3.5 有機化學

內容提要：有機物特點、分類及命名；官能團及分子構造式；同分異構；有機物的重要反應：加成、取代、消除、氧化、催化加氫、聚合反應、加聚與縮聚；基本有機物的結構、基本性質及用途：烷烴、 烯烴、炔烴、 芳烴、鹵代烴、醇、苯酚、醛和酮、羧酸、酯；合成材料：高分子化合物、塑料、合成橡膠、合成纖維、工程塑料。

本講重點：官能團及分子構造式；同分異構；有機物的重要反應：加成、取代、消除、氧化、催化加氫、聚合反應、加聚與縮聚；基本有機物的結構、基本性質及用途

本講難點：同分異構；有機物的重要反應：加成、取代、消除、氧化、催化加氫、聚合反應、加聚與縮聚

絕大多數有機化合物含有 c 、 h 兩元素和 o 、 n 、 s 、 p 等元素，因此可以說有機化合物是碳氫化合物及其衍生物。分子中只含有 c 和 h 兩種元素的有機化合物叫烴。

一、有機物的特點

有機物一般是含碳的化合物,除了碳外,最多的元素是氫,其次是氧、氮、硫、磷和鹵素,因此有機物被稱做碳氫化合物及其衍生物,其特點為:①數目龐大;②結構復雜; ③難溶于水,易溶于有機溶劑;④受熱易分解,大多可以燃燒;⑤不易導電,熔點低。

二、有機化合物的分類

 

 

五、有機高分子化合物

（一）有機高分子化合物的基本概念

1）鏈節、聚合度

有機高分子化合物的分子量很大，一般摩爾分子量大于 10000g·mol^-1，有的達到幾萬、十幾萬、幾十萬不等。但是它們的分子的化學組成比較簡單，高分子是由一些簡單的結構單元多次重復而成。這種結構單元叫做鏈節。鏈節重復的次數叫聚合度。例如，天然

在合成高分子化合物時，合成得到的高分子化合物的分子量不可能像低分子有機化合物那樣，具有完全相同的分子量。高分子化合物實際是由鏈節相同、聚合度不同的同系物組成的混合物。實驗測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。計算公式如下：

2）高分子化合物分子的幾何形狀

高分子化合物的分子形狀可分為三種：線型、支鏈型和體型。見圖 3 一 9 一 1 。

線型高分子化合物分子的長度是直徑的幾萬倍，這些分子鏈很柔順，通常是卷曲或不規則的線圈狀態。

有些高分子化合物在分子主鏈上連接了一些較短的側鏈（支鏈），支鏈的長短和數量可以不同，這就是支鏈型高分子化合物。

體型高分子是在線型或支鏈型高分子的分子鏈之間，以化學鍵聯結起來（稱為交聯） , 形成空間網狀結構。

高分子化合物的一些物理性能與其分子的幾何形狀有密切關系。線型和支鏈型高分子化合物一般可溶于適當溶劑，受熱可以熔融，可以反復加熱和冷卻，具有熱塑性；體型高分子化合物，交聯程度小，受熱時可以軟化，但不能熔融。加人適當的溶劑可使其溶脹，但不能溶解。交聯程度大的高分子化合物不溶和不熔。這類高分子化合物的成型加工，只能在其交聯形成網狀結構之前進行，一旦交聯成為網狀結構，就不能再改變形狀，它們具有熱固性。

線型、支鏈型高分子化合物分子鏈較長，它們不可能像低分子那樣排列整齊，形成晶體。大部分為排列不齊的非晶區。只有一些排列較齊的部分稱為晶區，晶區含量很少的為非晶型高分子化合物；晶區含量較多的（約占 70 ％以上）為結晶型高分子。

3）合成高分子化合物的主要反應

合成高分子化合物的原料稱為單體。合成高分子化合物的反應主要有二類：加成聚合反應（簡稱加聚反應）和縮合聚合反應（簡稱縮聚反應）。因此高分子化合物又叫高聚物。

（1）加成聚合反應

一般進行加成聚合反應的單體是含有重鍵的低分子有機化合物。加聚反應通常是游離基型（游離基是含單電子的物質。很活潑，不穩定，易發生反應。）連鎖反應。它包括鏈的引發、鏈的生長和鏈的終止三步。

例如合成聚氯乙烯的加聚反應：

用引發劑過氧化苯甲酚分解生成游離基

加聚反應在幾秒內即可完成。加聚反應合成的高聚物中鏈節的化學組成和原料單體的組成相同，但化學結構不同。

（2）縮合聚合反應

縮聚反應的單體必須含有二個或二個以上可發生縮合反應的官能團（或可反應的原子）。這些官能團分別發生縮合反應向二維或三維方向延伸，形成高分子化合物。這類高聚物的鏈節的化學組成和單體的化學組成不相同，因為反應時要失去小分子。

例如已二酸和已二醇縮合生成聚已二酸已二醋（聚醋）的反應：

（3）均聚和共聚

由一種單體聚合而成的高聚物叫均聚物，這種聚合反應叫均聚。由兩種或多種單體聚合成的高聚物叫共聚物，這種聚合反應叫共聚。

abs 是最典型的共聚物。它是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種單體的共聚物。

在共聚物中有不同的鏈節，根據不同鏈節排列情況，共聚可分為如下四種：

共聚類型不同，分子的微觀結構不同，性能也不同。

（二）高分子化合物的三種力學狀態

1）高分子鏈的內旋轉和柔性

在大多數高分子鏈中存在著許多單鍵，單鍵是σ鍵，形成σ鍵的原子可繞鍵軸旋轉。高分子鏈中所有的σ鍵都可以繞鍵軸旋轉，這就是內旋轉，見圖 3- 9-2 。因此，高分子鏈有柔性（柔順性）。

