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有机化学基础

化学选考笔记，对应人教版《有机化学基础》（选择性必修三），按专题整理。

第一章 有机化合物的结构特点与研究方法​

第一节 有机化合物的结构特点​

有机化合物的概念​

  • 有机化合物（Organic Compound）：含碳元素的化合物（简称有机物），绝大多数含氢，还可能含 O、N、S、P、卤素等；
  • 例外：CO\text{CO}、CO2\text{CO}_2、碳酸、碳酸盐、氰化物、碳化物等，虽含碳，但性质与无机物相似，归为无机物；
  • 有机物一般难溶于水、易溶于有机溶剂，多数熔沸点低、不耐热、易燃烧，反应速率慢、常伴副反应。

碳原子的成键特点​

碳原子最外层 4 个电子，成键时形成 4 个共价键，这是有机物种类繁多的根本原因。

  • 碳与碳之间可以形成 单键、双键、三键，也可以连成 链状 或 环状；
  • 碳链可长可短、可支可直，形成的碳骨架千变万化；
  • 键的类型：
键型示例碳的杂化
单键CH3—CH3\text{CH}_3\text{—}\text{CH}_3sp3sp^3（正四面体）
双键CH2=CH2\text{CH}_2=\text{CH}_2sp2sp^2（平面）
三键CH≡CH\text{CH}\equiv\text{CH}spsp（直线）

甲烷 CH4\text{CH}_4 为正四面体结构，键角约 109∘28′109^\circ 28'；乙烯为平面结构，键角约 120∘120^\circ；乙炔为直线结构，键角 180∘180^\circ。

官能团​

官能团（Functional Group）：决定有机物化学特性的原子或原子团。同一类有机物含相同官能团，性质相似。

类别官能团示例
烯烃C=C\text{C}=\text{C}CH2=CH2\text{CH}_2=\text{CH}_2
炔烃C≡C\text{C}\equiv\text{C}CH≡CH\text{CH}\equiv\text{CH}
卤代烃−X-\text{X}CH3CH2Cl\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Cl}
醇−OH-\text{OH}（醇羟基）CH3CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}
酚−OH-\text{OH}（酚羟基）C6H5OH\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}
醛−CHO-\text{CHO}CH3CHO\text{CH}_3\text{CHO}
酮C=O\text{C}=\text{O}（羰基）CH3COCH3\text{CH}_3\text{COCH}_3
羧酸−COOH-\text{COOH}CH3COOH\text{CH}_3\text{COOH}
酯−COO−-\text{COO}-CH3COOC2H5\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5

同系物与同分异构体​

  • 同系物（Homolog）：结构相似、在分子组成上相差若干个 CH2\text{CH}_2 原子团的物质。同系物 通式相同、化学性质相似，物理性质随碳数递变；
  • 同分异构体（Isomer）：分子式相同、结构不同的化合物。互为同分异构体的物质分子式相同，性质常不同。

同分异构现象主要有三类：

  • 碳链异构：碳骨架不同，如正丁烷与异丁烷；
  • 位置异构：官能团位置不同，如 1-丁烯与 2-丁烯、1-丙醇与 2-丙醇；
  • 官能团异构（类别异构）：官能团种类不同，如乙醇（C2H6O\text{C}_2\text{H}_6\text{O}）与二甲醚。

常见类别异构（分子式相同、类别不同）：

  • CnH2n\text{C}_n\text{H}_{2n}：烯烃与环烷烃；
  • CnH2n+2O\text{C}_n\text{H}_{2n+2}\text{O}：饱和一元醇与醚；
  • CnH2nO\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{O}：饱和一元醛与酮（及烯醇）；
  • CnH2nO2\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{O}_2：饱和一元羧酸与酯（及羟基醛等）。

判断同分异构体种类时常用 等效氢法 与 对称法，做到不重不漏。

有机物的分类​

  • 按碳骨架：链状化合物（脂肪族）、环状化合物（脂环族与芳香族）；
  • 按官能团：烃、卤代烃、醇、酚、醛、酮、羧酸、酯等；
  • 烃可分为饱和烃（烷烃）与不饱和烃（烯烃、炔烃、芳香烃）。

有机物的命名​

系统命名法（IUPAC）是重点。烷烃命名步骤：

  1. 选主链：选含碳最多的碳链为主链，据碳数称「某烷」；
  2. 定编号：从靠近支链的一端编号，使取代基位次之和最小；
  3. 写名称：支链位次 + 支链名，相同支链合并（用二、三……），不同支链按次序先小后大。
  • 例：2,3-2,3\text{-} 二甲基丁烷、2-2\text{-} 甲基戊烷；
  • 烯烃、炔烃命名时主链须含双键或三键，编号使官能团位次最小，如 2-2\text{-} 丁烯、3-3\text{-} 甲基 1-1\text{-} 丁烯；
  • 苯的同系物以苯为母体，如甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯。

