第2节 有机化合物的结构特点

“学习化学对我比较合适，爸爸，你说对吗?”儿子说出了 心里话。父母并不想让他成为一个化学家，而想把他培养成 一名工程师。几经周折，范特霍夫进入了 荷兰的台夫特工业 专科学校学习。这个学校虽然是专门学习工艺技术的，但讲 授化学课的奥德曼却是一个很有水平的教授。他推理清晰， 论述有序，很能激发起人们对化学的兴趣。范特霍夫在奥德 曼教授的指导下进步很快。由于范特霍夫的努力，仅用了2 年时间就学完了一般人3年才能学完的课程。1871年，范特 霍夫毕业了，他终于说服了父母，可以全力进行化学研究了。 为了打好基础，找准研究的方向，必须拜师求教。范特霍夫 只身来到德国的波恩，拜当时世 界著名的有机化学家佛莱 德· 凯库勒为师。佛莱德· 凯库勒是个传奇的化学家，他在梦 中见蛇在狂舞，首尾相接，从而解决了苯环的结构。在波恩 期间，范特霍夫在有机化学方面受到了良好的训练。随后， 他又前往法国巴黎向医学化学家武兹请教。1874年，回到荷 兰，在乌特勒支大学获得博士学位。从此他就开始了更深入 的研究工作。
P
态
乙烯、烯烃、苯及芳香烃等双键碳原子
（3）SP：S、P轨道成分各占二分之一。为一直线 形分子。键角180°
激发 2P2 2S2 基态 2S
P轨道 SP杂化 SP杂化轨道
S 2P 激发态
态
乙炔及炔烃等三键碳原子
σ键：可以沿键轴旋转。 电子云沿键轴近似于圆柱形对称分布。 成键的两个
原子可以围绕键轴旋转，而不影响电子云的分布。 π键：不能沿键轴旋转。 电子云分布在 键所在平面的上下两方，呈块 状 分布
常见一元取代物只有一种的10个碳原子 以内的烷烃
CH4
CH3 CH3-C-CH3 CH3
CH3CH3
（2）对称技巧 例如：对称轴 CH3CH2CH2CH2CH3 ① ② ③ ② ①
②
①
③ ①
②
CH3-CH2-CH-CH2-CH3
① CH2
② CH3
a b b a a a b b
CH3
CH3 – C – CH2- CH3
范特霍夫首先提出了碳的四面体结构学说。过去的有机结构 理论认为有机分子中的原子都处 在一个平面内，这与很多现象 是矛盾的。范特霍夫的理论纠正了过去的错误。但是这一新的 理论却遭到了一些权威人士的反对，当时德国有机化学家哈 曼· 柯尔比就是其中一个。这位老科学家倚老卖老，根本不愿学 习新的东西。在没有认真研究的情况下，就毫无根据地把范特 霍夫斥责了一顿。范特霍夫对这位才先生的高论嗤之以鼻，不 与其辩论。这一下可气坏了老柯尔比，他跳着脚非要与范特霍 夫一比高低。范特霍夫本来就想与这些化学界的权威们争一高 低，因为事实是迟早会说话的。既然柯尔比 不远千里从德国来 到荷兰，那也只好以礼相见了。毕竟范特霍夫是晚辈，当柯尔 比气势汹汹地冲进范特霍夫的办公室时，范特霍夫已经恭恭敬 敬地等候他了。待柯尔比的火气稍稍减退之后，范特霍夫平心 静气地向他陈述了自己的观点，并请柯尔比用事实来批评自己 的理论。 这位老权威暗暗地吃了一惊，眼前的年轻人非同小 可，讲述观点时条理清楚，论证有据，不 可不服呀。柯尔比毕 竟还是要讲道理、讲事实的。
知识回顾
1。
叔碳：与三个C原子直接相 。 连。 CH3C4 1。 季碳： 与四个C原子直接 CH3 。 1 相连。
CH3
CHCH3 。 CH3 。
1 1
3。
2、确定一元取代物的同分异构体的基本方法与技巧
(1)等同氢 ①同一碳原子上的氢原子是等效的。 ②同一碳原子上所连接甲基上的氢原子是等效的。
③处于同一面对称位置上的氢原子是等效的。
