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第二章 有機化合物
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目次 2.1 飽和烴-烴與環烷烴 2.2 不飽和烴-烯與炔烴 2.3 烴的命名 2.4 異構物 2.5 芳香烴 2.6 官能基及有機化合物的分類 2.7 生物體中的有機物
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2-1 飽和烴-烷烴與環烷烴 烴的分類 簡單的烷烴(甲烷、乙烷、丙烷) 烷烴的性質 環烷烴
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烴的分類 烷:CC單鍵 烯:CC雙鍵 炔:CC参鍵 僅含CH原子 脂肪烴
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簡單的烷烴 烷烴:僅含碳-碳單鍵及碳-氫單鍵的飽和烴。 通式:CnH2n+2
同系物:通式相同,性質相似,分子式相差(CH2)n的有機化合物,如:甲烷(CH4) 、乙烷(C2H6) 、丙烷(C3H8)。
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甲烷的四種表示法 路易斯結構 結構式 球-棍模型 填空模型
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乙烷的四種表示法 路易斯結構 結構式 球-棍模型 填空模型
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丙烷的四種表示法 路易斯結構 結構式 球-棍模型 填空模型
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烷烴的性質 烷烴為石油(液化石油-丙烷、丁烷)及天然氣(液化天然氣-甲烷)的主要成份,可作為燃料。 烷烴的沸點隨著碳數增加而增加。
烷烴均不溶於水,可溶於氯仿、乙醚、四氯化碳、苯等溶劑。
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正烷類碳原子數與熔沸點關係 碳數 狀態 1~4 氣態 5~17 液態 >18 固態
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環烷烴 環烷烴(cycloalkanes):僅含碳、氫兩種原子及碳-碳單鍵的環狀化合物,如環丙烷、 環丁烷、 環戊烷、 環己烷等。
通式: CnH2n 表2-1:簡單的環烴例子。
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簡單的環烷烴
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2-2 不飽和烴-烯與炔烴 烯烴 炔烴 環烯烴與環炔烴
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烯烴 烯烴:含碳碳雙鍵的烴類,為不飽和烴。 只含一個雙鍵的烯烴通式:CnH2n 例子:乙烯(C2H4,最簡單的烯烴) 丙烯(C3H6)
烯烴的性質
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最簡單的烯烴:乙烯C2H4 工業界年產量最大的有機化合物 乙烯經聚合可得聚乙烯(polyethylene, PE) 具有催熟的功效。
乙烯的四種表示方式:
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科學報導-奇妙的乙烯(1) 乙烯是一種植物荷爾蒙,由植物的胺基酸轉化而得,可促使種子發芽、花朵盛開及果實成熟。
用塑膠袋(聚乙烯)封存蘋果與香蕉的情形。 較快成熟 塑膠袋(聚乙烯)
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科學報導-奇妙的乙烯(2) 化學家常以間接的方法讓植物吸收乙烯。 此技術已應用於:番茄、鳳梨、蘋果、櫻桃、棉花、小麥等 例如:
2-氯乙基磷酸ClCH2CH2P(O)(OH)2的水溶液灌溉植物,經植物根部吸收後,分解出乙烯可控制果實成長。 2-氯乙基磷酸用量少,不至於造成環境汙染。
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丙烯C3H6 全世界產量第二名,產量僅乙烯的一半。 主要用途在製備聚丙烯(polypropylene, PP) 丙烯的結構式及模型:
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烯烴的性質 不溶於水,易溶於有機溶劑(四氯化碳、氯仿、苯及乙醚)。 沸點隨碳原子數的增加而上升。常見烯烴的熔點及沸點:
