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强烈建议收藏!一万多字的有机化学超强总结

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强烈建议收藏!一万多字的有机化学超强总结


必须申明的是,这是对于本科的有机化学,只针对教科书上的成熟内容;研究生以上高等有机,则相当部分需要引用最新文献具体探讨某些难以说清的机理问题,不在这个帖子的讨论范围。

简单来说,有机化学的得名源于化学发展早期的“生命论”:那时认为那些冷冰冰的矿石啥的,实验室能够人工鼓捣的都属于无机范畴,而那些生命体所生成的化合物比如乙醇,醋酸,尿素,糖等,则必须来源于生物体的代谢等。所以如图:由器官(有机体organism)衍生出了形容词organic有机的,进而衍生organic compound有机化合物,而研究这些化合物的学科,则是organic chemistry有机化学(对应的,无机化学则是Inorganic chemistry,否定前缀)。

所以基于这样的原因,有机便有了非人工、纯天然的意思;于是现代商家为了炒作,把同样是化肥和农药搞出来的农产品,冠上有机两字,价格就飕飕往上涨,实际质量却可能更糟糕。有机食品、纯天然非转基因等等,学过生物或者化学的同学,一定要有基本的抗洗脑能力哈。

不过在1828年,德国化学家Wohler做浓缩NH4+CNO-实验时,一不小心却得到了尿素(NH2CONH2),这下可不得了啦,化学家一不小心闯进了上帝造物的领域,于是生命论学者争辩到,尿素是人体的排出体外用不到废物,没有生命力不算;于是CH3COOH和油脂等陆续被有机化学家在瓶瓶罐罐里合成出来,彻底让有机化学前面的有机两个字,失去了其原本的意义。但日久情深,有机两字也就沿袭了下来。

某种程度上来说,有机化学从1828年开始,就与合成有了最密切的关系,时至今日,有机化合物的数量已经逼近1亿的数量,每年新增化合物数百万,其中90%以上都是有机化合物。

其实大学有机,真正用到高等数学和物理的并不多,我们只要记住中学学习元素周期律学到两大基本常识就足以应付了:电子云的概念和s、p轨道的空间分布;稀有气体是最稳定的元素,对于C(4),N(5),O(6),F(7)都希望通过和其他原子成键共用电子,达到最外层满足Ne(8)八隅体的稳定结构,相应的需要形成8-4,8-4,8-6,8-7根化学键。对于它们来说,稀有气体那种睡觉睡到自然醒,数钱数到手抽筋(电子富足,完美无缺)的人生,就是他们做梦都想要去达成的至高目标。

为了便于理解,以Ne(8)为例,我们假设最外层的电子为未婚青年(里层的都配对也就是都结婚了),如果能够形成4对夫妻,则是最理想的情况(从元素周期表知道,最外层电子数最大为8,这个是由薛定谔方程解出,暂时我们不管);

s、p轨道,由于能量差异(s长得匀称,好看;p轨道只是特定角度看去才不错),s总是比p轨道优先成键(优先结婚)。出于对人性的了解,我们都知道,p一般不太嫉妒远比它们有优势的s,但px,py,pz三者之间出身一样,则必须享受同等待遇,要么都单身(Ns2p3),要么都成对(Ne s2p6),决不能容忍个别成对,个别却单着(O s2p4, F s2p5)。

对于屌丝C来说,必须从外面引进4个电子才可以向Ne(8)这样的高富帅看齐,遵循“对称就是和谐"的原则,有机村里的C村长,高瞻远瞩地把所有适婚青年 (s2p2,最外层4个电子)召集起来,然后把已经内部搭对的s2拆散,和px,py,pz一起改头换面的包装出四个富有吸引力的适龄青年(每人都是sp3的1/4),把最光鲜的穿在外面,把寒碜的藏起来。各自找个方向出去求偶,比如甲烷,形成四根C-H共价键从而满足4对夫妇共八人的和谐一代。为了最大减少彼此求偶时的不必要摩擦(各自之间电子相互排斥),四个方向最理想的就是正四面体了。

与甲烷的幸运相比(1C4H),不同的C有不同的不幸:

乙烷CH3-CH3,每个C形成3根C-H键以后,不得不捏着鼻子,C-C之间来个同性婚姻。

乙烯CH2=CH2,在乙烷的基础上又少了2H, C-C之间不得不再合作一次;由于电子排斥的原因,电子云空间排布必须彼此错开,所以聪明的C村长,留出一个p轨道,把其余的sp2进行无差别杂化,3个轨道,3个方向彼此干扰最小的,自然是正三角形,各自如愿成婚(

σ键,被法律认可的婚姻,相对稳定

)。刚留出来的p轨道,和三角形所在的平面垂直从而错开彼此的求偶路线;这两个C的p轨道,由于距离和社会道德阻碍等原因,没法光明正大的成婚(空间原因无法再头碰头),只能凑合着过露水姻缘(只好肩并肩形成π键),这样的露水姻缘,一旦各自有机会重新找到合适的情侣,则就会被拆散(π键容易被破坏)。为了方便,乙烯这样C和C之间,由一对合法婚姻(

