有机化合物
6.1 有机化合物的分类
6.1.1 根据碳链分类
根据有机物中碳链的不同，我们有以下分类体系：
- 链状化合物
-
- 直链化合物
-
- 支链化合物
- 环状化合物
-
- 脂肪环化合物
-
- 芳香族化合物
-
- 杂环化合物
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6.1.2 根据官能团分类
一般我们认为的有机化合物中的官能团有以下几类：
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特别提示：苯环不是官能团
6.2 有机化合物的命名
国际上采用的是IUPAC系统命名法，我国根据中文特点，在IUPAC的基础上指定了系统命名法。
有一个软件叫做ChemDraw，可以去了解一下。
6.2.1 命名基本规则
第一步，根据官能团，先确定基本名称（烷烯醇酚醚酮...，笨，萘...，嘧啶，吡啶）
第二步，根据主链/环的碳原子数命名（甲乙丙丁戊己庚辛壬癸，十一，十二...）
第三步，给支链标号。
~~（看起来和高中没差）~~
6.3 有机分子结构规律
6.3.1 单键
单键是\({\sigma}\)键，是由“头碰头”形式（\({s}\)轨道，\({p}\)轨道或者其他杂化轨道）形成。
Tips:
- 单键可以旋转，意味着单键两侧基团可能采取不同的空间取向
- 对于一个分子，其倾向于以最低能量的形式存在。对于单键来说，其最低能量的形式，就是两侧基团采取交叉而不是相同的空间取向。
6.3.2 双键
双键由一个\({\sigma}\)键和一个\({\pi}\)键组成。
Tips:
- 双键不可以旋转
- 由于双键的特殊结构，其存在一种特殊的空间异构方式：顺反异构 <图片待插入>
6.3.3 叁键
叁键由一个\({\sigma}\)键和二个\({\pi}\)键组成。
Tips:
- 叁键不可以旋转
- 含有叁键的部分是直线型的，不存在顺反异构
6.3.4 离域键
在介绍芳香环前，我们先要了解一个东西：离域键
~~所谓“离域”，就是一个电子决定寻找自由~~
啊显然不是，离域键是电子不局限于一个化学键当中，而是把它的电子云扩散到在多个原子或者整个分子上。
6.3.4.1 离域键举例
例如苯甲酸中，羧酸根\({\ce{COO-}}\)的离域键：
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\({\rm C, O, O^-}\)三个原子的\({2p}\)轨道电子共同形成了一个离域键，我们有离域键表示：
上面记号表示一个由三个原子提供四个电子形成的离域键，其中\({\ce{C}}\)原子提供 \({2p}\) 轨道1电子， \({\ce{O}}\) 原子提供 \({2p}\) 1电子， \({\ce{O-}}\)提供\({2p}\)轨道2电子。
6.3.4.2 离域π键
离域\({\pi}\)键是离域键的一种形式，类似于上面所举出的例子，离域\({\pi}\)键就是全由\({\pi}\)电子（一般都是在\({p}\)轨道上）离域形成的离域键。
由于电子云密度被改变，从而改变了化合物的性质，对此我们有一个专门的名称来描述这种变化：共轭效应，对于这个体系称作共轭体系。
其实还是挺形象的，因为在离域\({\pi}\)键上的电子都是一条绳上的蚂蚱（）
6.3.4.3 离域大π键
最特别的，也是从高中就知道的例子：苯环。
所谓离域大\({\pi}\)键，就是一个字：大大大
~~我去我能想到这个效果简直添柴~~
6.3.5 芳香环
苯环上没有没有典型的双键（虽然我们画出来喜欢用双键），但是其容易发生取代反应。对于这样的性质，我们一般称之为芳香性。
而具有芳香性的环状化合物为芳香化合物。
分子结构特点：
环上所有原子共平面，具有\({4n+2}\)个\({p}\)轨道上的电子，可以形成离域大\({\pi}\)键。
以上特点是我们判定一个分子是否具有芳香性的最重要的判据。
环戊二烯：
环戊二烯是一个重要的分子，一般情况下其不具有芳香性，但是如果其与强碱作用，使得亚甲基上失去一个质子后，环戊二烯阴离子会形成一个离域大\({\pi}\)键，反应示意如下：<图片待插入>
\({p}\)电子数为6，符合\({4n+2}\)，所以环戊二烯阴离子具有芳香性。
离域大\({\pi}\)键最重要的性质是，其丰富的电子云可以作为配位键与金属离子配合！！
接下来，有请二茂铁和二茂钴！ <图片待插入>
6.4 杂环化合物
环状化合物的环上有非碳原子的，称为杂环化合物，其中非碳原子的称作杂原子，常见的包括\({\rm O, N, S}\)
常见的杂环化合物有五元杂环化合物与六元杂环化合物
6.4.1 呋喃
呋喃是平面型五元杂环化合物，环上有一个氧杂原子。
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Tips:
- 呋喃具有芳香性
- 呋喃的成键方式：
- 5个成环原子都采用\({sp^2}\)方式进行杂化，彼此以\({\sigma}\)键连接，形成平面结构分子。
- 5个\({p_z}\)轨道平行重叠，4个\({\ce{C}}\)原子各有一个电子在\({p_z}\)轨道上，\({\ce{O}}\)原子一对电子参与大\({\pi}\)键\({\ce{\prod^6_5}}\)的形成。
