作者：王玉珍
出版社：中国轻工业出版社
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有机化学试读：
前言
近年来，随着高职高专教育的迅猛发展，以培养生产、管理、服务第一线，具备综合职业能力和全面素质的高级技术应用型人才的目标越来越受到重视，《有机化学》是高职高专农、林、牧、生物、食品和化工类等专业的重要的基础课程之一。
目前已经出版的《有机化学》书籍很多，但是适合高职高专人才培养目标的却很少，编者在参考多本有机化学教材基础上，结合教学实践中的经验，编写本书。
本书坚持以能力为本位，以高职高专类生物、食品、化工等专业学生对有机化学的知识的要求、以培养学生能力和素质要求为目标，注重理论联系实际，力求做到理论知识方面以“必需”和“够用”为度，体现应用性和实用性的特色。
全书由绪论、基础知识和拓展知识及实验实训组成。基础知识包括烷烃、烯烃和二烯烃、炔烃、脂环烃、芳香烃、卤代烃、醇酚醚、醛酮醌、羧酸、取代羧酸；拓展知识包括含氮有机化合物、含硫和含磷有机化合物、杂环化合物、旋光异构、碳水化合物、脂类化合物、氨基酸蛋白质、核酸、绿色化学。基础知识部分为核心知识，是生物、食品、化工专业学生必须掌握的基本内容，拓展知识部分是为提高层次和专业的需要设定的，教师和学生可根据自己的需要进行选择。在每一章中都阐述了有机化合物的结构、命名、物理性质、化学性质和拓展知识。每一章都配有习题和实验，加深学生对所学知识的掌握和理解程度，加强学生实践操作能力。实验部分为验证性实验，主要为各种有机物的性质鉴定和合成。
本着“实用、实际、实践”的原则，本书的编写体现以下几个方面的特点：
1.以能力培养为主线。注重以应用、鉴别有机化合物的能力训练为目的，突出理论联系实际原则，淡化理论知识的系统性，强调理论知识的针对性。根据生物食品和化工领域发展的需要精选有机化学内容，注重对各类有机化合物的分类、命名、基本结构特征、性质的认识和应用，不要求对复杂的有机反应机理和结构理论做深入的探究。
2.贴近生产、生活，激发学生的学习兴趣和求知欲望。教材的编写均以有机化合物在生产或生活中的实际应用为引导，在每章的开篇都编排有知识目标和能力目标，使学生有目的地进入新知识的学习。通过学习、鉴别和应用有机化合物，循序渐进地让学习者达到学习和应用有机化学知识的目的。
3.注重学生实验能力的培养。每一章都附有相应的实验操作，课堂授课和实验课时各占50%，突出基于工作过程的“教学做”一体化的职业教育理念，强调基于工作任务的有机化学实验开发的基本程序及开发全过程的多种能力和素养的培养，培养学生查阅文献资料获取信息的能力、解决实际问题的能力、独立进行科学研究的能力和创新能力，为今后走上工作岗位奠定基础。
4.注重对学习者创新能力的培养，扩展学生的知识面，适当地反映有机化学的新知识、成就。通过在章节中插入“知识窗”，介绍有机化学界名人、典故、新知识、新技术以及环保方面的知识，拓宽学生视野，激发学生学习本门课程的兴趣。
5.本教材添加了绿色化学内容，目的在于让学生在学习有机化学的过程中树立绿色环保意识。
本书由东营职业学院王玉珍主编，烟台职业学院刘建伟、山东省农业管理干部学院韩娟、日照职业技术学院丁新任副主编，参加编写的还有东营职业学院赵春、缪金伟、巴新红、张新峰，烟台职业学院刘惠萍、张秀娟，日照职业技术学院葛文娜、张庆娜，山东科技职业学院孙清荣、韩德红，本书由王玉珍、刘建伟、韩娟对部分章节进行了修改和补充，由王玉珍最后统稿。
在编写教材过程中，得到了各编者所在单位的大力支持，参阅了有关研究人员的研究成果和文献资料，在此表示衷心感谢。