σ键)

和一对露水姻缘

(π键)

所形成的两对共价键,我们称之为

双键

乙炔则更惨,C均比乙烯还少1H,不得不在乙烯的基础上,再添加一段露水姻缘,也就是说,C的两个p轨道,和另一个C的两个p轨道,相应地组合成了两对野鸳鸯。C村长把剩下sp两青年,改头换面,让他们朝相反方向(180度,电子间排斥最小)努力求偶,其中一个幸运和H结成了夫妻,而另一个不得不结成C-C之间的同性婚姻。为了方便,乙炔这样C和C之间,由一对合法婚姻(

σ键)

和2对露水姻缘

(π键)

所形成的3对共价键,我们称之为

叁键

有机化合物种类繁多的根本原因,在于C的最外层是4个电子,可以通过各种各样的方式和各种各样的原子结合(C,H,O,N,S,P,X卤素,M金属)。

学习有机,就应该从最难的机理入手,开头虽然有点难,但花点苦功一旦上手以后,整个有机的学习,也就豁然开朗了。

有机机理主要就三种:碳正离子(自由基类同)、碳负离子和没有明显正负离子之分的协同反应(比如4+2 Diels-Alder 反应,3,3-重排反应等);掌握了这些,也就基本掌握了记忆有机知识的规律。说到规律,我们先来说有机化合物命名的规律;有机化学和其他自然科学一样,早期是从日本那边借鉴过来,再经过民国时文化底蕴深厚的大师们适当增益,以决定化合物主要化学性质的官能团,依次分类为:

1,烃(分子仅含C和H,取tan的声母、 qing的韵母组合成ting,汉字取氢字下部为读音,部首取火表明其易燃烧的特性):

烷烃(烷,完字表示具有(全部为单键时)最大的氢数,完整无缺)

烯烃(和烷烃相比,分子中由于多了C=C双键,从而相应少了2H,故用稀少的希来构成汉字)

c) 炔烃(和烷烃相比,分子中由于多了CC叁键,比稀还要缺2H,故取字为炔);

d) 如果分子内含有N个C=C双键或叁键,就叫N烯或N炔;若是同时含有M个双键和N个叁键则称为M烯-N炔;举例来说,N烯取值为二烯,这二烯中的两个双键如同两个国家,隔得太遥远(间隔2个C-C单键以上)彼此没有联系,各自发展各自的,和普通单烯并没有什么区别,不值得特别重视;而如果挨得太近,两个双键直接连在同一个C上,就如巴以国家间彼此争夺边界领土,往往不稳定,命名为联烯(中科院的麻生明院士专门研究它);而如果距离不近不远(两双键中间间隔一个单键),这就好比中间间隔一个太平洋的美国和日韩以及东南亚国家,或者中国和巴基斯坦等,相互间互补有无,却不用担心利益冲突,往往就可以成为密切的战略伙伴关系,这种关系,在有机化学里称为“共轭”(本意:两头牛背上的架子称为轭,轭使两头牛同步行走。共轭即为按一定的规律相配的一对。通俗点说就是孪生。),比如1.3-丁二烯,4个p电子在四个C上顺畅流动,就如国家间面签的自由行,看着就是那么的和谐和稳定。

e) 环烃,故名思议,就是C骨架首尾相连,如同贪吃蛇的嘴衔住了自己的尾巴,形成了一个环。环烃相应包括:环烷烃、环烯烃和环炔烃;由于成环首尾互助,比相应的开链烃节省了2H。环烃就好比大锅饭,虽然比各家做各饭可以很有效的节省一些重复的炊具购买等,但每个碳就和每个人一样,都有自己的生物天性,拘束得太过,大家就不干了。对于碳来说,天性就是不同杂化的碳,必须满足其相应的成键角度:单键sp3杂化正四面体109.5度,双键sp2杂化正三角形120度,叁键sp杂化直线型180度。对于环烷烃来说,一般5、6个碳组成的环,既能达到节省不必要的重复开支(5C共同节省了2H,每C节省0.4H),彼此间又有足够的弹性空间保持彼此的个性(键角),所以非常和谐稳定,在有机化合物中比比皆是,故称为普通环;3、4个C组成的环,由于空间太小,强行凑在一块彼此个性(键角)被压抑得太厉害,往往容易散伙,不常见,因其比56小,命名为小环;7-12C组成的环,空间倒是能满足,但C均节省H的效率相对一般,不上不下,故名为中环;13C以上,C均节省H的效率过于鸡肋,所以在有机化合物当中也就较为少见,以其C数多名为大环。相应的,分子中含有两个环以上,就叫双环或者多环,多环间共用一条边,边为桥连通两边取名为桥环;而双环间共用一点(C原子),因为形似两螺尖尖相对,故名为螺环。

f) 芳香烃(苯、萘、蒽、菲等,具有草木芳香味的一类具有特殊稳定性的烃类化合物,草字头表明性质,本、奈、恩和非等表示音译过来的读音),其实芳香烃是共轭烯烃与环烃的结合体,以苯为例:由1,3,5-己三烯,首尾相连组成苯环(C6H6,当时苦思....


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