碳数 1 – 10 依次为：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。

第二节 研究有机化合物的一般方法​

分离与提纯​

方法适用原理
蒸馏分离沸点相差较大的液体沸点差异
萃取提取溶质溶质在两种互不相溶溶剂中溶解度不同
重结晶提纯固体有机物溶解度随温度变化不同
色谱法分离微量、复杂混合物各组分在固定相中吸附能力不同

元素分析与相对分子质量​

  • 元素定性分析：判断有机物含有哪些元素（如燃烧产物使澄清石灰水变浑浊证明含碳，使无水硫酸铜变蓝证明含氢）；
  • 元素定量分析：测定各元素的质量分数（李比希燃烧法），进而求 实验式（最简式）；
  • 相对分子质量测定：常用 质谱法，谱图中最大质荷比即分子的相对分子质量；由实验式与相对分子质量可确定 分子式。

由质量分数求分子式的一般思路：各元素质量分数 →\to 原子个数比（实验式）→\to 结合相对分子质量确定分子式。

分子结构的确定（谱图）​

谱图作用特征
质谱测相对分子质量最大质荷比
红外光谱（IR）确定化学键与官能团不同键 / 官能团吸收特征频率
核磁共振氢谱（1H NMR^1\text{H}\ \text{NMR}）确定氢原子种类与数目吸收峰组数 == 等效氢种类，峰面积比 == 氢原子个数比

例如乙醇的核磁共振氢谱有 3 组峰，峰面积比为 3:2:13:2:1，对应 CH3\text{CH}_3、CH2\text{CH}_2、OH\text{OH} 三种氢。

第二章 烃​

烃（Hydrocarbon）：仅由碳、氢两种元素组成的有机物，又称碳氢化合物。

第一节 烷烃​

结构与通式​

  • 烷烃（Alkane）：碳原子间以单键结合、其余价键都与氢结合的饱和链烃；
  • 通式 CnH2n+2\text{C}_n\text{H}_{2n+2}（n≥1n\geq 1），碳为 sp3sp^3 杂化，碳链呈锯齿形；
  • 甲烷 CH4\text{CH}_4 是最简单的烷烃，正四面体结构。

物理性质​

  • 随碳数增加，熔沸点升高；常温下 C1∼C4\text{C}_1\sim\text{C}_4 为气态，C5∼C16\text{C}_5\sim\text{C}_{16} 为液态，更多的为固态；
  • 都不溶于水，密度小于水；
  • 同分异构体中支链越多、沸点越低。

化学性质​

烷烃化学性质稳定，通常不与强酸、强碱、强氧化剂反应，特征反应是 取代反应 与 氧化（燃烧）。

取代反应：分子中的原子（或原子团）被其他原子（或原子团）所替代。甲烷与氯气在光照下逐步取代：

CH4+Cl2→光照CH3Cl+HCl\text{CH}_4+\text{Cl}_2\xrightarrow{\text{光照}}\text{CH}_3\text{Cl}+\text{HCl}

继续取代依次生成 CH2Cl2\text{CH}_2\text{Cl}_2、CHCl3\text{CHCl}_3、CCl4\text{CCl}_4。产物为混合物，四种氯代物中只有 CH3Cl\text{CH}_3\text{Cl} 为气体。

燃烧：

CH4+2O2→点燃CO2+2H2O\text{CH}_4+2\text{O}_2\xrightarrow{\text{点燃}}\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}

烷烃完全燃烧通式：CnH2n+2+3n+12O2→点燃nCO2+(n+1)H2O\text{C}_n\text{H}_{2n+2}+\frac{3n+1}{2}\text{O}_2\xrightarrow{\text{点燃}}n\text{CO}_2+(n+1)\text{H}_2\text{O}。

来源与用途​

天然气主要成分是甲烷；石油分馏、裂化、裂解可得各种烃。烷烃是重要的燃料和化工原料。

第二节 烯烃 炔烃​

烯烃的结构与通式​

  • 烯烃（Alkene）：分子中含 碳碳双键 C=C\text{C}=\text{C} 的链烃，单双键的碳为 sp2sp^2 杂化，双键处呈平面结构；
  • 单烯烃通式 CnH2n\text{C}_n\text{H}_{2n}（n≥2n\geq 2），与环烷烃互为同分异构体；
  • 乙烯 CH2=CH2\text{CH}_2=\text{CH}_2 是最简单的烯烃，也是石油化工的基础原料，其产量常作为衡量一个国家石油化工水平的标志。