由于编写人员水平有限，教材难免会存在一些缺点和遗漏之处，恳请读者提出宝贵意见和建议，以便修正。编者2011年6月第一部分基础知识绪论
知识目标（1）了解有机化合物与有机化学的含义。（2）掌握有机化合物的特性。（3）理解共价键的形成、键的参数、键的断裂方式。（4）了解有机物分子结构的书写方法和有机化合物的分类。
能力目标
能够根据官能团的结构判断有机物的类别。
化合物通常分为两大类，包括无机化合物和有机化合物，无机化合物如HO、HSO、HCl、NaOH等，有机化合物如甲烷（CH）、2244乙烷（CH）、乙烯（CH）、葡萄糖（CHO）等。有机化合物26246126简称有机物，与生命科学及人民生活密切相关。有机化学是化学中最大的分科之一。第一节 有机化合物及有机化学的含义
有机化合物大量存在于自然界，如粮食、肉蛋奶、棉麻、药材、天然气、石油等，与人们的衣食住行密切相关。我国古代就有关于酿酒、制醋、制糖等的记载。“有机化学”这一名词于1806年首次由贝采利乌斯（Berzelius J.J.，1779—1848）提出。贝采利乌斯，瑞典化学家，斯德哥尔摩学院院士，19世纪上半叶化学权威，他提出“从有生命的动植物体内得到的化合物为有机化合物，研究这些化合物的化学称为有机化学”，“在动植物体内的生命力影响下，才能形成有机物，在实验室是无法合成有机物的”。有机化学当时是作为“无机化学”的对立物而命名的。法国杰出化学家、现代化学创始人拉瓦锡（Lavoisier A.L.，1743—1794）首先将从动植物体内来源的化合物定义为“有机化合物”。19世纪初，许多化学家相信，在生物体内由于存在所谓“生命力”，才能产生有机化合物，而在实验室里是不能由无机化合物合成的。
1828年，德国化学家魏勒（Wöhler F.，1800—1882）28岁时在实验中由无机物氰酸铵合成了有机物尿素，发表论文《论尿素的人工合成》，震撼了有机物只能由有生命力的动植物合成的看法，打破了无机化合物和有机化合物之间的绝对界限。1845年，德国化学家柯尔柏又利用木炭、硫磺、氯及水为原料合成了醋酸，这是一个从单质出发实现的完全的有机合成。随后，化学家又合成了葡萄糖、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸等一系列的有机酸。1854年，法国的贝罗特（Berthelot）合成油脂。1861年，俄国的有机化学家布特列洛夫用多聚甲醛与石灰水合成了属于糖类的物质。油脂和糖类在生命过程中是起着非常重要作用的物质。1860年，贝特罗写了《合成有机化学》，指出各种有机化合物完全可能从碳、氢、氧、氮合成，从此，生命力论才逐步被人们摒弃，关于有机物神秘的“生命力”之说被彻底否定。
通过对有机物的分析，发现组成有机物的主要元素是碳，所以现代有机化学的定义是“含碳化合物的化学”，但是一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐以及金属氰化物等含碳化合物是无机物，不属于有机物。随着研究的深入，发现有机物分子中除含碳元素之外，绝大多数还含有氢，而且有些还含有氧、氮、硫以及卤族元素等，所以把有机化学定义为“碳氢化合物及其衍生物的化学”。
有机化合物主要具有以下特点。
1.有机化合物数目繁多，且自成系统
组成有机化合物的元素甚少，除碳以外，还有氢、氧、硫、氮、磷及卤素等为数不多的元素。但有机化合物的数目却极为庞大，迄今已逾1000万种，而且新合成或被新分离和鉴定的有机化合物还在与日俱增。由碳以外的其他100多种元素组成的无机化合物的总数，还不到有机化合物的1/10。有机化合物数目繁多，也是我们把有机化学作为一门独立的学科进行研究的理由之一。