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炔烴 炔烴:僅含碳-碳參鍵的烴類。 通式:CnH2n-2 炔的性質:與烷、烯相似,不溶於水,溶於有機溶劑(氯仿、乙醚、四氯化碳、苯)。
常見炔烴的熔點及沸點。 乙炔是最簡單的炔烴。
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常見炔烴的熔點及沸點
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乙炔C2H2 最簡單的炔烴 可由CaC2(碳化鈣,俗稱電石)與水反應製得 (乙炔,電石氣)。 乙炔的四種表示方法: 乙炔的應用:乙炔氧焰
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乙炔氧焰 製備:乙炔與氧的混合氣體燃燒可得 乙炔氧焰:溫度高達3000℃ 應用:常用來切割或熔合鋼鐵。
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環烯烴與環炔烴 環烯烴 環炔烴 環烯烴:環內含有碳-碳雙鍵的環狀碳氫化合物。 通式:CnH2n-2 例子:環已烯C6H10
環炔烴:環內含有碳-碳參鍵的環狀碳氫化合物。 通式:CnH2n-4 例子:環辛炔C8H12(最小的環炔烴)
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2-3 烴的命名 鏈狀烷烴的命名 環烷烴的命名 烯烴與環烯烴的命名 炔烴的命名
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鏈狀烷烴的命名 命名 俗名 IUPAC系統命名法 正(n-):表示直鏈 異(iso- 或 i- ):表示支鏈 新(neo-):表示第三異構物
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IUPAC系統命名法 國際純化學暨應用化學聯合會(IUPAC)創立以英文為主的IUPAC系統命名法。 中文系統命名法以天干代表碳的數目。
主鏈以外的支鏈稱為取代基,取代基若由C,H組成的原子團稱為烷基,以R表示。 碳數 1 2 3 4 ……. 9 10 11 12 13 代號 甲 乙 丙 丁 壬 十一 十二 十三 主鏈 支鏈(取代基)
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常見的烷烴及烷基的對應表 烷基:烷分子中少一個氫
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先寫取代基的位置和名稱,再寫主鏈的基本名稱。
IUPAC系統命名法-步驟 主鏈 支鏈(取代基) 先寫取代基的位置和名稱,再寫主鏈的基本名稱。 尋找最長的連續碳鏈,即主鏈,算出主鏈的碳原子個數。 從主鏈上最接近取代基的一端開始以阿拉伯數字編號。編號與取代基以短線分開。 若取代基相同時,以中文表示取代基個數,阿拉伯數字表位置,並以「,」 分開。 若取代基碳數不同,先寫碳數少的取代基。
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IUPAC系統命名法-範例一 2-甲基 戊烷 尋找最長的連續碳鏈,即主鏈,算出主鏈的碳原子個數。
1 2 3 4 5 5個碳 2-甲基 戊烷 甲基 尋找最長的連續碳鏈,即主鏈,算出主鏈的碳原子個數。 從主鏈上最接近取代基的一端開始以阿拉伯數字編號。編號與取代基以短線分開。
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IUPAC系統命名法-範例二 2,3-二甲基 戊烷 甲基 5個碳 甲基 尋找最長的連續碳鏈,即主鏈,算出主鏈的碳原子個數。
從主鏈上最接近取代基的一端開始以阿拉伯數字編號。 若取代基相同時,以中文表示取代基個數,阿拉伯數字表位置,並以「,」 分開。
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IUPAC系統命名法-範例三 甲基 6個碳 乙基 3-甲基-4-乙基 己烷 若取代基碳數不同,先寫碳數少的取代基。
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例題2-1 戊烷的分子式為C5H12,請寫出戊烷所有的結構異構物的俗名及其中文系統命名法的名稱。 1 2 甲基 甲基 1 2
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例題2-2 以中文系統命名法命名下列化合物。 乙基 1 2 3 4 甲基 2-甲基4-乙基 己烷
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環烷烴的命名 環烷烴的命名與直鏈烷烴相似,須注意下列兩步驟: 確定環上的碳原子數。若為6個碳,則為環己烷。
