Transcript 基化二第2章a

第二章
有機化合物
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
2-1 飽和烴-烷烴與環烷烴
1. 烴的分類
2. 簡單的烷烴(甲烷、乙烷、丙烷)
3. 烷烴的性質
4. 環烷烴
烷：CC單鍵
烯：CC雙鍵
炔：CC参鍵
烴的分類
僅含CH原子
脂肪烴
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)。
甲烷的四種表示法
路易斯結構
結構式
球-棍模型
填空模型
乙烷的四種表示法
路易斯結構
結構式
球-棍模型
填空模型
丙烷的四種表示法
路易斯結構
結構式
球-棍模型
填空模型
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。
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
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。
簡單的環烷烴
2-2 不飽和烴-烯與炔烴
1. 烯烴
2. 炔烴
3. 環烯烴與環炔烴
烯烴
1. 烯烴：含碳碳雙鍵的烴類，為不飽和烴。
2. 只含一個雙鍵的烯烴通式：CnH2n
3. 例子：乙烯(C2H4，最簡單的烯烴)
丙烯(C3H6)
4. 烯烴的性質
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：
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)
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：
1. 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. 2-氯乙基磷酸用量少，不至於造成環境汙染。
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：
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：
炔烴
1. 炔烴：僅含碳-碳參鍵的烴類。
2. 通式：CnH2n-2
3. 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)。
4. 常見炔烴的熔點及沸點。
5. 乙炔是最簡單的炔烴。
常見炔烴的熔點及沸點
乙炔C2H2
1. 最簡單的炔烴
2. 可由CaC2(碳化鈣，俗稱電石)與水反應製得
(乙炔，電石氣)。
3. 乙炔的四種表示方法：
4. 乙炔的應用：乙炔氧焰
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。
環烯烴與環炔烴
環烯烴
環炔烴
1. 環烯烴：環內含有碳-碳
雙鍵的環狀碳氫化合物。
2. 通式：CnH2n-2
3. 例子：環已烯C6H10
1. 環炔烴：環內含有碳-碳
參鍵的環狀碳氫化合物。
2. 通式：CnH2n-4
3. 例子：環辛炔C8H12(最小
的環炔烴)
2-3 烴的命名
1. 鏈狀烷烴的命名
2. 環烷烴的命名
3. 烯烴與環烯烴的命名
4. 炔烴的命名
鏈狀烷烴的命名
命名
•正(n-)：表示直鏈
IUPAC系統命名法
俗名
•異(iso- 或 i- )：表示支鏈
•新(neo-)：表示第三異構物
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。
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。
主鏈
支鏈(取代基)
常見的烷烴及烷基的對應表
烷基：烷分子中少一個氫
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。
1. 尋找最長的連續碳鏈，即主鏈，算出主鏈的碳原
子個數。
2. 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。
3. 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。
4. 若取代基碳數不同，先寫碳數少的取代基。
IUPAC系統命名法－範例一
１
２
３
４
５
５個碳
甲基
2-甲基 戊烷
1. 尋找最長的連續碳鏈，即主鏈，算出主鏈
的碳原子個數。
2. 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。
IUPAC系統命名法－範例二
甲基
５個碳
甲基
2,3-二甲基 戊烷
1. 尋找最長的連續碳鏈，即主鏈，算出主鏈的碳原子個數。
2. 從主鏈上最接近取代基的一端開始以阿拉伯數字編號。
3. 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。
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。
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。
甲基
１
２
甲基
１
２
甲基
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
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：
1. 確定環上的碳原子數。若為6個碳，則為環己
烷。
2. 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。
環烷烴的命名－範例一
3
2
1
4
甲基
5
•
6
甲基 環己烷
確定環上的碳原子數。若為6個碳，則為環己烷。
環烷烴的命名－範例二
甲基
甲基
1
5
4
2
3
1,2-二甲基 環戊烷
•
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。
環烷烴的命名－範例三
甲基
先寫碳數少的取代基且使
1
7
取代基的數目總和最小
2
3
6
5 4
1-甲基-4-乙基 環庚烷
乙基
例題2-3
• 以中文系統命名法命名下列分子：
甲基
2
3
1
甲基
甲基環丙烷
5
1
2
4
3
甲基
1,3-二甲基環戊烷
烯烴的命名
• 烯烴命名法與烷烴相似。
1. 須選取含有雙鍵的最長鏈作為主鏈
2. 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
烯烴的命名－範例
1
甲基
甲基
1
4
2
5
3
順5-甲基-2-己烯
6
2
3
4
5
反5-甲基-2-己烯
6
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。
甲基
甲基
環己烯
1,5-二甲基
環戊烯
X
1,2-二甲基
環己烯
炔烴的命名
• 炔烴的命名與烯烴類似。
1. 先選取含有參鍵的最長鏈為主鏈。
2. 編號須從最近參鍵的一端算起。
2-戊炔
甲基
3-甲基-1-丁炔
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
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。
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。
常見的烷烴及烷基的對應表
烷基：烷分子中少一個氫
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。
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。
CH3
1
H3C
CH
3
H2
C
2
C
H2
4
▲ 2－甲基戊烷
5
CH3
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。
CH3
1
CH
H3C
2
3
CH
H2
C
4
5
CH3
CH3
▲ 2,3－二甲基戊烷
3,4－二甲基戊烷
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。
CH3
6
H3C
H2
C
4
CH
2
CH3
5
CH
3
C
H2
1
CH2CH3
▲ 3－甲基－4－乙基己烷
3－乙基－4－甲基己烷
4－甲基－3－乙基己烷
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。