6.4.2 吡咯
吡咯是平面型五元杂环化合物，环上有一个氮杂原子
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Tips:
- 吡咯具有芳香性
- 成键方式;
- 5个成环原子都采取\({sp^2}\)杂化，彼此以\({\sigma}\)键连接，形成平面结构分子。
- 5个\({p_z}\)轨道相互重叠形成离域大\({\pi}\)键\({\ce{\prod^6_5}}\)（其中一个氮原子提供一对电子）
- 叶绿素和血红素都是吡咯的衍生物：
- 四个吡咯环通过四个次甲基(\({\rm -CH=}\))，连接起来，形成卟吩，其环上发生取代，形成卟啉
- 卟啉与铁配位形成血红素，与镁配位形成叶绿素
卟啉类似物：咕啉，咕啉与钴的配合物成为维生素\({B_{12}}\)
6.4.3 咪唑
咪唑是平面型五元杂环化合物，环上有两个氮杂原子，氮原子之间是间位关系。
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Tips:
- 咪唑具有芳香性
- 成键方式：
- 环上的5个原子以\({sp^2}\)杂化轨道形成\({\sigma}\)键
- 5个\({p_z}\)轨道相互重叠形成离域大\({\pi}\)键\({\ce{\prod^6_5}}\)（一个氮原子提供一对\({p}\)电子，另一个氮原子提供一个\({p}\)电子）
6.4.4 吡啶
吡啶是平面型六元杂环化合物，环上有一个氮杂原子。
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Tips:
- 吡啶具有芳香性
- 成键方式：
- 环上有6个原子以\({sp^2}\)杂化轨道形成\({\sigma}\)键
- 6个\({p_z}\)轨道重叠形成离域大\({\pi}\)键\({\ce{\prod^6_6}}\)
- 特别要一嘴的性质：吡啶环上有一个含有孤对电子的\({\ce{N}}\)，其能与\({\ce{H+}}\)结合，具有弱碱性与较强的配位能力。
6.4.5 嘧啶
嘧啶是平面型六元杂环化合物，环上有两个氮杂原子，是间位关系。
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Tips:
- 嘧啶具有芳香性
- 成键方式：
- 环上有6个原子以\({sp^2}\)杂化轨道形成\({\sigma}\)键
- 6个\({p_z}\)轨道重叠形成离域大\({\pi}\)键\({\ce{\prod^6_6}}\)（每个氮原子提供一个电子）
- 嘧啶衍生物（如各种环上取代物）在生物体中很常见：<图片待插入>
6.4.6 嘌呤
嘌呤是由一个嘧啶环和一个咪唑环稠合形成的化合物
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Tips:
- 嘌呤具有芳香性
- 结构特点：
- 嘌呤两个环上共有9个原子，共同采取\({sp^2}\)杂化
- 其上有一个离域大\({\pi}\)键\({\prod^{10}_9}\)
6.5 有机化合物的手性
6.5.1 对映异构体（手性化合物）
如果四面体碳原子上连接的四个基团全不相同，则这四个基团可以在四面体的顶点上采取两种不同的排列方式，并且构成镜像的关系。由此具有的性质被称为手性，具有手性的化合物被称为手性化合物，具有手性的碳原子称作不对称碳原子，也称为手性碳原子。
啊虽然说了这么多，其实都是高中的知识，对吧？
Tips:
- 对映异构体相似但不能重叠，被称作手性分子
- 对映异构体之间的物理性质，包含熔点，沸点，溶解度等几乎完全相同，在与非手性试剂作用的时候，化学性质也几乎相同
6.5.2 构型判断与标记
为了方便表示手性分子，我们采用R-S标记法
R-S标记法：
1. 确定手性碳原子上所连接的四个基团，并将其排序。
这里我们假设其大小关系为\({a > b > c > d}\) 2. 我们将\({d}\)放在后面，使得前三个基团\({a, b, c}\)面向自己 3. 按照从大到小的循序，即\({a \to b \to c}\)来进行轮转 4. 如果轮转的方向是顺时针，那么是\({R}\)构型，如果是逆时针，那么是\({S}\)构型补充： 如何判断基团大小？ 1. 基团的大小取决于与手性碳相连的原子的原子序数大小，原子序数越大，基团大小越大。 2. 如果与手性谈相连的原子相同，则根据该原子相邻的原子的原子序数确定基团大小。
6.5.3 手性化合物的旋光性
对于手性化合物来说，它们有一个很有趣的性质：对偏振光的作用有显著的不同。当然我们也可以说：
这是一个很重要的性质，而且它有很多很有意思的延展，比如很符合我们直觉的一点，R-异构体和S-异构体对偏振光的偏转方向是不同的。
还有一个特点也很符合我们的直觉，如果将R和S对映异构体按比例掺在一起，它们组成的混合溶液对偏振光的偏转是相应比例的代数和，也就是如果是等量的R，S对映异构体混合，它们对偏振光没有作用，被称作外消旋混合物。
在具体的测量中，我们会采用旋光仪来测量手性化合物溶液的旋光度——一个用来衡量对偏振光作用大小的量，偏振光的偏振面改变了多少度，旋光度就是多少。