取代基不只一個時,從取代基連接的碳開始編號,先寫碳數少的取代基且使取代基的數目總和最小。
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環烷烴的命名-範例一 1 2 3 4 5 6 甲基 甲基 環己烷 確定環上的碳原子數。若為6個碳,則為環己烷。
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環烷烴的命名-範例二 1,2-二甲基 環戊烷 甲基 甲基 1 5 2 4 3
取代基不只一個時,從取代基連接的碳開始編號,先寫碳數少的取代基且使取代基的數目總和最小。
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環烷烴的命名-範例三 甲基 先寫碳數少的取代基且使取代基的數目總和最小 1 2 3 4 5 6 7 1-甲基-4-乙基 環庚烷 乙基
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例題2-3 以中文系統命名法命名下列分子: 甲基 1 2 3 4 5 1 2 3 甲基 甲基 甲基環丙烷 1,3-二甲基環戊烷
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烯烴的命名 烯烴命名法與烷烴相似。 須選取含有雙鍵的最長鏈作為主鏈 以最近雙鍵的一端依序將碳編號。 丙烯 2-甲基-1-丙烯 1-丁烯
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烯烴的命名-範例 1 2 3 4 5 6 甲基 甲基 1 2 3 4 5 6 順5-甲基-2-己烯 反5-甲基-2-己烯
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X 環烯烴的命名 環烯烴的命名與環烷烴類似。 化合物中的編號須先數完雙鍵,且使取代基數愈小愈好。 1,2-二甲基環己烯 環己烯
1,5-二甲基環戊烯 1,2-二甲基環己烯
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炔烴的命名 炔烴的命名與烯烴類似。 先選取含有參鍵的最長鏈為主鏈。 編號須從最近參鍵的一端算起。 甲基 2-戊炔 3-甲基-1-丁炔
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2-3 烴的命名 一、鏈狀烷烴的命名 二、環烷烴的命名 三、烯烴與環烯烴的命名 四、炔烴的命名
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鏈狀烷烴的命名 1.異構物的數目在三個以下的烷類,常用俗名來稱呼,如戊烷(C5H12)有三種不同的異構物,直鏈者為正戊烷,有一分支鏈者為異戊烷,而一個碳接4個CH3的為新戊烷。
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鏈狀烷烴的命名 2.中文系統命名法則以天干(甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸)代表碳的數目,若超過十個碳,則以十一、十二、十三等依次表示。另外將長主鏈外的支鏈稱為烴基(如烷基),即烴分子中少一個氫原子,通常以R代表。
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常見的烷烴及烷基的對應表 烷基:烷分子中少一個氫
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鏈狀烷烴的命名規則 命名鏈狀烷烴時,將支鏈的原子團稱為取代基,先寫取代基的位置及名稱,再寫主鏈的基本名稱,其規則如下:
(1) 尋找最長的連續碳鏈為主鏈,並知道這主鏈有幾個碳原子。 例:主鏈有五個碳,主名為戊烷。若主鏈超過一個時,則以取代基多者為主鏈。
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鏈狀烷烴的命名規則 (2) 從主鏈上最接近取代基的一端開始標號,並以阿拉伯數字表示取代基的位置,編號與取代基名稱之間須以短線分開。 3 1
5 2 4 ▲ 2-甲基戊烷
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鏈狀烷烴的命名規則 (3) 若取代基相同時,則以中文表示取代基的個數,阿拉伯數字間以「,」隔開。 3 1 5 2 4 ▲ 2,3-二甲基戊烷
3,4-二甲基戊烷
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鏈狀烷烴的命名規則 (4) 若取代基碳數不同時,先寫出碳數少的取代基。如下圖先寫甲基,再寫乙基。 6 4 2 5 3 1
▲ 3-甲基-4-乙基己烷 3-乙基-4-甲基己烷 4-甲基-3-乙基己烷