乙烯的化学性质​

双键中有一个键较活泼，易断裂，故烯烃能发生 加成、氧化、加聚 反应。

加成反应：不饱和键两端各加上一个原子（或原子团），生成饱和产物。

  • 与溴（溴的四氯化碳溶液）加成，橙红色褪去（用于检验碳碳双键）：

CH2=CH2+Br2→CH2BrCH2Br\text{CH}_2=\text{CH}_2+\text{Br}_2\to\text{CH}_2\text{BrCH}_2\text{Br}

  • 与氢气加成：CH2=CH2+H2→催化剂, ΔCH3CH3\text{CH}_2=\text{CH}_2+\text{H}_2\xrightarrow{\text{催化剂},\ \Delta}\text{CH}_3\text{CH}_3；
  • 与水加成（工业制乙醇）：CH2=CH2+H2O→催化剂CH3CH2OH\text{CH}_2=\text{CH}_2+\text{H}_2\text{O}\xrightarrow{\text{催化剂}}\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}；
  • 与卤化氢加成：CH2=CH2+HCl→催化剂CH3CH2Cl\text{CH}_2=\text{CH}_2+\text{HCl}\xrightarrow{\text{催化剂}}\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Cl}。

氧化反应：

  • 燃烧：CH2=CH2+3O2→点燃2CO2+2H2O\text{CH}_2=\text{CH}_2+3\text{O}_2\xrightarrow{\text{点燃}}2\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}，火焰明亮并伴黑烟；
  • 使酸性 KMnO4\text{KMnO}_4 溶液褪色（双键被氧化断裂），此反应也可检验碳碳双键，但不能区分烯与炔。

加聚反应：许多小分子（单体）通过加成相互结合成高分子（聚合物）的反应。乙烯加聚生成聚乙烯：

nCH2=CH2→催化剂[ CH2−CH2 ]nn\text{CH}_2=\text{CH}_2\xrightarrow{\text{催化剂}}[\ \text{CH}_2-\text{CH}_2\ ]_n

式中 nn 为聚合度，方括号内为链节，聚乙烯是常见的塑料。

炔烃​

  • 炔烃（Alkyne）：分子中含 碳碳三键 C≡C\text{C}\equiv\text{C} 的链烃，三键碳为 spsp 杂化，呈直线结构；
  • 单炔烃通式 CnH2n−2\text{C}_n\text{H}_{2n-2}（n≥2n\geq 2）；
  • 乙炔 CH≡CH\text{CH}\equiv\text{CH} 是最简单的炔烃，俗名电石气，工业上由电石与水反应制取：CaC2+2H2O→Ca(OH)2+CH≡CH↑\text{CaC}_2+2\text{H}_2\text{O}\to\text{Ca}(\text{OH})_2+\text{CH}\equiv\text{CH}\uparrow。

乙炔的性质与乙烯类似，含不饱和键，可发生加成、氧化、加聚：

  • 与溴加成（可加两分子）：CH≡CH+2Br2→CHBr2CHBr2\text{CH}\equiv\text{CH}+2\text{Br}_2\to\text{CHBr}_2\text{CHBr}_2；
  • 燃烧：2CH≡CH+5O2→点燃4CO2+2H2O2\text{CH}\equiv\text{CH}+5\text{O}_2\xrightarrow{\text{点燃}}4\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}，火焰明亮、浓烟很大，含碳量高故黑烟更浓（氧炔焰可焊接切割金属）；
  • 使溴水、酸性 KMnO4\text{KMnO}_4 溶液褪色。

第三节 芳香烃​

苯的结构​

  • 芳香烃（Aromatic Hydrocarbon）：分子中含 苯环 的碳氢化合物；
  • 苯 C6H6\text{C}_6\text{H}_6 是最简单的芳香烃，为平面正六边形结构；
  • 苯分子中 6 个碳原子间的键 是一种介于单键和双键之间的特殊化学键，各碳键完全相同，不存在单双键交替，故苯 不能 使溴水、酸性 KMnO4\text{KMnO}_4 溶液褪色。

苯的物理性质​

无色、有特殊气味的液体，密度小于水、不溶于水，有毒，是良好的有机溶剂。

苯的化学性质​

苯的特征是 易取代、难加成、难氧化。

取代反应（比双键更能反映苯环性质）：

  • 与液溴（催化剂 FeBr3\text{FeBr}_3）取代生成溴苯：C6H6+Br2→FeBr3C6H5Br+HBr\text{C}_6\text{H}_6+\text{Br}_2\xrightarrow{\text{FeBr}_3}\text{C}_6\text{H}_5\text{Br}+\text{HBr}；
  • 与浓硝酸（浓硫酸作催化剂）取代生成硝基苯：C6H6+HNO3→浓硫酸, ΔC6H5NO2+H2O\text{C}_6\text{H}_6+\text{HNO}_3\xrightarrow{\text{浓硫酸},\ \Delta}\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2+\text{H}_2\text{O}。

