3.5 有機化學

內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(shù)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(shù)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(jié)、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(jié)。鏈節(jié)重復的次數(shù)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(jié)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(guī)則的線圈狀態(tài)。

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(shù)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(lián)結起來（稱為交聯(lián)） , 形成空間網(wǎng)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(lián)程度小，受熱時可以軟化，但不能熔融。加人適當?shù)娜軇┛墒蛊淙苊洠荒苋芙狻＝宦?lián)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(lián)形成網(wǎng)狀結構之前進行，一旦交聯(lián)成為網(wǎng)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(qū)。只有一些排列較齊的部分稱為晶區(qū)，晶區(qū)含量很少的為非晶型高分子化合物；晶區(qū)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(zhì)。很活潑，不穩(wěn)定，易發(fā)生反應。）連鎖反應。它包括鏈的引發(fā)、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(fā)劑過氧化苯甲酚分解生成游離基

加聚反應在幾秒內(nèi)即可完成。加聚反應合成的高聚物中鏈節(jié)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(fā)生縮合反應的官能團（或可反應的原子）。這些官能團分別發(fā)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(jié)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(jié)，根據(jù)不同鏈節(jié)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(tài)

1）高分子鏈的內(nèi)旋轉和柔性

在大多數(shù)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(nèi)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(tài)高分子化合物的三種力學狀態(tài)

線型非晶態(tài)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(jié)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(tài)高分子化合物具有柔性和彈性。

線型非晶態(tài)高分子化合物在不同溫度下處于不同的力學狀態(tài)（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(fā)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(fā)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(fā)生形變一樣。這種力學狀態(tài)叫玻璃態(tài)。

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(tài)即稱為高彈態(tài)。

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(fā)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(fā)生的形變不可逆轉。這種力學狀態(tài)即稱為粘流態(tài)。粘流態(tài)是一般高分子材料加工成型時使用的狀態(tài)。高分子化合物的玻璃態(tài)溫度區(qū)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(tài)溫度區(qū)間是t_g-t_f。高分子化合物的粘流態(tài)溫度區(qū)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(shù)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(jīng)斷裂，發(fā)生分解反應。

常溫下處在玻璃態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)與線型非晶態(tài)高分子化合物不同，它們一般無高彈態(tài)，而體型高分子化合物無粘流態(tài)。

（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(wěn)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(wěn)定劑、潤滑劑、色料、發(fā)泡劑、抗靜電劑等。

塑料根據(jù)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(jù)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(chǎn)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(tài)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(wǎng)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(chǎn)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(chǎn)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(tài)既要有晶區(qū)，又要有非晶區(qū)。

(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。