關於有機化合物的結構理論知識

化學結構學說創立前有機化學研究上所存在的問題上我們研究過甲烷、乙烷、丙烷的分子結構,現在看來,烷屬烴分子中碳原子之間,以及碳原子跟氫原子之間的結合情況,已是很清楚了.但是,這些問題的得到解決,並不是那麼順利的,而是經過了不少的研究和論爭,才取得目前這樣的結論。

①空氣的平均分子量約為29。

十九世紀初期,由於生產發展的推動,發現了許多新的有機物和有機化學反應.有很多事實,不能運用當時已有的化學理論來加以解釋.象元素的化合價的概念,在十九世紀五十年代就被科學家們所確定了,知道每種元素都有一定的化合價,元素的化合價有的只有一種,有的可能有幾種,但無論如何化合價總應當是整數.從二氧化碳、碳酸、碳酸鹽等無機化合物來看,很明顯碳是一個4價元素,可是根據第一冊S2·15裡所討論過的化合價規則(甲元素的化合價×甲元素的原子數=乙元素的化合價×乙元素的原子數)似乎不適用於有機物.側如在甲烷裡碳是4價,而在在乙烷裡,碳就好象是3價(6/2)了;至於在丙烷(C3H)、丁烷(CH)裡,碳的化合價甚至成了分數(8/3和10/4)了,要是把甲烷的同系物的分子式,逐個來檢査,就黨得各種烷烴分子裡碳原子的價數各不相同.為什麼碳元素在各種化合物裡的化合價會有這麼多的變化呢?這是當時一個難以解釋的問題,除了化合價之外,象有機物為什麼這樣多?同系物之間為什麼總是相差一個或幾個CH2原子團?一種物質是不是只應有一種式子,還是同時可以有多種式子來表示①等等一連串的問題,一時都得不到解決.因此,研究有機化學遇到了很大的困難。

有機化合物

上畫所談的這許多問題題,顯然是和有機物複雜的分子結構有關.但是當時有很多化學家認為化學工作者只應該研究

①當時有些化學家認為:一種物質在不同的化學反應裡,應該用不同的式子來表示。

物質的化學反應過程,不應該去探索分子本身構造上的秘密這種觀點嚴重地妨礙了有機化學的發展,而把有機化學引到死胡同裡去.直到十九世紀六十年代,俄國的化學家布特列洛夫系統地研究了當時所積累的科學資料,認為要解決這些問題,只有到分子結構的領域裡去找尋,終於在1861年創立了化學結構學說,澄清了當時的混亂狀態.布特列洛夫認為有機物的分子具有一定的結構,而且分子的結構是可以通過實驗的方法來確定的,一種種物質只能有一種結構,因此只能用一個式子來表示.布特列洛夫的化學結構學說,不僅解釋了當時有機化學上的一系列問題,而且成為發展有機化學的重要理論.後來學說本身又被新的理論所充實和補充,使舊有的原理,更加深深刻並日趨完善,成為為一個完整的理論。

化學結構學說的基本內容 布特列洛夫認為,在任何個化合物的分子中,原子並不是散亂的堆積,分子是有一定的

化學結構的,結構決定著化合物的性質。

什麼叫做化學結構呢?在任何一種化合物的分子中,每一個原子都有一定的化合價(當時稱為化學力或親和力的數量),原子是按照這種化合價相互結合著的,原子相互結合成分子的方式,稱為物質分子的化學結構。

物質的分子不僅具有一定的化學結構,而且它的性質就決定於它的結構.一種化合物的性質不僅取決於含有幾種原子和幾個原子,而且決定於這些原子如何有順序地結合成為分子,因此,可以根據物質的性質來推知它的化學結構,反過來,也可以根據物質的化學結構,來推知這種物質的性質。

在學說中還有很重要的一點,就是,在一個分子中,原子之間相互產生著影響.一個分子的性質,並不等於分子中各種原子性質的總和,而是在原子之間有著相互影響、相互制約的關係。