加成反应（一定条件下才能进行）：

C6H6+3H2→催化剂, ΔC6H12\text{C}_6\text{H}_6+3\text{H}_2\xrightarrow{\text{催化剂},\ \Delta}\text{C}_6\text{H}_{12}

生成环己烷。

燃烧：2C6H6+15O2→点燃12CO2+6H2O2\text{C}_6\text{H}_6+15\text{O}_2\xrightarrow{\text{点燃}}12\text{CO}_2+6\text{H}_2\text{O}，火焰明亮、黑烟浓（含碳量高）。

苯的同系物​

  • 通式 CnH2n−6\text{C}_n\text{H}_{2n-6}（n≥6n\geq 6），如甲苯、二甲苯；
  • 由于烷基对苯环的影响，甲苯 能 使酸性 KMnO4\text{KMnO}_4 溶液褪色（侧链被氧化），这是与苯的重要区别；
  • 甲苯与浓硝酸、浓硫酸反应生成 TNT（三硝基甲苯），是烈性炸药。

第三章 烃的衍生物​

烃分子中的氢被其他原子或原子团取代所得的产物，统称 烃的衍生物。

第一节 卤代烃​

结构与物理性质​

  • 卤代烃（Halohydrocarbon）：烃分子中的氢被卤素原子取代生成的化合物，官能团为 −X-\text{X}；
  • 一氯乙烷 CH3CH2Cl\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Cl}、溴乙烷 CH3CH2Br\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Br} 等；
  • 不溶于水，密度多数大于水，沸点随碳数增大而升高。

化学性质​

碳卤键较活泼，卤代烃可发生 取代（水解） 与 消去 反应，是有机合成的重要中间体。

水解反应（取代，在 NaOH\text{NaOH} 水溶液中）：

CH3CH2Br+NaOH→H2O, ΔCH3CH2OH+NaBr\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Br}+\text{NaOH}\xrightarrow{\text{H}_2\text{O},\ \Delta}\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}+\text{NaBr}

消去反应（脱去小分子生成不饱和键，在 NaOH\text{NaOH} 醇溶液中）：

CH3CH2Br+NaOH→乙醇, ΔCH2=CH2↑+NaBr+H2O\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Br}+\text{NaOH}\xrightarrow{\text{乙醇},\ \Delta}\text{CH}_2=\text{CH}_2\uparrow+\text{NaBr}+\text{H}_2\text{O}

消去规律遵循「相邻碳上有氢才能消去」，无 β-\beta\text{-} 氢的卤代烃不能发生消去。

卤素的检验：卤代烃 + NaOH\text{NaOH} 水溶液加热水解 →\to 冷却后加稀硝酸酸化 →\to 滴加 AgNO3\text{AgNO}_3 溶液，观察沉淀颜色（AgCl\text{AgCl} 白、AgBr\text{AgBr} 淡黄、AgI\text{AgI} 黄）。须先酸化，否则 NaOH\text{NaOH} 会干扰。

第二节 醇 酚​

醇​

  • 醇（Alcohol）：羟基 −OH-\text{OH} 与链烃基或苯环侧链上的碳相连的化合物，官能团为 醇羟基；
  • 乙醇 CH3CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} 是最重要的醇，俗名酒精，无色有特殊气味、与水任意比互溶；
  • 饱和一元醇通式 CnH2n+2O\text{C}_n\text{H}_{2n+2}\text{O}。

乙醇的化学性质：

  • 与钠反应（−OH-\text{OH} 中氢较活泼，但比水弱）：2CH3CH2OH+2Na→2CH3CH2ONa+H2↑2\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}+2\text{Na}\to 2\text{CH}_3\text{CH}_2\text{ONa}+\text{H}_2\uparrow；
  • 催化氧化（生成乙醛）：2CH3CH2OH+O2→催化剂, Δ2CH3CHO+2H2O2\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}+\text{O}_2\xrightarrow{\text{催化剂},\ \Delta}2\text{CH}_3\text{CHO}+2\text{H}_2\text{O}；
  • 消去反应（分子内脱水制乙烯）：CH3CH2OH→浓硫酸, 170 ∘CCH2=CH2↑+H2O\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}\xrightarrow{\text{浓硫酸},\ 170\ ^\circ\text{C}}\text{CH}_2=\text{CH}_2\uparrow+\text{H}_2\text{O}；
  • 分子间脱水（生成乙醚）：2CH3CH2OH→浓硫酸, 140 ∘CCH3CH2OCH2CH3+H2O2\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}\xrightarrow{\text{浓硫酸},\ 140\ ^\circ\text{C}}\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_2\text{CH}_3+\text{H}_2\text{O}；
  • 酯化反应（与羧酸，见下节）。

