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用心爱心专心有机化学基础有机化合物的结构★碳的原子结构与成键特征★有机化合物的分子结构★有机化合物的同分异构体一、碳的原子结构与成键特征碳元素在元素周期表中位于第二周期第ⅣA族，碳原子最外层4个价电子，且其原子半径相对较小，因此，在化学反应中，碳原子不能失去4个电子形成C4+离子，亦很难得到4个电子形成C4-离子，但它形成共价键的能力很强，不仅可与其它非金属元素形成极性共价键（单键如C-H、C-X等；双键如C＝O、C＝S等；叁键如C≡N等），而且碳原子之间亦易自身形成碳碳单键、碳碳双键或碳碳叁键以链状、环状、球状或管状的碳骨架的形式存在。（1）碳单质碳元素的同素异形体最多①有金刚石、石墨②Cx（x=28、32、50、60、70、76、84、90、94、240、540等的偶数——即可形成单层的球碳如C60、管碳如碳纳米管，亦可形成复层的球状或管状分子）、③炔碳[C≡C]n(n=300—500)等。碳纳米管巴基（球）碳C60（2）无机碳化物①离子型碳化物：如Be2C、Al4C3、Zn2C3、CaC2等，它们遇水均能水解生成CH4、CH≡C-CH3和CH≡CH②原子晶体的碳化物：如SiC、B4C3③石墨型的层状碳化物：如MC8、MC24、MC36、MC48等（M通常为碱金属）④球状碳化物：如MxC60(M为相同的或不相同的K、Rb、Cs，x通常为3)（3）含碳的离子：CO32—、HCO3—、—CN、—SCN、—OCN、—ONC等。（4）其它无机化合物：CO、CO2【例1】试分析B、Si、N等元素能否像C元素一样形成一系列稳定的氢化物？【解析】B、Si、N等元素能否像C元素一样形成一系列稳定的氢化物，关键取决于这些元素的原子之间及与氢原子之间共价键的强度。因为B-B键、Si-Si键、N-N键比C-C键脆弱，B-H键、Si-H键、N-H键比C-H键脆弱，它们的键能（Kj/mol）如下：B-BC-CN-N293346159B-HC-HN-H389463389用心爱心专心Si-Si222Si-H318当然，它们氢化物的稳定性与它们和空气中氧气反应后生成物的稳定性亦有关，例如硼烷、硅烷与氧气反应后生成相当稳定的B2O3、SiO2和H2O。目前已制得的硼烷有二十多种，硅烷只有6、7种，硅烷的分子通式亦可表示为SinH2n+2(n=1-6)。氮元素的氢化物常见的是NH3和H2N-NH2（肼）。硼单质和硅单质的晶体是原子晶体。据报道人们已制得原子晶体的氮单质（Nn），它有望成为一种非常理想的高能物质。二、有机化合物的空间结构☆单键碳原子及与之相连的原子在空间的构型为四面体型；若与之相连的四个原子化学环境完全相同，其空间构型则为正四面体型。☆有且只有一个双键※的碳原子及与之相连的原子共平面。例如：乙烯、苯；苯乙烯、苯甲醛、1，3-丁二烯等的稳定结构均是平面分子。但丙二烯、环辛四烯分子中的所有原子不共平面。C=C=CHHXHHY123456H1H2H3H4XYX与Y两个平面互相垂直X与Y两个平面不互相垂直，1号、2号、3号、4号碳原子和H1、H2六个原子在X平面上；2号、3号、5号、6号碳原子和H3、H4六个原子在Y平面上。☆叁键碳原子及与之相连的原子共直线。例如：乙炔、H-C≡N、N≡C-C≡N等为直线型分子。用心爱心专心【例2】试分析苯乙炔、CH3-CH=CH-C≡C-CF3的分子结构。【解析】本题综合考查了烷烃、乙烯、乙炔、苯、卤代烃的分子结构，需要综合分析这些已学过的知识，将其知识迁移到苯乙炔、CH3-CH=CH-C≡C-CF3上。HHH--C≡C-HC=CCCCCHHHFFF四个碳原子共直线顺式苯乙炔为平面分子，其中虚线上的4个碳原子和2个氢原子共直线。CH3-CH=CH-C≡C-CF3分子的空间结构：6个碳原子和双键碳原子上的2个氢原子一定共平面。