有机化合物之所以数目众多，主要原因有两个：①碳原子彼此之间能够进行多种方式的结合，生成稳定的、长短不同的直链、支链或环状化合物；②碳是元素周期表中第二周期第四主族的元素，不仅能与电负性较小的氢原子结合，也能与电负性较大的氧、硫、卤素等元素形成化学键。有机化合物的数目虽然很多，但根据它们之间的相互关系，可以统一在一个完整的体系中。
2.热稳定性差，容易燃烧
绝大多数有机化合物都能燃烧，如汽油、酒精等，燃烧时放出大量的热，最后产物是二氧化碳和水，若含有其他元素，则还有这些元素的氧化物。大多数无机化合物则不易燃烧，也不能燃尽。我们常利用这个性质来区别有机化合物和无机化合物。例如，把样品放在一小块白瓷片上，在火焰上慢慢加热，假若是有机物，立刻着火或炭化变黑，最终完全烧掉，白瓷片上不遗留残余物。而大多数无机物，如氯化钠、硫酸钙等则不能燃烧，也不能燃尽。当然这一性质的区别不是绝对的，有的有机物不易燃烧，甚至可以作灭火剂，例如，灭火剂CCl等。4
3.熔点较低
有机化合物的熔点通常比无机化合物要低，一般在300℃以下就熔化。而无机物很多是固体，其熔点高得多，例如氯化钠的熔点为808℃。
4.难溶于水，易溶于有机溶剂
有机化合物分子中的化学键多为共价键，极性小或没有极性，因此一般难溶于极性强的水中，而易溶于苯、乙醚等极性很弱的有机溶剂中，这就是所谓的“相似相溶”的经验规则。当然，极性较大的有机化合物，如乙醇、乙酸等则易溶于水，甚至可以与水以任何比例互溶。
5.反应速度慢，常有副反应发生
无机物之间起反应很快，往往瞬时完成。而有机物间的反应则比较慢，需要较长时间，如几十分钟、几小时或更多的时间才能完成。这是由于无机反应为离子反应，反应速度快，而有机化合物的反应一般为分子之间的反应，反应速度决定于分子之间的有效碰撞，所以比较慢。为了加速有机物反应，往往需要采取加热、加压、振摇或搅拌，以及使用催化剂等方法来加快反应速度。有机物的分解或取代反应都是在分子中的某一部位发生，且在大多数情况下，反应分阶段进行，往往有副产物生成或能够分离出多种反应中间产物。但是有机物TNT是炸药，引燃瞬间爆炸，反应极快。
有机物和无机物的区别见表0-1。表0-1 有机物和无机物的区别
有机化学是生物、食品、农业及化工类专业重要的专业基础课之一，通过学习有机化学可以分离提取自然界中存在的各种有机物，测定它们的结构、性质，便于加以利用。例如，将自然界存在的茜草、靛蓝做成染料，从中草药中提取其有效成分，从昆虫中提取昆虫信息素，从植物中提取天然色素等。第二节 有机化合物中的共价键
化学键有两种基本类型即离子键和共价键，离子键是由原子间电子的转移形成的，共价键则是原子间共用电子形成的。无机物大部分是由离子键形成的化合物，有机物主要是以共价键结合，一般来说，原子核外未成对的电子数目就是该原子形成共价键的数目。例如，氢原子只有一个未成对的电子，所以它只能和另外一个一价的原子结合成双原子分子，而不可能再与第二个原子结合，这就是共价键的饱和性；共价键是由参与成键原子的电子云重叠而形成，电子云重叠越多，形成的共价键越稳定，因此电子云必须在各自密度最大的方向上重叠，这就是共价键的方向性；相同元素的原子之间形成的共价键没有极性，因为两者吸引电子的能力相似，不同元素的原子间形成的共价键，由于电负性较强的元素吸引电子能力较强从而使共用电子偏向于它，从而导致共价键存在极性。
一、共价键的形成
碳原子位于元素周期表中第二周期第四主族元素。基态时，核外2211电子排布为：1s2s2px2py。碳在周期表中的位置决定了它既不容4-4+易得到四个电子形成C型化合物，也不容易失去四个电子形成C型化合物。因此，碳原子之间相互结合或与其他原子结合时，都是通过共用电子对而结合成共价键。碳原子是四价的，它可以与其他原子或自身形成单键，也可以形成双键或叁键。