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環烷烴的命名 環烷烴的命名與一般直鏈烷烴相似。但須注意下列兩步驟:
1. 確定環上的碳原子數,若為六個碳,則為環己烷。若含有取代基,則以環己烷為主幹,將此化合物命名為含烷基的環己烷,如下圖的分子。 ▲ 甲基環己烷的結構式
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環烷烴的命名 2. 取代基不只一個時,則從取代基連接的碳開始編號,先寫碳數少的取代基且使取代基的編號數目總和最小。有不同取代基時,按天干次序排列。 1 1 5 5 2 2 4 3 4 3 1-甲基-3-乙基環戊烷 1,2-二甲基環戊烷 1-甲基-4-乙基環戊烷
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範例 2-3.1 寫出下列烷烴的IUPAC名稱: [答] (A) 3-甲基-4-乙基辛烷;(B) 2,2,4-三甲基戊烷;(C) 4-甲基-4-乙基辛烷;(D)乙基環丙烷;(E)異丙基環己烷;(F) 1,3-二甲基環戊烷。
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類題 2-3.1 寫出下列烷烴的IUPAC名稱: [答] (A) 1,1-二甲基環戊烷; (B) 3-甲基-4-異丙基辛烷;
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烯烴與環烯烴的命名 1. 烯烴命名法與烷烴相似,但須選取含有雙鍵的最長鏈作為主鏈,並以最近雙鍵的一端依序將碳編號,以決定雙鍵及支鏈的位置,其命名的方式可參照下圖。 1 2 3 丙烯 2-甲基-1-丙烯 2 5 2 5 順5-甲基-2-己烯 反5-甲基-2-己烯
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烯烴與環烯烴的命名 2. 環烯烴的命名與環烷烴類似,要注意的是化合物中的編號需先數完雙鍵,且使取代基數的編號數字愈小愈好。 1 5 2 1
3 5 4 2 4 3 環己烯 1,5-二甲基環戊烯 1,2-二甲基環戊烯
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炔烴的命名 炔烴的命名與烯烴類似,先選取含有參鍵的最長鏈為主鏈,再以烯烴的方式予以命名,將字尾的烯改為炔,取代基與參鍵的位置均予標號,並從最近參鍵的一端算起。 1 2 3 4 1 2 3 4 5 2-戊炔 3-甲基-1-丁炔
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範例 2-3.2 下列化合物命名何者正確? CH(CH3)2CH(CH3)2為2,3-二甲基丁烯 (B) 為 5-甲基環己烯
下列化合物命名何者正確? CH(CH3)2CH(CH3)2為2,3-二甲基丁烯 (B) 為 5-甲基環己烯 (C) CH3-CH=CH-CH(CH3)2為2-甲基-3-戊烯 (D) CH3CH2CH(CH3)C≡CH為 3-甲基-1-戊炔 [答] (D) [解] (A) 2,3-二甲基丁烷;(B) 4-甲基環己烯; (C) 4-甲基-2-戊烯。
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類題 2-3.2 下列各有機物依IUPAC之命名何者不適當?
(A) 2,3-二甲基-1-丁烯 (B) 3,3-二甲基-4-戊烯(C) 2-甲基-2-己炔 (D) 4-甲基-2-戊烯 [答] (B) [解] 應為3,3-二甲基-1-戊烯。 2-3 結束
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課本2-4 異構物 同分異構物 分子式相同而結構不同 結構異構物 幾何異構物
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結構異構物 分子式相同而原子間連接方式不同的異構物。 正丁烷與異丁烷有不同的熔點、沸點及密度。
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幾何異構物 原子連接次序相同,而相關幾何位置不同的異構物。
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同分異構物的例子:C4H8 共有4種同分異構物 共有3種結構異構物 共有2種幾何異構物
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例題2-4 寫出戊烷及戊烯所有的異構物。 1.戊烷所有的異構物: 正戊烷 異戊烷 新戊烷
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例題2-4 2.戊烯所有的異構物: 不含環烷類!