平心而论，范特霍夫的理论是正确的，他刚来时的火气完全 消失了，并邀请范特霍夫去普鲁士科学院工作。 范特霍夫实事求是、谦虚谨慎的态度使很多人都能心悦诚服 地接受他的理论。1901年，瑞典皇家科学院收到的20份诺贝 尔化学奖候选人提案中，有11份提名范特霍夫。这一年的诺 贝尔化学奖颁发给范特霍夫，他当之无愧。1901年12月10日， 对于范特霍夫来说是一个值得纪念的日子，对于人类也是一 个纪念的日子，这一天，首次颁发诺贝尔奖，范特霍夫是第 一位诺贝尔化学奖的获奖者。非常有趣的是，范特霍夫创立 的碳的四面体结构学说并不是获奖原因，而是他的另外两篇 著名论文《化学动力学研究》和《气体体系或稀溶液中的化 学平衡》使他获得首届诺贝尔化学奖。 1911年3月1日，范特霍夫在柏林附近的斯特利茨逝世。终年 59岁
— CH2— CH2—CH3
— C3H7
CH3 — CH—CH3
CH3
科学史话
1874年荷兰化学家范特霍夫 （J.H.van’t Hoff，1852—1911） 和法国化学家列别尔（J.A.Le Bel， 1847—1930）分别独立地提出了碳 价四面体学说，即碳原子占据四面体的 中心，它的4个价键指向四面体的4个顶 点。这一学说揭示了有机物旋光异构现 象的原因，也奠定了有机立体化学的基 础，推动了有机化学的发展。 1901年诺贝尔化学奖获得者：雅可比· 亨利克· 范特 霍夫 送鲜奶的范特霍夫和化学家范特霍夫被人们合并 传成了“牧场化学家”。
5
饱和羧酸 酯
常 见 的 类 别 异 构 现 象
（1）SP3：S轨道成分占四分之一，P轨道成分占 四分之三。为四面体构型，键角为109°28/
甲烷及烷烃等——饱和碳原子 构型——原子在空间的排列方式。 sp3轨道具有更强的成键能力和更大的方向性。
（2）SP2：S轨道成分占三分之一，P轨道成分占三 分之二。形状为平面三角形，键角120°
激发 2P2 2S2 基态 2S P轨道 SP2杂化 SP2杂化轨道 2P 激发态
苯的构造式
H C C H
CH CH
H
H C H C
C H C H
H H
C C
C C H
C C
H H
路易斯式
CH CH CH CH
结构式
或
结构Байду номын сангаас式
键线式
2-甲基丙醇的表示方法：
H H H H C C C O H HH C HH H
路易斯式书写麻烦
H H H H-C-C-C-O-H H H H-C-H H
一、有机化合物中碳原子的成键特点 碳原子基态时的外层电子的分布：
C：2S2 2Px1 2py1 2pz
杂化：SP3、SP2、SP
(sp 杂化)
4个 3 杂 轨 sp 化 道
3
激发 s轨道 p轨道
杂化 (线性组合)
(sp 杂化) p轨道 3个sp 2 (sp杂化) 2个sp p轨道
2
C: 2s2 2p2
结构式较麻烦
CH3CHCH 2OH CH3
或 (CH 3)2CHCH 2OH
结构简式较为常用
OH
键线式较为常用
二、有机化合物的同分异构现象
分子式相同, 结构不同的化合物称为同分异构体, 也叫结构 异构体。 1、异构体的分类
碳链（碳架）异构 官能团位置异构 构造异构 官能团异构 互变异构
同分异构 顺反异构 构型异构 立体异构 构象异构 光学异构
附表：烷烃的碳原子数与其对应的同分异构体数
碳原 子数 同分 异体 数
1 2 3 1 1 1
4 2
5 3
6 5
7
8
9 10
9 18 35 75
序号 1
2
类别
烯烃 环烷烃 炔烃 二烯烃
通式
CnH2n CnH2n2
3
4
饱和一元脂肪醇
饱和醚 饱和一元脂肪醛 酮
CnH2n+2 O CnH2nO CnH2nO2
资料卡片