碳原子在基态时，只有两个未成对电子。根据价键理论和分子轨道理论，碳原子应是两价的。但大量事实都证实，在有机化合物中碳原子都是四价的，而且在饱和化合物中，碳的四价都是等同的。1931年，Pauling L.和Slater J.C.提出了杂化轨道理论。
杂化轨道理论认为：碳原子在成键的过程中首先要吸收一定的能量，使2s轨道的一个电子跃迁到2p空轨道中，形成碳原子的激发态。激发态的碳原子具有四个单电子，因此碳原子为四价。
杂化轨道理论又认为：碳原子在成键时，四个原子轨道可以“混合起来”进行“重新组合”形成四个能量等同的新轨道，称为杂化轨道。杂化轨道的能量稍高于2s轨道的能量，稍低于2p轨道的能量。这种由不同类型的轨道混合起来重新组合成新轨道的过程，称为“轨道的杂化”。杂化轨道的数目等于参加组合的原子轨道的数目。
碳原子轨道的杂化有三种形式：3
1.sp杂化
由一个2s轨道和三个2p轨道杂化形成四个能量相等的新轨道，33称为sp杂化轨道，这种杂化方式称为sp杂化，如图0-1所示。3图0-1 sp杂化示意图33
sp杂化轨道含有1/4的s成分和3/4的p成分。sp杂化轨道是有方3向性的，即在对称轴的一个方向上集中，四个sp杂化轨道呈四面体分布，轨道对称轴之间的夹角均为109°28'。3
甲烷分子中碳原子的sp杂化见图0-2。3图0-2 甲烷分子中碳原子的sp杂化2
2.sp杂化
由一个2s轨道和两个2p轨道重新组合成三个能量等同的杂化轨2道，称为sp杂化，如图0-3所示。2图0-3 sp杂化示意图2
三个sp杂化轨道的对称轴分别指向等边三角形的三个顶点，对2称轴间的夹角为120°，因此在空间取向上三个sp杂化轨道呈现一个平面三角形。而未参与杂化的一个p轨道与此平面处于垂直取向。2
乙烯分子中碳原子的sp杂化见图0-4。2图0-4 乙烯分子中碳原子的sp杂化
3.sp杂化
由一个2s轨道和一个2p轨道重新组合成两个能量等同、方向相反的杂化轨道，称为sp杂化，如图0-5所示。32
sp杂化轨道的形状与sp、sp杂化轨道的形状相似，sp杂化轨道含有1/2的s成分和1/2的p成分，两个sp杂化轨道伸向碳原子核的两边，它们的对称轴在一条直线上，互呈180°夹角。碳原子还余下两个未参与杂化的2p轨道，这两个2p轨道仍保持原来的形状，其对称轴不仅互相垂直，而且都垂直于sp杂化轨道对称轴所在的直线。图0-5 sp杂化示意图
乙炔分子中碳原子的sp杂化见图0-6。图0-6 乙炔分子中碳原子的sp杂化
二、共价键的键参数
在描述以共价键形成的分子时，常用键长、键角、键能、键的极性等来表述共价键的性质。
1.键长
两个原子形成共价键，由共价键结合的两个原子核之间的平均距离称为键长。例如氢分子中两个氢原子的核间距为76pm，H—H的键长为76pm。
一些共价键的键长见表0-2。表0-2 一些共价键的键长
一般键长越长，原子核间距离越大，键的强度越弱，键能越小。如 H—F，H—Cl，H—Br，H—I键长依次递增，键能依次递减，分子的热稳定性依次递减。
2.键角
分子中某一原子与另外两个原子形成的两个共价键之间在空间形成的夹角。例如HO有两个H—O键，这两个H—O键之间的夹角称为2HO分子的键角，实验测得，HO分子的键角是104.5°。22
某些分子中的键角见图0-7。图0-7 某些分子中的键角
在有机化合物分子中，碳原子与其他原子所形成的键角大致分为以下三种情况：①C原子以4个单键分别与其他原子相连接，如CH，4键角接近109.5°；②C原子以一个双键（C=C）和两个单键分别与其他原子相连接，如CH=CH，键角接近120°；③C原子以一个三键22（C≡C）和一个单键分别与其他原子相连接，如CH≡CH，键角是180°。键长和键角决定着分子的立体形状。