乙醇催化氧化的实质：与 −OH-\text{OH} 相连的碳上有氢（α-\alpha\text{-} 氢）才能被氧化。羟基所在碳上有 2 个氢生成醛，有 1 个氢生成酮，无氢则不被氧化。

酚​

  • 酚（Phenol）：羟基 −OH-\text{OH} 直接与 苯环 相连的化合物，官能团为 酚羟基；
  • 苯酚 C6H5OH\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} 是最简单的酚，常温微溶于水（高于 65 ∘C65\ ^\circ\text{C} 与水互溶），有毒、有腐蚀性。

苯酚的化学性质（酚羟基与苯环相互影响）：

  • 弱酸性（俗称石炭酸，酸性比碳酸弱）：C6H5OH+NaOH→C6H5ONa+H2O\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}+\text{NaOH}\to\text{C}_6\text{H}_5\text{ONa}+\text{H}_2\text{O}；
  • 苯酚钠溶液中通入 CO2\text{CO}_2 又析出苯酚：C6H5ONa+CO2+H2O→C6H5OH+NaHCO3\text{C}_6\text{H}_5\text{ONa}+\text{CO}_2+\text{H}_2\text{O}\to\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}+\text{NaHCO}_3（生成 NaHCO3\text{NaHCO}_3，说明苯酚酸性弱于碳酸、强于碳酸氢根）；
  • 与浓溴水反应生成 白色沉淀 三溴苯酚（苯环受羟基活化，用于检验和定量测定苯酚）：C6H5OH+3Br2→C6H2Br3OH↓+3HBr\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}+3\text{Br}_2\to\text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{OH}\downarrow+3\text{HBr}；
  • 与 FeCl3\text{FeCl}_3 溶液显 紫色（特征显色反应，用于检验苯酚）。

醇与酚的对比：

醇酚
羟基所连链烃基 / 侧链碳苯环碳
酸性几乎无（中性）弱酸性（强于醇）
与 Na\text{Na}反应放 H2\text{H}_2反应放 H2\text{H}_2
与 NaOH\text{NaOH}不反应反应
与浓溴水不反应白色沉淀
与 FeCl3\text{FeCl}_3不显色显紫色

第三节 醛 酮​

醛​

  • 醛（Aldehyde）：由烃基（或氢）与醛基 −CHO-\text{CHO} 相连的化合物，官能团为 醛基；
  • 乙醛 CH3CHO\text{CH}_3\text{CHO} 是最简单的醛之一，无色、有刺激性气味、与水互溶；甲醛 HCHO\text{HCHO} 的水溶液（35%∼40%35\%\sim 40\%）俗称福尔马林。

醛的化学性质（醛基既能被氧化又能被还原）：

  • 氧化反应（还原性，被弱氧化剂氧化成羧酸）：
    • 银镜反应：CH3CHO+2Ag(NH3)2OH→ΔCH3COONH4+2Ag↓+3NH3+H2O\text{CH}_3\text{CHO}+2\text{Ag}(\text{NH}_3)_2\text{OH}\xrightarrow{\Delta}\text{CH}_3\text{COONH}_4+2\text{Ag}\downarrow+3\text{NH}_3+\text{H}_2\text{O}，试管内壁生成光亮银镜；
    • 与新制 Cu(OH)2\text{Cu}(\text{OH})_2 悬浊液反应：加热生成 砖红色沉淀 Cu2O\text{Cu}_2\text{O}，CH3CHO+2Cu(OH)2+NaOH→ΔCH3COONa+Cu2O↓+3H2O\text{CH}_3\text{CHO}+2\text{Cu}(\text{OH})_2+\text{NaOH}\xrightarrow{\Delta}\text{CH}_3\text{COONa}+\text{Cu}_2\text{O}\downarrow+3\text{H}_2\text{O}；
  • 还原反应（加成，与氢气生成醇）：CH3CHO+H2→催化剂, ΔCH3CH2OH\text{CH}_3\text{CHO}+\text{H}_2\xrightarrow{\text{催化剂},\ \Delta}\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}。

银镜反应与新制氢氧化铜反应都是检验 醛基 的常用方法。配制银氨溶液时向 AgNO3\text{AgNO}_3 溶液中逐滴加氨水至沉淀恰好溶解；新制 Cu(OH)2\text{Cu}(\text{OH})_2 需碱过量（NaOH\text{NaOH} 过量、CuSO4\text{CuSO}_4 少量）。