当然这也意味着我们可以通过这种方法检验纯度！
6.5.4 外消旋体的拆分
由于手性化合物之间，特别是药物，在功能与效果上可能天差地别，所以我们需要采用某种方法来分离两种手性不同的化合物。
这种方法需要使用到手性拆分剂：
假设我们有需要分离的对映异构体S-(A)和R-(A)，我们引入手性化合物S-(B)，使得A与B发生反应，得到了两个新的，不构成对映异构体的化合物S-(A)···S-(B)，R-(A)···S-(B)，对此它们在某些性质（比如溶解度）上有所差异，因此可以被轻松分离。
| R | S | |
|---|---|---|
| R | RR | SR |
| S | RS | SS |
在分离后我们尝试将A与B分开，这样子就得到了我们想要的某种手性的A化合物了。
形象一点理解，就是在一堆左手和右手中伸进去一堆左手，那么左手和左手握与左手和右手握起来，感觉肯定不一样嘛，自然而然就分开了。
6.5.5 对映异构体的转化——“变废为宝”
假如有一种方法，可以把被我们所分离出的，不需要的某一个手性的化合物再度转化为我们所需要的手性，可以大大提升产率，对此我们可以针对产物特点设计分子手性重组的反应，如下：
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6.6 有机化合物的反应规律
6.6.1 官能团的转变
6.6.1.1 加成反应
烯烃加成反应：
6.6.1.2 取代反应
卤代烃的取代反应：
不同的取代试剂，可以得到不同的取代产物。
6.6.1.3 氧化反应
加氧失氢为氧化
例如醇的氧化反应：
6.6.1.4 还原反应
加氢失氧为还原
例如酮的还原反应：
$$ \ce{ R-COCH3 ->[Zn] R-C^{\ominus}O^{\ominus}- CH3 ->[HCl]
} $$
6.6.1.5 消去反应（缩合反应）
有机物失去小分子（水分子）的反应
例如，羧酸与醇的酯化反应：
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当然也包括了氨基酸“缩合”形成肽键
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6.6.1.6 水解反应
“水分子消去反应”的反向反应
值得注意的是，消去反应和水解反应会引起碳链长度的改变。
6.6.2 链的转变
碳链上变化包含了碳链的增长与缩短，以及碳链形状的改变（链状与环状）
6.2.2.1 开环反应与闭环反应
在合适的条件下，有机物可以在链状化合物和环状化合物之间发生转变，也就是基成环反应与开环反应。
其中有一个很经典的例子就是葡萄糖的\({\ce{5'-C}}\)上的羟基\({\ce{-OH}}\)对羰基碳发起的亲核进攻，从而使得葡萄糖存在链状与环状两种构型。
具体反应如下：
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对于成环反应与开环反应，其类型可以是消去，取代或者是加成反应。
6.6.3 官能团的保护
由前文，我们知道在有机化合物的反应中，包含了以碳链为主的反应和以改变官能团为主的反应，而在有机化合物的合成的过程中，有时候我们不期望某些官能团发生反应(但是有时候它们就是会反应！！！)，这时候我们引入有关于官能团保护的知识……
~~好像高中也学过？~~
Tips:
官能团保护的基本思路： + 确认在下一步反应中不希望发生反应的基团 + 用特定的，具备某种官能团的化合物与被保护官能团发生反应 + 进行下一步反应 + 去除用于保护的化合物，还原出被保护官能团由上我们可以发现，一个合格的“官能团保镖”应该是要： + 专一的——在给定条件下只与被保护对象发生反应 + 坚定的——在下一步反应中不会被一脚踹出去 + 懂得放手的——必须有办法把它摘下来，并且能还原回被保护的官能团
我们来举个例子：
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6.7 生物体内的合成反应
~~首先让我们抢一个生化的活~~
这部分简单介绍一下生物体内的20种氨基酸，当然按照其不同的化学性质我们简单分为了五大类
6.7.1 非极性氨基酸
非极性氨基酸一共有7种
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6.7.2 不带电荷的极性氨基酸
不带电荷的极性氨基酸一共有6种
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6.7.3 带正电荷的极性氨基酸
带正电荷的极性氨基酸有3种
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6.7.4 带负电荷的极性氨基酸
带负电荷的极性氨基酸有3种
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6.7.5 芳香族氨基酸
芳香族氨基酸有3种
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思考：
为什么以上三种氨基酸都具有芳香性？