由于单键沿键轴能自由旋转，所以甲基上有1个氢原子和三氟代甲基上有1个氟原子可能共此平面，此时另2个氢原子和另2个氟原子一定不共此平面；亦有可能甲基上3个氢原子和三氟代甲基上3个氟原子均不共此平面。故这种分子最多有10个原子共平面。CH3-CH=CH-C≡C-CF3的反式结构请同学们自己分析并写出其结构简式。表示有机化合物结构的式子1、电子式（满足有机分子中氢原子最外层有2个电子，其他原子最外层均为8个电子）2、结构式3、结构简式（通常是指省略碳氢键的表示，碳碳单键、碳氧单键、双键亦可省略。但碳碳双键、叁键不可省略）4、键线式（省略结构式中的碳氢原子，但其他原子及官能团不可省略）5、空间构型式（如课本中甲烷分子的空间结构）6、球棍模型（不同大小或不同颜色的球代表不同的原子，棍代表共价键）7、比例模型（表示原子的相对大小和原子间的轨道重叠）。本节小结——有机化合物的分子结构一、碳的原子结构与成键特征（碳单质与含碳无机化合物）二、有机化合物分子的空间结构（单键碳原子、双键碳原子、叁键碳原子及与之相连的原子在空间的构型）三、表示有机化合物结构的式子三、有机化合物的同分异构体1、概念剖析“同分”分子式相同用心爱心专心相对分子质量相同，分子中各元素的质量分数相同“异构”必须具备空间想象能力——明确单键碳原子与四个原子连接后所形成的空间构型是四面体结构；明确单键连接的两个原子沿键轴可以自由旋转，而碳碳双键的两个碳原子（或环状结构）不能旋转。2、同分异构体的类型碳链异构由于碳链骨架不同而产生的异构现象构造异构（因分子中原位置异构由于官能团位置不同而产生的异构现象子或原子团连接方式不同所官能团异构由于官能团不同而产生的异构现象造成）顺反异构由于碳碳双键（或环状）不能※立体异构旋转而产生的异构现象（因原子或原子团在空间排列方对映异构由于单键碳原子连接的四个原子或式不同所造成）原子团不同而形成的互为实物与镜像的异构现象（1）顺反异构aa(f)凡具有C=C结构的烯烃（或环状结构的子），b(d)b(e)其中a、b、(d)、(e)、（f）为不同的原子或原子团，因碳碳双键（或环状结构）不能旋转所产生的同分异构体。（2）对映异构单键碳原子与四个不同的原子或原子团a、b、d、e相连。aabCCbedde镜面【例3】写出分子式为C5H10的所有同分异构体。①烯烃的同分异构体：CH2=CHCH2CH2CH31-戊烯CH3CH=CHCH2CH2CH32-戊烯CH2=CCH2CH32-甲基-1-丁烯CH3CH2=CHCHCH33-甲基-1-丁烯CH3CH3C=CHCH32-甲基-2-丁烯CH3②环烷烃的同分异构体（键线式）：用心爱心专心环戊烷甲基环丁烷乙基环丙烷1，1-二甲基环丙烷顺-1，2-二甲基环丙烷反-1，2-二甲基环丙烷3、书写同分异构体或确定同分异构体数目的方法（1）书写烷烃同分异构体的方法成直线，一线串；从头摘，挂中间；往边靠，不到端；先分散，后集中。“成直线，一线串”把所给的烷烃分子式的碳原子先排成一条直链。“从头摘，挂中间”再从直链的一端依次摘下1个、2个等碳原子，挂在链中间，直到摘下的碳原子数≤分子式中碳原子数的一半时为止。“往边靠，不到端”从中间往边排，但不能连到链端碳原子上。若摘下的碳原子作正烃基时，则链端留下的碳原子数等于此烃基碳原子数。“先分散，后集中”先将摘下的碳原子分散连接在不同碳原子上，后集中连接在链中间碳原子上。【例4】写出分子式为C8H18的同分异构体。C-C-C-C-C-C-C-C辛烷C-C-C-C-C-C-CC-C-C-C-C-C-CC-C-C-C-C-C-CCCC4-甲基庚烷3-甲基庚烷2-甲基庚烷C-C-C-C-C-CC-C-C-C-C-CC-C-C-C-C-CCCCCCC3，4-二甲基己烷2，3-二甲基己烷2，4-二甲基己烷（内消旋体）C-C-C-C-C-CCCCCC-C-C-C-C-CC-C-C-C-C-CCC2，5-二甲基己烷3，3-二甲基己烷2，2-二甲基己烷C-C-C-C-C-CC-C2-乙基己烷C-C-C-C-CCCCCCC-C-C-C-CC-C-C-C-CCCCC2，3，4-三甲基戊烷2，3，3-三甲基戊烷2，2，3-三甲基戊烷CC-CC-CC-C-C-C-CC-C-C-C-CC-C-C-C-C用心爱心专心CCCC2，2，4-三甲基戊烷2-甲基-3-乙基戊烷3-甲基-3-乙基戊烷CCC8H18共有18种同分异构体C-C-C-C红字碳原子为手性碳原子，CC考虑对映异构体则有22种2，2，3，3-四甲基丁烷（2）利用等效氢原子法确定同分异构体的数目【例5】如何确定烃的一元取代物和二元（两个取代基相同）取代物的种数（不考虑立体异构）。