3.键能
在气态条件下，形成1mol共价键的过程中体系所释放的能量，或1mol共价键断裂过程中体系所吸收的能量，单位为kJ/mol。键能越大，化学键越牢固，含有该键的分子越稳定。双原子分子的键能就是1mol气态双原子分子解离成气态原子时所吸收的能量。而多原子分子键能与键的解离能是不同的。以甲烷为例，实验测得1mol甲烷分子分解为4个氢原子及一个碳原子，需要打开4个C—H，需要吸收1657kJ热量，那么打开一个C—H所需要的热量为414kJ。实际每打开一个C—H所需要的热量是不完全相同的，其各键的解离能见表0-3。表0-3 部分键的解离能
因此甲烷四个键解离的平均键能就称为C—H键的键能。
常见的共价键的平均键能见表0-4。表0-4 常见共价键的平均键能续表
三、共价键的断裂方式
有机分子之间发生化学反应，包含这些分子中某些化学键的断裂和新的化学键的形成，从而形成新的分子。
共价键的断裂方式有两种：均裂和异裂。
1.均裂
当共价键发生断裂时，组成共价键的一对电子，被两个键和原子各留一个。也就是说，成键的一对电子平均分给两个成键原子或基团。
均裂产生的具有未成对电子的原子或基团（X·或Y·），称为自由基。这种发生键均裂的反应称为均裂反应，也称为自由基反应。
2.异裂
当共价键发生断裂时，组成共价键的一对电子全部留在两个键和原子中的一个原子或基团上，也就是说成键的一对电子完全为成键原子中的一个原子或基团所有，形成正、负离子。
这种发生键异裂的反应称为异裂反应，也称为离子型反应。第三节 有机化合物的分子结构
表示有机物组成和结构的方法主要有电子式、结构式、结构简式、键线式等。（1）电子式 用元素符号和电子符号表示化合物的化学式称为电子式，也称为路易斯式。（2）结构式 用元素符号和价键符号表示化合物构造的化学式称为价键式。（3）结构简式 把有机物分子中的碳碳单键或碳氢键等短线省略。结构简式书写不能用碳干结构表示，碳原子连接的氢原子个数要正确，官能团不能略写，要注意官能团中各原子的结合顺序不能随意颠倒。（4）键线式 把碳、氢元素符号省略，只写出碳原子的锯齿形骨架的表示式，称为键线式。每个交点、端点代表一个碳原子，每一条线段代表一个共价键，每个碳原子有四条线段，用四减去线段数所得个数即是氢原子个数。一般，对于较长的碳链或环状结构用键线式表示。
正戊烷的组成和结构的表示方法见图0-8。图0-8 正戊烷的组成和结构的表示方法第四节 有机化合物的分类
有机化合物的分类方法主要有两种，即根据分子中碳原子的连接方式或者按照决定分子主要化学性质的特殊原子或官能团进行分类。
一、按碳骨架分类
根据分子中碳原子连接方式分为链状化合物、碳环化合物和杂环化合物。
1.链状化合物
碳原子之间相互连接成链状，碳架成直链（正链）或带有支链的开链。例如：
由于长链状化合物最初是在脂肪中发现的，所以开链化合物又称脂肪族化合物。
2.碳环化合物
碳原子之间相互连接成闭合的环状结构。根据碳环的特点又分为两类：（1）脂环族化合物 是一类性质和脂肪族化合物相似的碳环化合物，组成环的原子全部是碳原子。如：（2）芳香族化合物 是分子中含有苯环或稠苯体系的化合物。如：
3.杂环化合物
组成这类化合物的环除碳原子以外，还含有其他元素的原子（如，O、S、N等），称为杂环化合物。
二、按官能团分类
将含有同样官能团的化合物归为一类，因为一般来说，含有同样官能团的化合物在化学性质上基本相同。有机物中主要的官能团见表0-5。表0-5 有机物中主要的官能团续表本章小结练习题
