3.5 有机化学

内容提要：有机物特点、分类及命名；官能团及分子构造式；同分异构；有机物的重要反应：加成、取代、消除、氧化、催化加氢、聚合反应、加聚与缩聚；基本有机物的结构、基本性质及用途：烷烃、 烯烃、炔烃、 芳烃、卤代烃、醇、苯酚、醛和酮、羧酸、酯；合成材料：高分子化合物、塑料、合成橡胶、合成纤维、工程塑料。

本讲重点：官能团及分子构造式；同分异构；有机物的重要反应：加成、取代、消除、氧化、催化加氢、聚合反应、加聚与缩聚；基本有机物的结构、基本性质及用途

本讲难点：同分异构；有机物的重要反应：加成、取代、消除、氧化、催化加氢、聚合反应、加聚与缩聚

绝大多数有机化合物含有 c 、 h 两元素和 o 、 n 、 s 、 p 等元素，因此可以说有机化合物是碳氢化合物及其衍生物。分子中只含有 c 和 h 两种元素的有机化合物叫烃。

一、有机物的特点

有机物一般是含碳的化合物,除了碳外,最多的元素是氢,其次是氧、氮、硫、磷和卤素,因此有机物被称做碳氢化合物及其衍生物,其特点为:①数目庞大;②结构复杂; ③难溶于水,易溶于有机溶剂;④受热易分解,大多可以燃烧;⑤不易导电,熔点低。

二、有机化合物的分类

 

 

五、有机高分子化合物

（一）有机高分子化合物的基本概念

1）链节、聚合度

有机高分子化合物的分子量很大，一般摩尔分子量大于 10000g·mol^-1，有的达到几万、十几万、几十万不等。但是它们的分子的化学组成比较简单，高分子是由一些简单的结构单元多次重复而成。这种结构单元叫做链节。链节重复的次数叫聚合度。例如，天然

在合成高分子化合物时，合成得到的高分子化合物的分子量不可能像低分子有机化合物那样，具有完全相同的分子量。高分子化合物实际是由链节相同、聚合度不同的同系物组成的混合物。实验测得的高分子化合物的聚合度是平均聚合度，分子量是平均分子量。计算公式如下：

2）高分子化合物分子的几何形状

高分子化合物的分子形状可分为三种：线型、支链型和体型。见图 3 一 9 一 1 。

线型高分子化合物分子的长度是直径的几万倍，这些分子链很柔顺，通常是卷曲或不规则的线圈状态。

有些高分子化合物在分子主链上连接了一些较短的侧链（支链），支链的长短和数量可以不同，这就是支链型高分子化合物。

体型高分子是在线型或支链型高分子的分子链之间，以化学键联结起来（称为交联） , 形成空间网状结构。

高分子化合物的一些物理性能与其分子的几何形状有密切关系。线型和支链型高分子化合物一般可溶于适当溶剂，受热可以熔融，可以反复加热和冷却，具有热塑性；体型高分子化合物，交联程度小，受热时可以软化，但不能熔融。加人适当的溶剂可使其溶胀，但不能溶解。交联程度大的高分子化合物不溶和不熔。这类高分子化合物的成型加工，只能在其交联形成网状结构之前进行，一旦交联成为网状结构，就不能再改变形状，它们具有热固性。

线型、支链型高分子化合物分子链较长，它们不可能像低分子那样排列整齐，形成晶体。大部分为排列不齐的非晶区。只有一些排列较齐的部分称为晶区，晶区含量很少的为非晶型高分子化合物；晶区含量较多的（约占 70 ％以上）为结晶型高分子。

3）合成高分子化合物的主要反应

合成高分子化合物的原料称为单体。合成高分子化合物的反应主要有二类：加成聚合反应（简称加聚反应）和缩合聚合反应（简称缩聚反应）。因此高分子化合物又叫高聚物。

（1）加成聚合反应

一般进行加成聚合反应的单体是含有重键的低分子有机化合物。加聚反应通常是游离基型（游离基是含单电子的物质。很活泼，不稳定，易发生反应。）连锁反应。它包括链的引发、链的生长和链的终止三步。

例如合成聚氯乙烯的加聚反应：

用引发剂过氧化苯甲酚分解生成游离基

加聚反应在几秒内即可完成。加聚反应合成的高聚物中链节的化学组成和原料单体的组成相同，但化学结构不同。

（2）缩合聚合反应

缩聚反应的单体必须含有二个或二个以上可发生缩合反应的官能团（或可反应的原子）。这些官能团分别发生缩合反应向二维或三维方向延伸，形成高分子化合物。这类高聚物的链节的化学组成和单体的化学组成不相同，因为反应时要失去小分子。

例如已二酸和已二醇缩合生成聚已二酸已二醋（聚醋）的反应：

（3）均聚和共聚

由一种单体聚合而成的高聚物叫均聚物，这种聚合反应叫均聚。由两种或多种单体聚合成的高聚物叫共聚物，这种聚合反应叫共聚。

abs 是最典型的共聚物。它是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体的共聚物。

在共聚物中有不同的链节，根据不同链节排列情况，共聚可分为如下四种：

共聚类型不同，分子的微观结构不同，性能也不同。

（二）高分子化合物的三种力学状态

1）高分子链的内旋转和柔性

在大多数高分子链中存在着许多单键，单键是σ键，形成σ键的原子可绕键轴旋转。高分子链中所有的σ键都可以绕键轴旋转，这就是内旋转，见图 3- 9-2 。因此，高分子链有柔性（柔顺性）。