【解析】(A)等效氢原子法——在有机分子的结构中化学环境完全相同的氢原子称为等效氢原子。⑴等效氢原子的判定①同一碳原子上的氢原子；②同一碳原子所连接的甲基上的氢原子；③镜面对称位置上的氢原子。321CH3-CH-CH2-CH-CH3CH3CH3（蒽）ABγβа(B)同分异构体数目的确定①一取代物的同分异构体数目=等效氢原子的种数②二取代物（相同取代基，以-X表示）同分异构体的数目确定：a、将一个-X取代“1-”或“а-”上的氢原子，另一个-X依次取代“1-”或其它碳原子上的氢原子，故此种情况下A、B分别有6种和9种异构体；b、再将一个-X取代“2-”或“β-”上的氢原子，另一个-X依次取代除“1-”“а-”外其它碳原子上的氢原子，故此种情况下A、B又分别有3种和5种异构体；C、最后再将一个-X只取代“3-”或“γ-”上的氢原子，A、B又各有1种异构体。综合上述分析：A共有10（6+3+1）种同分异构体B共有15（9+5+1）种同分异构体3、转换法若已知某有机化合物某种取代物的同分异构体数目可以推得其另一种同类型取代物的数目【例6】已知丙烷的二氯代物有4种，那么丙烷的六氯代物有多少种？[解]二氯代物C3H8C3H6Cl2——4种同分异构体（已知）转二氢代物换C3Cl8C3H2Cl6——4种同分异构体（答案）用心爱心专心【例7】已知丁基有4种，则分子式为C5H10O的醛有多少种？[解]从分子式C5H10O中取下一个醛基（-CHO），剩余部分为丁基（-C4H9），丁基与醛基连接即为服从分子式C5H10O的醛，丁基有4种，则分子式为C5H10O的醛就有4种。4、书写限定条件下的同分异构体书写限定条件下的同分异构体是高考的常见题型，一定要审清题意，按要求书写。【例8】写出分子式为C8H18且放在主链上只有5个或6个碳原子的同分异构体的结构简式。分析见例4【例9】（1）写出分子式为C9H10O3且同时符合下列2个条件的同分异构体的结构简式：①化合物是1，3，5-三取代苯②苯环上的三个取代基分别为甲基、羟基和含有-C-O-结构的基团——由2004年高考题改编O（2）写出分子式为C6H6O3且且同时符合下列4个条件的同分异构体的结构简式：①含有苯环；②能发生银镜反应，不能发生水解反应；③在稀NaOH溶液中，1mol该同分异构体能与2molNaOH发生反应；④只能生成两种一氯代产物——由2006年高考题改编（3）写出分子式为C9H10O3且同时符合下列3个条件的同分异构体的结构简式：①含有邻二取代苯环结构；②具有羧基和羟基；③不与FeCl3溶液发生显色反应——由2007高考题改编。【答案】（1）（2）OHCH3—OCCH3OOHCH3—COOCH3OHCH3OHCH3—CH2OCH—CH2COOH用心爱心专心OOHOHOHOH—CHO—CHO（3）前两者红色的碳原子为手性碳原子，它们各有一对对映异构体。从中可以看出：2004年与2007年在考查限定条件下书写同分异构体何其相似。—COOH—CHCH3—CH3OH—CHCOOHOH—COOH—CH2CH2OH本节小结——同分异构体一、概念剖析二、同分异构体的类型三、书写同分异构体或确定同分异构体的方法（1）书写烷烃同分异构体的方法（2）利用等效氢原子法确定同分异构体的数目（3）利用转化法确定同分异构体的数目四、书写限定条件下的同分异构体有机反应类型有机反应往往副反应多，反应速率慢，一般是在有机溶剂中进行。（一）