酮​

  • 酮（Ketone）：羰基 C=O\text{C}=\text{O} 与两个烃基相连的化合物；
  • 丙酮 CH3COCH3\text{CH}_3\text{COCH}_3 是最简单、最常用的酮，是良好的有机溶剂；
  • 酮的羰基能与氢气加成生成醇，但 不能 发生银镜反应、不与新制 Cu(OH)2\text{Cu}(\text{OH})_2 反应（据此可区分醛与酮）。

醛与酮均含羰基、互为官能团异构（如乙醛与……环氧乙烷、丙醛与丙酮）。

第四节 羧酸 羧酸衍生物​

羧酸​

  • 羧酸（Carboxylic Acid）：由烃基（或氢）与羧基 −COOH-\text{COOH} 相连的化合物，官能团为 羧基；
  • 乙酸 CH3COOH\text{CH}_3\text{COOH}（俗名醋酸）是最重要的羧酸，无色有刺激性气味，无水乙酸在 16.6 ∘C16.6\ ^\circ\text{C} 以下凝固成冰状，俗称冰醋酸；
  • 饱和一元羧酸通式 CnH2nO2\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{O}_2。

乙酸的化学性质：

  • 弱酸性（比碳酸强，具有酸的通性）：
    • 与活泼金属：2CH3COOH+Mg→(CH3COO)2Mg+H2↑2\text{CH}_3\text{COOH}+\text{Mg}\to(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg}+\text{H}_2\uparrow；
    • 与碱：CH3COOH+NaOH→CH3COONa+H2O\text{CH}_3\text{COOH}+\text{NaOH}\to\text{CH}_3\text{COONa}+\text{H}_2\text{O}；
    • 与碳酸盐、碳酸氢盐（酸性强于碳酸，放出 CO2\text{CO}_2）：2CH3COOH+Na2CO3→2CH3COONa+H2O+CO2↑2\text{CH}_3\text{COOH}+\text{Na}_2\text{CO}_3\to 2\text{CH}_3\text{COONa}+\text{H}_2\text{O}+\text{CO}_2\uparrow；
  • 酯化反应（与醇，浓硫酸催化、可逆）：

CH3COOH+CH3CH2OH⇌浓硫酸ΔCH3COOC2H5+H2O\text{CH}_3\text{COOH}+\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}\underset{\Delta}{\overset{\text{浓硫酸}}{\rightleftharpoons}}\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5+\text{H}_2\text{O}

酯化反应机理是 酸脱羟基、醇脱氢（可用同位素 18O^{18}\text{O} 示踪证明水中的氧来自羧酸）。浓硫酸起 催化剂和吸水剂 双重作用。

羧酸、碳酸、苯酚、醇酸性比较：与 Na\text{Na}、NaOH\text{NaOH}、Na2CO3\text{Na}_2\text{CO}_3、NaHCO3\text{NaHCO}_3 反应可鉴别酸性强弱。

物质与 Na\text{Na}与 NaOH\text{NaOH}与 Na2CO3\text{Na}_2\text{CO}_3与 NaHCO3\text{NaHCO}_3
乙醇放 H2\text{H}_2不反应不反应不反应
苯酚放 H2\text{H}_2反应反应（不放气）不反应
碳酸—反应反应—
乙酸放 H2\text{H}_2反应放 CO2\text{CO}_2放 CO2\text{CO}_2

酸性由强到弱：乙酸 >> 碳酸 >> 苯酚。据此可用饱和 NaHCO3\text{NaHCO}_3 溶液鉴别乙酸（放气）与苯酚（不放气）。

酯与油脂​

  • 酯（Ester）：羧酸与醇脱水生成的化合物，官能团为 酯基 −COO−-\text{COO}-，低级酯有芳香气味，难溶于水；
  • 水解反应（酯化的逆反应）：
    • 酸性条件（可逆）：CH3COOC2H5+H2O⇌稀硫酸, ΔCH3COOH+CH3CH2OH\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5+\text{H}_2\text{O}\overset{\text{稀硫酸},\ \Delta}{\rightleftharpoons}\text{CH}_3\text{COOH}+\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}；
    • 碱性条件（进行到底）：CH3COOC2H5+NaOH→ΔCH3COONa+CH3CH2OH\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5+\text{NaOH}\xrightarrow{\Delta}\text{CH}_3\text{COONa}+\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}。

油脂 是高级脂肪酸与甘油（丙三醇）生成的酯：

  • 油（不饱和、常温液态，如植物油）、脂肪（饱和、常温固态，如动物脂肪）统称油脂；
  • 氢化（硬化）：油 + 氢气 →催化剂\xrightarrow{\text{催化剂}} 脂肪，将液态油变为固态；
  • 皂化反应：油脂在碱性条件下水解生成高级脂肪酸盐（肥皂）和甘油。