结构——分子中原子间的排列次序，原子相互间 的立体位置、化学键的结合状态以及分子中电子 的分布状况等各项内容的总和。 分子的性质不仅取决于其元素组成，更取决于分 子的结构。“结构决定性质，性质反映结构”。 构造（结构）——分子中原子间相互连接的顺序叫 做分子的构造。 分子式：只能反映分子中原子的种类和个数。 电子式：比较直观，但书写比较麻烦。 结构式：把电子式中的一对共用电子对用一条“-”来 表示。 结构简式：把碳原子上所连接的相同原子进行合并， 合并以后的个数写在该原子的右下方；省略单键。
范特霍夫的父亲从这件事中得知儿子很喜欢化学，就从家里 让出一间房子作为工作室，专门供儿子做化学实验。从此， 范特霍夫就开始“经营”自己的小实验室。他把父母给的零 用钱和从其他亲友那里得 到的“赞助”积累起来购买了各种 实验器具和药品，课作时间从事自己的化学实验。立志当一 名化学家，1869年，范特霍夫从鹿特丹五年制中学毕业了。 选择什么样的职业呢?在当时，化学作为一 门学问已有很多人 进行了研究，但是人们普遍认为化学不是一种职业，从事化 学的人，还要兼做其他工作才能够维持自己的生活。父亲为 了让他多增加一些知识，才支持他做化学实验。要把化学做 为一种职业，做一个化学家，父亲就难以同意了。因为这样 做恐怕连自己的生活都维持不了。为此，父子俩争辨了多次， 但是必须有一个结论才行呀。 一天晚饭过后，父子俩又开 始讨论这个老话题了。 “中学毕业了，你打算上哪个学校?” 父亲心平气和地问道。当然，选择学校也就是选择职业了。
碳链异构: 指碳原子的连接次序不同引起的异构， 如:
位置异构: 官能团的位置不同引起的异构:
官能团异构: 官能团不同引起的异构, 如: 烯烃和环烷烃 书写方法: 碳链异构→位置异构→官能团异构
练习
键线式：
COOH
结构简式： CH3－CH－CHCH2CH2CH－COOH CH3 CH3 CH3 骨架式： C－C－C－C－C－C－COOH C C C
2、构造异构(同分异构)：是指具有相同的分子式， 但由于分子中原子结合的顺序不同而产生的异构。 包括：碳架异构、位置异构、 烷烃的分子形状 戊烷有三种同分异构体 正戊烷 异戊烷 新戊烷 沸点(b.p) 36.1℃ 27.9℃ 9.5℃ 官能团异构
支链烷烃:相同C原子的烷烃，支链愈多沸点愈低。
3、同分异构体的种类及其书写规律:
例1、写出化学式C4H10O的所有可能物质的结构 简式 位置异构 醇 C4H10O
类别异构
碳链异构 位置异构
醚
碳链异构
例题2: C11H16 的苯的同系物中, 只含有一个支链, 且支链上 含有两个“—CH3”的结构有四种, 写出其结构简式.
1、碳原子分类 CH3CH2CH2CH2CH3 。 。 。 。 。 伯碳：与一个C原子直接 2 2 2 1 1 相连。 仲碳：与二个C原子直接 相连。
② C－C－C－C C①
C－C－C－C
① C ② ③
（3）转换技巧
例4、已知化学式为C12H12的物质A的结构简式为
CH3 A苯环上的二溴代物有9种同分异 构体，以此推断A苯环上的四溴代 物的异构体数目有 -------（A ）
A.9种 CH3
C. 11种
B. 10种
D. 12种
例5、式量为43的烷基取代甲苯苯环上的一个氢原 子，所得芳香烃产物的数目为 （ D） A.3 — C3H7 B.4 C.5 D.6
①
CH3
②
③
例3、进行一氯取代后，只能生成3种沸点不同的产
物的烷烃是---------------------------------（ A、（CH3）2CHCH2CH2CH3 B、(CH3CH2)2CHCH3
D）
C、（CH3）2CHCH（CH3）2
D、（CH3）3CCH2CH3 A、 C ③ ④ ⑤ D、 C