H2C
H2C
H2C
CH2
CH
CH2
CH3
▲ 甲基環己烷的結構式
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。
H3C
1 H
H3C
C
1 H
5
H2C
CH2
C
5
2
CH3
H2C
CH
H2C
CH
2
4
H2C
CH2
3 CH2CH3
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
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。
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；
(C) 2,2,4,4-四甲基戊烷
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。H C
1
2 C CH
3
H2C
2
CHCH3
H3C
3
丙烯
2－甲基－1－丙烯
CH3
H3C
H3C
2
H
H2C
C
C
C
H
H
CH3
5
2
H
C
C
H2C
CH3
C
H
順5－甲基－2－己烯
H
CH3
5
反5－甲基－2－己烯
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。
H
H2C
CH
H2C
H2C
H3C
CH
CH2
環己烯
5
CH3
C
C
4H2C
1
CH
C
H2
2
H
CH3
1
2
H C
C
C
3
5
H C
CH
3
2
C
H2
4
3
1,5－二甲基環戊烯 1,2－二甲基環戊烯
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
H
C
C
CHCH
H3C
C
C
3
CH2CH3
CH3
2－戊炔
3－甲基－1－丁炔
範例 2-3.2
下列化合物命名何者正確？
(A) CH(CH3)2CH(CH3)2為2,3-二甲基丁烯
為 5-甲基環己烯
(B)
(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。
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
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
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。
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。
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
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
例題2-4
2.戊烯所有的異構物：
不含環烷類!
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
講義2-4 異構物
一、異構物的定義
二、幾何異構物
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
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。
類題 2-4.1
下列各組化合物，何者互為結構異構物?
(A)
與
與
(B)
(C)
與
(D) CH3CH2CH2CH2OH 與
[答] (D)
CH3
CH3CHCH2OH
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
順-2-丁烯
反-2-丁烯
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。
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
(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
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
(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
課本2-5 芳香烴
苯
芳香烴
苯的衍生物
(含有苯及苯的衍生物)
兩個苯環以上的
芳香烴
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
1
1
2
• 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。
苯C6H6
• 碳-碳鍵長完全相同，具共振式。
1
• 鍵結數為 1 ,可以下結構式表示之。
2
• 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。
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。
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。
兩個苯環以上的芳香烴
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
講義2-5 芳香烴
一、苯 C6H6
二、其他的芳香烴
苯（C6H6）
1. 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
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
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。
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
(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
[答] (A) (E)
化碳和6分子水
[解] (A)苯之碳—碳鍵長、鍵數皆相同；
(E) 1C6H6＋15/2 O2 → 6 CO2＋3 H2O。
類題 2-5.1
下列哪些是平面分子？
(A)苯 (B)乙烯 (C)丙烷
(E)環戊烯
(D)環戊烷
[答] (A) (B)
[解]由球—棍模型可判斷分子是否為平面分子。
其他的芳香烴
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。
苯
乙
苯
苯乙烯（乙烯苯）
(1) 甲
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。
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。
其他的芳香烴
2.兩個以上苯環拼合：
萘
（naphthalene）
C10H8
蒽
菲
（anthracene） （phenanthracene）
C14H10
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。
其他的芳香烴
2.兩個苯環相聯：
聯苯
多氯聯苯
（biphenyl）
（PCBs）
C12H10
C12H10－xClx
戴奧辛
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。
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
(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)
範例 2-5.2
[答] (A) (C)(D)(E)
[解]
72
苯(C6H6)之 C％＝
× 100％＝92.3％；
78
120
萘(C10H8)之 C％＝
× 100％＝93.8％；
128
168
蒽(C14H10)之 C％＝
× 100％＝94.4％
178
∴含碳之重量百分率：苯＜萘＜蒽。
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
[答] (D)
[解] 苯毒性較高，現已由甲苯取代作為溶劑。
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)
[解]可由苯與氯反應製得，故命名為六氯化苯。
Cl
H
H
Cl
Cl
H
H
Cl
Cl
H
H
Cl
2-5 結束