第五节 有机合成​

官能团的引入与转化​

有机合成的核心是 官能团的引入、转化与保护，把简单原料转化为目标产物。

碳碳双键的引入：卤代烃消去、醇消去。

官能团的引入与转化（常见路线）：

烯烃→加成卤代烃 / 醇→醛→羧酸→酯\text{烯烃}\xrightarrow{\text{加成}}\text{卤代烃 / 醇}\to\text{醛}\to\text{羧酸}\to\text{酯}

  • 引入 −OH-\text{OH}：烯烃加水、卤代烃水解、醛还原；
  • 引入 −X-\text{X}：烯烃与卤化氢加成、烷烃取代；
  • 引入 −CHO-\text{CHO}：醇催化氧化；
  • 引入 −COOH-\text{COOH}：醛氧化；
  • 引入 C=C\text{C}=\text{C}：卤代烃或醇消去；
  • 生成酯：羧酸与醇酯化。

逆合成分析​

逆合成分析法（Retrosynthetic Analysis）：从目标分子出发，逆向逐步推出所需的原料和反应，是设计合成路线的基本思路。

  • 分析目标分子的官能团与碳骨架；
  • 逆推需经哪些反应、由什么中间体得到；
  • 正向排列，选最短、副反应少、原料易得的路线。

官能团的保护​

当分子中含多个官能团、某步反应可能破坏不该反应的官能团时，需先 保护（如将易被氧化的 −OH-\text{OH} 暂时转化），反应完成后再 复原。绿色化学要求原子利用率高、少污染。

第四章 生物大分子​

第一节 糖类​

组成与分类​

  • 糖类（Carbohydrate）：由 C、H、O 三种元素组成，多数可用通式 Cn(H2O)m\text{C}_n(\text{H}_2\text{O})_m 表示，故又称碳水化合物（但符合此式的未必是糖，如甲醛、乙酸）；
  • 按能否水解及水解产物分类：
类别能否水解代表物
单糖不能葡萄糖、果糖（C6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6）；核糖、脱氧核糖
二糖能蔗糖、麦芽糖（C12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}）
多糖能淀粉、纤维素（(C6H10O5)n(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n）

葡萄糖​

  • 分子式 C6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6，是一种 多羟基醛（含 5 个 −OH-\text{OH} 和 1 个 −CHO-\text{CHO}），故兼有醇和醛的性质；
  • 含醛基，能发生 银镜反应、与新制 Cu(OH)2\text{Cu}(\text{OH})_2 反应生成砖红色沉淀（可检验、也用于糖尿病诊断）；
  • 是人体重要的供能物质，在体内缓慢氧化：C6H12O6+6O2→酶6CO2+6H2O\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6+6\text{O}_2\xrightarrow{\text{酶}}6\text{CO}_2+6\text{H}_2\text{O}；
  • 果糖与葡萄糖互为同分异构体，果糖是 多羟基酮。

蔗糖与麦芽糖​

  • 蔗糖不含醛基，无银镜反应；麦芽糖含醛基，能发生银镜反应；
  • 二糖水解（稀硫酸催化）：蔗糖 →\to 葡萄糖 ++ 果糖；麦芽糖 →\to 2 分子葡萄糖。

淀粉与纤维素​

  • 二者通式相同 (C6H10O5)n(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n，但 nn 值不同，不是同分异构体（相对分子质量不同）；
  • 淀粉遇 碘变蓝（特征反应，用于检验淀粉或碘）；
  • 水解最终产物都是葡萄糖：(C6H10O5)n+nH2O→催化剂nC6H12O6(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n+n\text{H}_2\text{O}\xrightarrow{\text{催化剂}}n\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6；
  • 纤维素含游离羟基，可与硝酸、乙酸酐等发生酯化，制硝酸纤维、醋酸纤维。

检验淀粉是否水解：取水解液，先加 NaOH\text{NaOH} 中和 →\to 再做银镜反应（或加新制 Cu(OH)2\text{Cu}(\text{OH})_2）检验葡萄糖；另取样加碘水检验淀粉是否残留。

第二节 蛋白质​

组成与结构​

  • 蛋白质（Protein）：由多种 α-\alpha\text{-} 氨基酸通过 肽键 缩合而成的高分子，含 C、H、O、N，有些含 S、P 等；
  • 氨基酸（Amino Acid）：同时含 氨基 −NH2-\text{NH}_2 和 羧基 −COOH-\text{COOH} 的化合物，天然氨基酸多为 α-\alpha\text{-} 氨基酸（氨基与羧基连在同一碳上）；
  • 氨基酸既能与酸反应又能与碱反应，具有 两性；
  • 肽键 −CO−NH−-\text{CO}-\text{NH}-：由一分子氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基脱水缩合形成。

