯中2位氢的酸性较强。
  3. 当两个官能团在分子间相距较远时，它们原有的性质不变。但官能团之间可发生分子内反应，生成环状结构（通常为五元环或六元环）。例如：内酯的生成反应。

四、反应类型

许多有机反应要经过形成不稳定的中间体或过渡态的中间过程才能生成产物。对反应过程的描述称为反应机制(mechanism)。

有机反应机制关注的要点之一为反应中共价键的变化，有机反应涉及反应物旧键的断裂和产物新键的形成。键的断裂有均裂和异裂两种方式。

  1. 均裂：是指有机反应中共价键均等分裂的过程，即成键的两个原子从共享的一对电子中各得到一个电子，分别形成带有单电子的原子或基团。均裂形成带有单电子的原子或基团称为自由基(free radical)。例如：甲烷(CH4)的一个碳氢键均裂，形成甲基自由基H3C·和氢自由基·H。这种经过均裂生成的自由基参与的反应叫做自由基反应。一般自由基反应在光、热或过氧化物(ROOR)存在下进行。
  2. 异裂：是指在有机反应中共价键非均等的断键过程，即成键的两个原子之一得到了原来共享的一对电子，异裂形成两个带相反电荷的离子。这种经共价键异裂，有正离子和负离子生成的反应，称为离子型反应。带正电荷的碳原子称为正碳离子。
    自由基、正碳离子均不稳定，只能在反应中瞬间存在。

（一）自由基反应

1.自由基取代

烷烃卤代、芳烃侧链卤代、烯烃α-H卤代自由基反应

2.自由基加成

烯烃的过氧化效应，部分聚合反应

（二）离子型反应

亲电试剂和亲核试剂的相对性：某些试剂可以随着反应条件和与相互作用的物质性质的不同，或者表现为亲电性或者表现为亲核性
亲电反应和亲核反应的相对性：由于反应物和试剂是人为规定的相对概念，所以亲电反应和亲核反应同样也具有相对性。

1.亲核反应

由亲核试剂进攻反应物而引起的反应称为亲核反应。
亲核试剂（氢氰酸、醇、 亚硫酸氢钠、格利雅试剂、氨衍生物）

(1) 亲核加成

醛、酮的亲核加成、羟醛缩合反应
醛、酮和亲核试剂（氢氰酸、醇、 亚硫酸氢钠、格利雅试剂、氨衍生物）的加成反应都属亲核加成反应。

(2) 亲核取代

卤代烃、醇的SN1反应
第一步反应速度慢，所以该步是整个反应的决速步 骤，而这一步的反应速度是与反应物卤烷的浓度成正比，所以整个反应速 度仅与卤烷有关，与试剂浓度无关。在决速步骤中，发生共价键变化的只有一种分子，所以称为单分子反应历程。这种单分子亲核取代反应常用SN1

2.亲电反应

由亲电试剂进攻而引起的反应，叫做亲电反应。
亲电试剂：卤素、卤化氢、水、硫酸、次卤酸等

(1)亲电加成

烯、炔、二烯烃的加成。
烯、炔和亲电试剂的反应，二烯烃的加成反应，脂环烃小环的开环反应加成都是亲电加成反应历程。

亲电加成反应历程：
我们以烯烃和卤化氢的加成反应为例，说明亲电加成的历程。加成反应历程包括两个步骤。

第一步是烯烃分子受HX的影响，π电子云偏移而极化，使一个双键碳原子上带有部分负电荷，更易于受极化分子HX 的带正电部分（H->X）或质子H+的攻击，结果生成带正电的 中间体碳正离子和HX的共轭碱X-。

第二步是碳正离子迅速与X-结合生成卤烷。

第一步的反应速度慢，反应速度由第一步决定，而第一步是由亲电试剂的进攻而发生的，称为亲电加成反应。

(2)亲电取代

芳环上的取代反应
在苯环上发生的卤化、硝化、磺化、 烷基化和酰基化反应都属亲电取代反应历程。

3.消除反应

卤代烃和醇的E1反应

4.亲核加成—消除反应

羧酸衍生物的代表反应

（三）协同反应

反应连续进行，一步完成。双烯合成、SN2、 E2反应

反应速度既与反应物的浓度有关，又与试剂的浓度有关， 反应中新键的建立和旧键的断裂是同步进行的，共价键的变化发生在两分子中，因此称为双分子亲核取代反应，以SN2表示。