1.下列物质中不属于有机物的是（ ）。
A.氰化钠（NaCN）
B.醋酸（CHCOOH）3
C.乙炔（CH≡CH）
D.碳化硅（SiC）
2.下列物质中，不属于卤代烃的是（ ）。
A.氯乙烯
B.溴苯
C.四氯化碳
D.硝基苯
3.按官能团的不同，可以对有机物进行分类，请指出下列有机物的种类。
4.据报道1991—1996年人类发现和创造的化合物已有1000多万种，这正好相当于到1990年以前人类在1000多年来已知物质的总量；此外，关于物质的信息量也剧增。请你推断：新发现和新创制的物质主要是（ ）。
A.放射性同位素
B.无机物
C.有机化合物
D.烃类物质
5.将下列有机物的结构式改为键线式或将键线式改为结构式。
6.写出无机物和有机物的区别。第一章 烷烃
知识目标（1）掌握烷烃的结构、命名、性质，并明确化学结构与性质之间的关系。（2）了解烷烃构型、构象概念及表示方法。
能力目标（1）能用系统命名法对烷烃命名。（2）能熟练写出碳原子数七以内烷烃的同分异构体。（3）能根据性质推测烷烃的分子结构。
只有碳氢两种元素组成的有机化合物称为碳氢化合物，简称为烃。按照传统有机化合物分类，可把烃分为链烃和环烃两大类。分子中碳原子连接成链状的烃，称为链烃，连接成环状的称为环烃。根据分子中所含碳、氢两种原子比例的不同，链烃可分为烷烃、烯烃和炔烃。其中烷烃是饱和烃，烯烃和炔烃为不饱和烃。第一节 烷烃的通式、同系列和同分异构
烷烃，即饱和烃（saturated group），是只含有碳碳单键和碳氢键的链烃，是最简单的一类有机化合物。烷烃分子里的碳原子都是3sp杂化，每个碳原子之间以单键结合成链状，其余化合价全部为氢原子所饱和。烷烃分子中，氢原子的数目达到最大值。
一、烷烃的通式和同系列
最简单的烷烃是甲烷，分子式CH。其次是乙烷，分子式CH。426一些烷烃的名称和分子式见表1-1。表1-1 一些烷烃的名称和分子式续表
从表1-1可知，烷烃的通式为：CH，n表示碳原子数目。n2n+2
凡具有同一个通式，结构相似，化学性质也相似，物理性质则随着碳原子数目的增加而有规律地变化的化合物系列，称为同系列。同系列中的化合物互称为同系物。相邻的同系物在组成上相差一个“—CH—”，这个“—CH—”称为系列差。22
二、烷烃的同分异构
烷烃同系列中，甲烷、乙烷、丙烷只有一种结合方式，没有异构现象，从丁烷起就有同分异构现象。如丁烷有两种异构体。
我们把像这样具有相同的分子式而不同构造式的化合物互称同分异构体，这种现象称同分异构现象。因为构造不同而形成的异构体，称为构造异构体。
对于烷烃来说，异构体的数目随着碳原子数目的增加而迅速增加。表1-2中列出了几种烷烃从理论上讲存在的异构体数目。表1-2 烷烃的同分异构体数目
这些异构体的数目是在20世纪30年代初用数学方法推算出来的。含有1～9个碳原子的烷烃，其实际所得到的异构体的数目与理论推测完全相符，含10个碳原子的烷烃，从理论上推测出来的异构体有一半已经得到，更高级的烷烃只有少数的异构体是已知的。
对于低级烷烃的同分异构体的数目和构造式，可利用碳干的不同推导出来。现以己烷为例，说明其基本步骤如下：（1）写出这个烷烃的最长直链式：（2）写出少一个碳原子的直链式作为主链，把剩下的那个碳当作支链（即甲基），依次取代主链上的各碳原子的氢，就能写出可能的同分异构体的构造式。（3）再写出少两个碳原子的直链式作为主链，把其他两个碳原子当作两个支链（2个甲基），连接在各碳原子上，或把两个碳原子当作一个支链（乙基），连接在各碳原子上。
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