蛋白质的性质​

性质现象与说明
盐析加浓无机盐（如 (NH4)2SO4(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4）析出，可逆，用于分离提纯
变性加热、强酸强碱、重金属盐、酒精、紫外线等使其凝固，不可逆
颜色反应与浓硝酸作用变 黄色（含苯环的蛋白质），用于检验
灼烧产生烧焦羽毛的特殊气味，用于鉴别蛋白质纤维
水解最终水解产物是 α-\alpha\text{-} 氨基酸

利用变性可对医疗器械消毒、杀菌（重金属盐、酒精使细菌蛋白质变性）；重金属盐中毒可服用大量牛奶、蛋清缓解。

第三节 核酸​

组成与结构​

  • 核酸（Nucleic Acid）：由 C、H、O、N、P 组成的生物大分子，是遗传信息的携带者；
  • 基本组成单位是 核苷酸，每个核苷酸由 磷酸、戊糖、含氮碱基 三部分组成；
  • 按戊糖不同分为两类：
种类缩写戊糖碱基
脱氧核糖核酸DNA脱氧核糖A、G、C、T（腺、鸟、胞、胸）
核糖核酸RNA核糖A、G、C、U（腺、鸟、胞、尿）

DNA 主要储存遗传信息，RNA 参与遗传信息的传递与蛋白质的合成。

第五章 合成高分子​

第一节 合成高分子的基本方法​

高分子的基本概念​

  • 高分子化合物（Polymer）：由许多 链节 重复连接而成、相对分子质量很大（通常上万）的化合物；
  • 合成高分子的原料称 单体，链节重复的次数 nn 称 聚合度；
  • 合成方法有 加聚反应 和 缩聚反应 两大类。

加聚反应​

含不饱和键的单体通过加成聚合，只生成聚合物、无小分子，产物链节组成与单体相同。

  • 聚乙烯：nCH2=CH2→催化剂[ CH2−CH2 ]nn\text{CH}_2=\text{CH}_2\xrightarrow{\text{催化剂}}[\ \text{CH}_2-\text{CH}_2\ ]_n；
  • 聚氯乙烯：nCH2=CHCl→催化剂[ CH2−CHCl ]nn\text{CH}_2=\text{CHCl}\xrightarrow{\text{催化剂}}[\ \text{CH}_2-\text{CHCl}\ ]_n；
  • 聚丙烯：nCH2=CHCH3→催化剂[ CH2−CH(CH3) ]nn\text{CH}_2=\text{CHCH}_3\xrightarrow{\text{催化剂}}[\ \text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_3)\ ]_n。

由加聚产物推单体：链节碳碳单键还原为双键即得单体。

缩聚反应​

含两个或以上官能团（如 −OH-\text{OH}、−COOH-\text{COOH}、−NH2-\text{NH}_2）的单体相互缩合成高分子，同时生成水等小分子。

  • 常见类型：二元醇 + 二元酸 →\to 聚酯（如涤纶）；二元胺 + 二元酸 →\to 聚酰胺（如尼龙）；
  • 酚醛树脂（苯酚与甲醛缩聚）；
  • 蛋白质、淀粉、纤维素等天然高分子也可看作缩聚产物。

加聚与缩聚对比：

加聚反应缩聚反应
单体特征含不饱和键含两个及以上官能团
小分子副产物无有（H2O\text{H}_2\text{O} 等）
链节组成与单体相同与单体不同
举例聚乙烯、聚氯乙烯涤纶、尼龙、酚醛树脂

第二节 功能高分子材料​

三大合成材料​

塑料、合成纤维、合成橡胶 合称三大合成材料。

  • 塑料：聚乙烯（薄膜、容器）、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂等；热塑性塑料可反复加热成型，热固性塑料一次成型；
  • 合成纤维：涤纶（聚酯）、锦纶（尼龙）、腈纶等，强度高、耐磨、不易皱；
  • 合成橡胶：顺丁橡胶、丁苯橡胶等，含碳碳双键、有弹性。

功能高分子材料​

在普通高分子基础上引入特定官能团、赋予特殊功能的高分子。

  • 高吸水性树脂：能吸收自身质量数百倍的水，用于卫生用品、农林保水；
  • 离子交换树脂：用于水的净化与软化；
  • 医用高分子：可降解缝合线、人工器官等；
  • 导电、光敏、高分子分离膜 等，是材料科学的重要方向。

高分子材料的合理使用与回收（如 白色污染 的治理）是绿色化学与可持续发展的重要课题。