2）線型非晶態高分子化合物的三種力學狀態

線型非晶態高分子有多重運動單元。這是因為高分子鏈很長，除了高分子鏈是一個運動單元外，由若干個鏈節組成的鏈段也是一個個運動單元，這與小分子只有一個運動單元不同。由子這些鏈段的轉動使線型非晶態高分子化合物具有柔性和彈性。

線型非晶態高分子化合物在不同溫度下處于不同的力學狀態（參見圖 3-9-3 ）。這是因為在不同溫度下在應力作用時高分子化合物發生的形變特點不同。當溫度不高時，在受到一定的應力作用時，高分子的鏈段只發生微小的伸縮和轉動，去掉應力后鏈段將恢復原形。這種形變是“普彈形變”，像玻璃受力發生形變一樣。這種力學狀態叫玻璃態。

升高溫度，當溫度超過一定值（ t_g¹玻璃化溫度）時，高分子化合物的鏈段可以作較大程度旋轉。這時，高分子化合物在應力作用下，形變率很大。若應力取消后，分子鏈中鏈段恢復原位。這種形變叫“高彈形變”，相應的力學狀態即稱為高彈態。

再升高溫度，當溫度超過 t_f¹ (粘流化溫度）后，不僅高分子鏈中鏈段開始旋轉，而且整個高分子鏈也升始發生位移，這時高分子化合物變成粘性流體。若把應力去掉，高分子鏈發生的形變不可逆轉。這種力學狀態即稱為粘流態。粘流態是一般高分子材料加工成型時使用的狀態。高分子化合物的玻璃態溫度區間是 t_c-t_g。t_c叫脆化溫度，此時溫度較低，高分子化合物很脆，在較大應力作用下無承受能力。高分子化合物的高彈態溫度區間是t_g-t_f。高分子化合物的粘流態溫度區間是 t_f-t_d。t_d是分解溫度。高分子化合物的分子量很大，并且分子間相互纏繞，因此分子間作用力很大，與化學鍵在同一數量級上，因此當溫度升高到一定程度下，高分子化合物尚未氣化前，它的共價鍵已經斷裂，發生分解反應。

常溫下處在玻璃態的高分子材料叫做塑料、纖維。 t_c 越低，t_g越高，塑料、纖維的使用溫度范圍越大。常溫下處在高彈態的高分子材料叫做橡膠。t_g越低、 t_f 越高，橡膠的使用溫度范圍越大。常溫下處于粘流態的高分子化合物稱為流動性樹脂。

結晶型、體型高分子化合物的力學狀態與線型非晶態高分子化合物不同，它們一般無高彈態，而體型高分子化合物無粘流態。

（三）高分子化合物的主要性能

1．密度小，比重輕。 2．有可塑性，有的還有高彈性。 3．熱、電的不良導體。 4．化學穩定性好，耐腐蝕。 5．溶解性服從相似相溶原則。 6．強度和硬度不及金屬材料，但比強度大。

六、幾種重要高分子合成材料

（一）塑料

在一定溫度和壓力下可塑成型的高分子合成材料稱為塑料。

合成高分子化合物是塑料的主要成分，決定著塑料的類型和基本性能，此外塑料中還加一此添加劑如垣料、增強劑、增塑劑、穩定劑、潤滑劑、色料、發泡劑、抗靜電劑等。

塑料根據受熱后性能的不同分為熱塑性塑料和熱固性塑料，前者的基料是線型或支鏈分子化合物，具有熱塑性，可以反復加熱成型。后者的基料是體型高分子化合物，具固性，只能一次加熱成型，不能反復加工成型。塑料也可以根據用途不同分為通用塑料、工程塑料等。

1）通用塑料

通用塑料是指應用范圍廣，產量大的塑料。主要有

2）工程塑料：指有特種性能和特殊用途的塑料

（二）合成橡膠

橡膠是在室溫下處于高彈態的高分子材料。橡膠的主要原料是線型高聚物，此外還需加人添加劑如硫化劑（把線型高聚物變成輕度網狀結構的高聚物）、促進劑、助促進劑、填充劑、防老劑、軟化劑等。

橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠兩大類。

1） 通用橡膠

如丁苯橡膠是由丁二烯和苯乙烯共聚的產物。

氯丁橡膠由氯丁二烯均聚而成。

丁腈橡膠是丁二烯與丙烯腈的共聚物。

乙丙橡膠（共聚物）是乙烯與丙烯的共聚物。

2） 特種橡膠：是生產量相對較少而有特殊用途的橡膠

硅橡膠是二甲基二氯硅烷均聚物。

氟橡膠（共聚物）是四氯乙烯與六氟丙烯等的共聚物。

（三）合成纖維

合成纖維是以石油、煤、天然氣等低分子有機物為原料，聚合加工而成的。可制作纖維的高分子化合物，一般具有以下條件：

(1) 線型高分子化合物。

(2) 高分子化合物的聚集狀態既要有晶區，又要有非晶區。

(3) 高分子化合物的分子量分布要比較窄，即分子量大小不能相差太大。

(4) 分子鏈之間作用力比較大，高分子鏈上要有極性基團，最好有可形成氫鍵的-oh （羥基）或-nh-（氨基）。

常用的合成纖維有滌綸（聚酯對苯二甲酸乙二酯）、錦綸（聚酞胺一尼龍）、腈綸（聚丙烯腈）、氯綸（聚氯乙烯）、丙綸（聚丙烯）等。

此外重要的合成高分子材料還有合成膠粘劑、涂料、樹脂等等。