總之,化學結構學說是關於物質分子裡原子的相互結合、排列和相互影響的學說,我們可以把它歸納為下列四點：

(1)在物質的分子裡,所有的原子都按照一定的順序相互結合,並不是雜亂的堆積

(2)分子裡所有的原子都按照它們的化合價相互結合,。而且每一個原子的化合價都一定得到滿足,沒有剩餘的化合價。

(3)一種分子只可能有一種化學結構.物質的性質不但決定於它的分子組成,而且決定於它的化學結構。

(4)在一個分子裡,原子之間是相互影響著的。

運用化學結構學說解釋存在的問題根據化學結構學說的原理,我們可以用學過的烷屬烴作為例子,來推知它們的性質和化學結構之間的相互關係,從而解釋在結構學說創立以前所存在的一些問題。

1.有機物分子裡碳的化合價問題我們們已經講過乙烷和丙烷的分子結構,知道在它們分子裡的碳原子之間,以單鍵相互聯結成鏈狀.不僅乙烷和丙烷如此,就是所有烷屬烴裡碳原子之間也都如此.因為化學結構學說肯定了在物質的分子裡所有原子都是按照一定順序彼此結合的,所以只要把甲烷同系物分子裡的碳原子按照順序排成鏈狀結構,就可以看出碳原子都是4價,仍舊符合於化合價規則,而就不會產生碳原子化合價多變的錯覺了。

2.為什麼同系物之間總是相差一個或幾個CH2原子團把甲烷到丁烷的結構式排列起來;

原子團把甲烷到丁烷的結構式排列起來

可以看出,在碳鏈上每增加一個碳原子,必然要增加二個氫原子,否則各個原子的化合價就得不到滿足.所以同系物之間,都是相差一個或幾個CH2原子團.由此亦可以看到,烷屬烴的通式只可能是CnH2n+2,而它們同系物之間具有相似的結構,因此具有相似的化學性質。

3.一種物質是不是只應有一種式子來表示由於物質的化學結構與物質的性質間有著一定的關係,已如上述.因此,亦就是肯定了分子化學結構的單一性.化學結構學說指出:每一個分子只能有一種化學結構,在相同分子中不可能有幾個不同的化學結構同時並存.所以,一種物質只能用一個既反映結構、又在一定程度上反映性質的固定式子來表示.例如,丙烷的結構式只能是

一種,它既反映丙烷分子中碳原子是單鍵鏈狀結構,又表示它不能再加入任何原子而只能起取代反應的性質.有時我們把它寫成 CHCH2-CH2模樣,情況仍然一樣,這個式子叫微結構簡式,「-」表示碳原子間的價鍵,至於碳原子和氫原子間的價鍵則已略去.。

丁烷的結構式

4.怎樣體現「分子裡原子之間是相互影響著的」關於分子中原子之間相互影響的意義,目前我們可以用幾種常見的簡單化合物為徹來加以說明.在HC1、H2O、NH3、CH:四種分子中,氫原子是分別跟四種不同的原子氯、氧、氮、碳相結合的,它們的性質不一樣.我們們知道,金屬鈉很容易從水裡置換出氫來,但很難使甲烷中的氫被取代、為什麼有這種差別呢?主要原因就在於和氫相連結的原子不同,以及氫原子的個數不同,從而所起的影響也不同.這種直接相連的原子間的影響,在有機化合物中將會時常碰到。 5,為什麼有機化合物的種數這樣多前面講過,有機物種數已超過百萬種.為什麼這樣多?從烷屬烴的同系物來看,我們很容易理解,這就是由於碳原子能彼此結合成為碳鏈的緣故.碳原子之間,彼此共有一對電子,形成牢固的共價鍵,使這種碳鏈可以結合得很長,如在七士烷裡,就有七十個碳原子結合成的長鏈,這就是有機物為數眾多的主要原因之一.