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例題2-5 二氯乙烯的異構物有哪些?它們互為何種異構物? 結構異構物 順反異構物
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講義2-4 異構物 一、異構物的定義 二、幾何異構物
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異構物的定義 1.分子式相同的不同化合物稱為同分異構物,簡稱異構物(isomers)。
例:正丁烷與異丁烷有相同的分子式,而原子間的連接方式不同,屬於結構異構物。 正丁烷 異丁烷
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範例 2-4.1 下列各組化合物中,何者屬於結構異構物? (A)乙醇和乙醚 (B)異辛烷和正庚烷 (C)異戊烷和新戊烷
(D) □和 CH2=CH-CH=CH2 [答] (C) [解] (A)乙醇與甲醚 (D)環丁烷與1,3-丁二烯,兩者分子式不同。
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類題 2-4.1 下列各組化合物,何者互為結構異構物? (A) 與 (B) 與 (C) 與 (D) CH3CH2CH2CH2OH 與
下列各組化合物,何者互為結構異構物? (A) 與 (B) 與 (C) 與 (D) CH3CH2CH2CH2OH 與 [答] (D)
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幾何異構物 1.分子中原子連接次序相同,而相關幾何位置不同的異構物,互稱為幾何異構物。 例: 2-丁烯有順反幾何異構物。 2-丁烯
反-2-丁烯 順-2-丁烯
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幾何異構物 2. 當2-丁烯中的兩個甲基(或兩個氫)在雙鍵同側稱順式異構物(cis isomer)不在同一側稱反式異構物(trans isomer)。 說明: 含碳-碳雙鍵分子,幾何異構物存在結構式: ,其中a≠b且c≠d才有幾何異構物。
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範例 2-4.2 下列各化合物,何者具有順反異構物? (A) CH2=CHF (B) CHBr=CHCl
下列各化合物,何者具有順反異構物? (A) CH2=CHF (B) CHBr=CHCl (C) CHCl=CH-CH=CH2 (D) CH3CH=CHCH2CH3 (E) BrCH2CBr=CH2 [答] (B)(C)(D) [解] 找符合此通式的化合物 a≠b,c≠d
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類題 2-4.2 下列化合物何者存在順反異構物? (A)丙烯 (B) 2-戊烯 (C) 1,3-二甲基環己烷
下列化合物何者存在順反異構物? (A)丙烯 (B) 2-戊烯 (C) 1,3-二甲基環己烷 (D) 2-甲基-2-丁烯 (E) 1,1-二氯乙烯 [答] (B)(C) [解] (B) CH3-CH2-CH=CH-CH3 (C) 2-4 結束
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課本2-5 芳香烴 芳香烴 (含有苯及苯的衍生物) 苯 苯的衍生物 兩個苯環以上的芳香烴
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苯C6H6 含六個碳的環狀不飽和烴 苯的電子雲、球-棍模型、填空模型 俗稱安息油,為無色有特殊氣味液體
熔點5.5 ℃,沸點80.1 ℃,不溶於水,能溶解脂肪、石蠟及橡膠等有機物。
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苯C6H6 碳-碳鍵長完全相同,具共振式。 鍵結數為 ,可以下結構式表示之。
鍵結數為 ,可以下結構式表示之。 共振式:由兩個或兩個以上的路易斯結構混合而成,和種共振結構源自價電子位置的轉移。
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苯的衍生物 甲苯、乙苯及苯乙烯是有機化學工業的重要原料,可由苯製得。 苯乙烯是工業上製作聚苯乙烯(保麗龍)的原料。
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苯的衍生物 二甲苯是實驗中常用的有機溶劑,有三種結構異構物。 苯為具毒性的溶劑,目前使用上大多以甲苯或二甲苯取代。
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兩個苯環以上的芳香烴
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例題2-6 請以中文系統命名法命名氯甲苯的三種異構物。 2-氯甲苯 3-氯甲苯 4-氯甲苯
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講義2-5 芳香烴 一、苯 C6H6 二、其他的芳香烴
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苯(C6H6) 芳香烴的定義:常指含有苯及苯的衍生物,由於此類化合物具有芳香味而得名。