2）线型非晶态高分子化合物的三种力学状态

线型非晶态高分子有多重运动单元。这是因为高分子链很长，除了高分子链是一个运动单元外，由若干个链节组成的链段也是一个个运动单元，这与小分子只有一个运动单元不同。由子这些链段的转动使线型非晶态高分子化合物具有柔性和弹性。

线型非晶态高分子化合物在不同温度下处于不同的力学状态（参见图 3-9-3 ）。这是因为在不同温度下在应力作用时高分子化合物发生的形变特点不同。当温度不高时，在受到一定的应力作用时，高分子的链段只发生微小的伸缩和转动，去掉应力后链段将恢复原形。这种形变是“普弹形变”，像玻璃受力发生形变一样。这种力学状态叫玻璃态。

升高温度，当温度超过一定值（ t_g¹玻璃化温度）时，高分子化合物的链段可以作较大程度旋转。这时，高分子化合物在应力作用下，形变率很大。若应力取消后，分子链中链段恢复原位。这种形变叫“高弹形变”，相应的力学状态即称为高弹态。

再升高温度，当温度超过 t_f¹ (粘流化温度）后，不仅高分子链中链段开始旋转，而且整个高分子链也升始发生位移，这时高分子化合物变成粘性流体。若把应力去掉，高分子链发生的形变不可逆转。这种力学状态即称为粘流态。粘流态是一般高分子材料加工成型时使用的状态。高分子化合物的玻璃态温度区间是 t_c-t_g。t_c叫脆化温度，此时温度较低，高分子化合物很脆，在较大应力作用下无承受能力。高分子化合物的高弹态温度区间是t_g-t_f。高分子化合物的粘流态温度区间是 t_f-t_d。t_d是分解温度。高分子化合物的分子量很大，并且分子间相互缠绕，因此分子间作用力很大，与化学键在同一数量级上，因此当温度升高到一定程度下，高分子化合物尚未气化前，它的共价键已经断裂，发生分解反应。

常温下处在玻璃态的高分子材料叫做塑料、纤维。 t_c 越低，t_g越高，塑料、纤维的使用温度范围越大。常温下处在高弹态的高分子材料叫做橡胶。t_g越低、 t_f 越高，橡胶的使用温度范围越大。常温下处于粘流态的高分子化合物称为流动性树脂。

结晶型、体型高分子化合物的力学状态与线型非晶态高分子化合物不同，它们一般无高弹态，而体型高分子化合物无粘流态。

（三）高分子化合物的主要性能

1．密度小，比重轻。 2．有可塑性，有的还有高弹性。 3．热、电的不良导体。 4．化学稳定性好，耐腐蚀。 5．溶解性服从相似相溶原则。 6．强度和硬度不及金属材料，但比强度大。

六、几种重要高分子合成材料

（一）塑料

在一定温度和压力下可塑成型的高分子合成材料称为塑料。

合成高分子化合物是塑料的主要成分，决定着塑料的类型和基本性能，此外塑料中还加一此添加剂如垣料、增强剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料、发泡剂、抗静电剂等。

塑料根据受热后性能的不同分为热塑性塑料和热固性塑料，前者的基料是线型或支链分子化合物，具有热塑性，可以反复加热成型。后者的基料是体型高分子化合物，具固性，只能一次加热成型，不能反复加工成型。塑料也可以根据用途不同分为通用塑料、工程塑料等。

1）通用塑料

通用塑料是指应用范围广，产量大的塑料。主要有

2）工程塑料：指有特种性能和特殊用途的塑料

（二）合成橡胶

橡胶是在室温下处于高弹态的高分子材料。橡胶的主要原料是线型高聚物，此外还需加人添加剂如硫化剂（把线型高聚物变成轻度网状结构的高聚物）、促进剂、助促进剂、填充剂、防老剂、软化剂等。

橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶两大类。

1） 通用橡胶

如丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯共聚的产物。

氯丁橡胶由氯丁二烯均聚而成。

丁腈橡胶是丁二烯与丙烯腈的共聚物。

乙丙橡胶（共聚物）是乙烯与丙烯的共聚物。

2） 特种橡胶：是生产量相对较少而有特殊用途的橡胶

硅橡胶是二甲基二氯硅烷均聚物。

氟橡胶（共聚物）是四氯乙烯与六氟丙烯等的共聚物。

（三）合成纤维

合成纤维是以石油、煤、天然气等低分子有机物为原料，聚合加工而成的。可制作纤维的高分子化合物，一般具有以下条件：

(1) 线型高分子化合物。

(2) 高分子化合物的聚集状态既要有晶区，又要有非晶区。

(3) 高分子化合物的分子量分布要比较窄，即分子量大小不能相差太大。

(4) 分子链之间作用力比较大，高分子链上要有极性基团，最好有可形成氢键的-oh （羟基）或-nh-（氨基）。

常用的合成纤维有涤纶（聚酯对苯二甲酸乙二酯）、锦纶（聚酞胺一尼龙）、腈纶（聚丙烯腈）、氯纶（聚氯乙烯）、丙纶（聚丙烯）等。

此外重要的合成高分子材料还有合成胶粘剂、涂料、树脂等等。