2. 結構:為一含有六個碳環狀不飽和烴,六個碳原子與六個氫原子都在同一平面上。 (1) (2) (3) (1)苯中雙鍵電子雲示意圖;(2)苯的球-棍模型;(3)苯的填空模型
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苯(C6H6) 經實驗證實苯環中每一個碳-碳鍵的長度完全相同,任何兩個鍵間角度均為120°,因此 苯的結構應以共振式1及2或用3來表示苯結構的特性,即碳-碳鍵介於單鍵(1.54 Å)與雙鍵(1.34 Å)之間,既非單鍵亦非雙鍵,視為1.5鍵。 苯的共振結構
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苯(C6H6) 性質: (1) 俗稱安息油,沸點80.1 ℃,熔點 5.5 ℃,為無色有特殊氣味的揮發性液體。
(2) 與水不互溶,能溶解脂肪、石蠟及橡膠等有機物,為實驗室及工業常用的溶劑,但最近發現苯可能誘發白血病(即具毒性),因而漸被甲苯或二甲苯所取代。 (3) 苯為化工之重要原料,廣泛用於醫藥、染料、塑膠及其他芳香族的製造。
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範例 2-5.1 下列有關於苯的敘述,何者錯誤? (A)苯之六個碳-碳鍵有三個雙鍵、三個單鍵 (B)分子形狀為六角平面環,12個原子共平面
下列有關於苯的敘述,何者錯誤? (A)苯之六個碳-碳鍵有三個雙鍵、三個單鍵 (B)分子形狀為六角平面環,12個原子共平面 (C)屬於不飽和烴 (D)苯環中任何兩鍵的夾角均為120° (E)一分子苯在空氣中燃燒,會產生6分子二氧化碳和6分子水 [答] (A) (E) [解] (A)苯之碳—碳鍵長、鍵數皆相同; (E) 1C6H6+15/2 O2 → 6 CO2+3 H2O。
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類題 2-5.1 下列哪些是平面分子? (A)苯 (B)乙烯 (C)丙烷 (D)環戊烷 (E)環戊烯 [答] (A) (B)
下列哪些是平面分子? (A)苯 (B)乙烯 (C)丙烷 (D)環戊烷 (E)環戊烯 [答] (A) (B) [解]由球—棍模型可判斷分子是否為平面分子。
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其他的芳香烴 (1) 1.苯的衍生物:分子具有烷基或其他簡單的取代基連接於苯,苯用來做母體名稱。
甲 苯 乙 苯 苯乙烯(乙烯苯) 廣泛用於醫藥、火藥、染料、塑膠及其他苯衍生物之製造,如苯乙烯即是工業上製造聚苯乙烯(保麗龍塑膠)的原料。 89
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其他的芳香烴 (2)二甲苯是實驗中常用的有機溶劑,有三種結構異構物,如下表所示: 1,2-苯(鄰苯) 1,3-苯(間苯) 1,4-苯(對苯)
說明:表中二甲苯的學名用數字,俗名用鄰、間及對。 90
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其他的芳香烴 2.兩個以上苯環拼合: C10H8 C14H10 萘 (naphthalene) 蒽 (anthracene)
菲(phenanthracene) C10H8 C14H10 說明:萘為白色片狀結晶,俗稱焦油腦,易昇華,可作為消毒、殺蟲和防腐劑,也可用於生產染料、樹脂等。 91
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其他的芳香烴 2.兩個苯環相聯: 聯苯(biphenyl) 多氯聯苯 (PCBs) 戴奧辛 C12H10 C12H10-xClx
C12H4O2Cl4 說明:多氯聯苯曾被使用當殺蟲劑,因不易被環境所分解,現已禁用;戴奧辛是一種致癌物,因燃燒廢電纜、垃圾等所產生,有世紀之毒的稱號。 92
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範例 2-5.2 下列關於芳香烴的敘述,何者正確? (A)苯為非極性物質,與水不互溶,能溶解脂肪、樹脂等有機物
下列關於芳香烴的敘述,何者正確? (A)苯為非極性物質,與水不互溶,能溶解脂肪、樹脂等有機物 (B)含碳之重量百分率:苯>萘>蒽 (C)萘易揮發可做殺蟲劑及防腐劑 (D)苯乙烯是製造保麗龍的原料 (E)苯和甲苯可由煤分餾產物中之輕油提取 [答] (A) (C)(D)(E)
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範例 2-5.2 [答] (A) (C)(D)(E) [解]
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類題 2-5.2 苯曾是油漆時之重要原料,但可能引發白血病,目前已被下列何者物質所取代? (A)環己烷 (B)環己烯 (C)萘 (D)甲苯
苯曾是油漆時之重要原料,但可能引發白血病,目前已被下列何者物質所取代? (A)環己烷 (B)環己烯 (C)萘 (D)甲苯 [答] (D) [解] 苯毒性較高,現已由甲苯取代作為溶劑。
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類題 2-5.3 下列何者不屬於芳香烴? (A)乙苯 (B)萘 (C)聯苯 (D)六氯化苯 [答] (D)
下列何者不屬於芳香烴? (A)乙苯 (B)萘 (C)聯苯 (D)六氯化苯 [答] (D) [解]可由苯與氯反應製得,故命名為六氯化苯。 2-5 結束
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