专题1 有机化学的发展及研究思路

考点1 有机化学的发展

1．我国早期有机化学

(1)3 000多年前已经用煤作为燃料。

(2)2 000多年前就掌握了石油和天然气的开采技术。

(3)从植物中提取染料、药物和香料等物质已经有上千年的历史。

2．有机化学的形成

(1)19世纪初，瑞典化学家贝采利乌斯提出了有机化学概念。

(2)19世纪中叶以前，科学家提出“生命力论”，认为有机物只能由动物或植物产生，不可能通过人工的方法将无机物转变为有机物。

(3)1828年，德国化学家维勒利用无机物合成了第一种有机物尿素，冲破了“生命力论”学说的束缚，打破了无机物和有机物的界限。

3．现代有机化学

(1)合成有机物得到广泛应用，成为人类赖以生存的重要物质基础。

(2)与其他学科融合形成了分子生物学、药物化学、材料科学以及环境科学等多个新兴学科。

(3)1965年，我国科学家在世界上第一次用人工方法合成了结晶牛胰岛素，标志着人类合成蛋白质时代的开始。

考点2 有机化学的应用

1．人类的衣食住行离不开有机物

天然有机物：如糖类、油脂、蛋白质、石油、天然气、天然橡胶等。

合成有机物：如塑料、合成纤维、合成橡胶、合成药物等。

2．有机物在维持生命活动的过程中发挥着重要作用

生命体中许多物质都是有机物，如细胞中存在的糖类、脂肪、氨基酸、蛋白质和核酸等，都是有机物。

3．药物中大多数是有机化合物，在帮助人们战胜疾病，延长寿命的过程中发挥着重要的作用。

考点3 有机化合物的特点

1．有机化合物组成特点

有机化合物是指含有碳元素的化合物，其中绝大多数含有氢元素，很多有机化合物还含有氧元素、氮元素、卤族元素、硫元素和磷元素等。 

2．有机化合物性质特点

有机化合物的组成和结构特点，决定了大多数有机物与无机物具有不同的性质。例如，多数有机物易溶于极性较小的溶剂，熔点、沸点较低，容易燃烧，受热易分解，发生化学反应时其反应速率通常较小，副反应较多。

3．有机化合物研究的发展阶段

(1)从天然的动植物中提取、分离出一些纯净物。

(2)研究有机化合物的组成、结构、性质和应用。

(3)根据需要对有机化合物分子进行设计和合成。

考点4 有机化合物和无机化合物的区别

1．有机化合物和无机化合物的概念

（1）绝大多数的含碳化合物，在结构、性质上都与有机体中存在的糖类、油脂、蛋白质和染料等化合物相似。因此，常把这些含碳化合物叫做有机化合物（简称有机物）；除有机物外，其他的化合物叫做无机化合物（简称无机物），通常把单质划归为无机物。

（2）以是否含有碳元素为标准来划分有机物和无机物的物质分类方法也有一定的局限性，如CO、CO2、H2CO3、碳酸盐、金属碳化物、氰化物、硫氰化物等物质，虽然含有碳元素，但它们的组成和性质跟无机物相似，一般将它们视为无机物。

（3）有机物与无机物无绝对界限，两者在一定条件下可以互相转化。

2．有机化合物与无机化合物的区别

3．有机化合物的种类

在种类上，有机物远远超过无机物，目前已知的有机物已超过4 000万种，而且从1995年起每年新发现和新合成的有机物又超过百万种。

考点5 有机化合物的分离、提纯

1．重结晶

重结晶是提纯固体有机化合物常用的方法。

(1)原理：将混合物中第一次结晶得到的晶体溶于一定量的溶剂中，再进行蒸发（或冷却）、结晶、过滤，如此的多次操作称为重结晶。

重结晶是利用混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度不同而使它们相互分离。 

(2)溶剂的选择

①杂质在所选溶剂中的溶解度很小或很大，易于除去。

②被提纯的有机化合物在所选溶剂中的溶解度受温度的影响较大，冷却后易于结晶析出。

2．萃取

萃取分为液-液萃取和固-液萃取两种。

(1)萃取的原理

萃取是利用混合物中各组分在萃取剂中的溶解度不同而使它们相互分离的操作。

(2)液-液萃取

①原理：液-液萃取是向待分离溶液中加入与之不互溶(或部分互溶)的萃取剂，形成共存的两个液相，一般是用有机溶剂从水中萃取某种组分 。

②实例：四氯化碳萃取溶解在水中的碘，几乎所有的碘都溶解到四氯化碳中，碘得以与大量的水分离。

③分液漏斗是液-液萃取常用的操作仪器。

④常用的与水不互溶的有机溶剂有乙醚、石油醚和二氯甲烷等。

(3)固-液萃取

①原理：固-液萃取是利用溶剂使固体物料中的可溶性物质溶解于其中而加以分离的操作，又称浸取。

②实例：从植物种子中提取食用油，从甜菜中提取糖。

3．蒸馏

蒸馏是分离和提纯液态有机化合物的常用方法。

(1)原理：利用混合物中各组分沸点不同(一般有机物与杂质的沸点应相差30℃以上)，达到分离液态混合物的目的。

当液态混合物中含有多种沸点不同的有机物组分时，经过多次汽化和冷凝可以将这些成分（馏分）逐步分离，这一过程称为分馏，如石油的分馏等。

(2)优点：蒸馏的优点是不需要使用混合物组分以外的其他溶剂，不易引入新的杂质。

(3)实验装置

注意事项：

①温度计水银球位于蒸馏烧瓶支管口处。

②碎瓷片的作用：使液体平稳沸腾，防止暴沸。

③冷凝管中水流的方向是下口进入，上口流出。

考点6 有机化合物组成的研究

1．最简式：又称为实验式，指有机化合物所含各元素原子个数的最简整数比。

2．确定有机物中含有哪些元素（定性分析）

（1）将某有机物在O2中充分燃烧后，各元素对应的燃烧产物：C→CO2；H→H2O；N→N2；S→SO2。

（2）若将有机物完全燃烧，生成物只有H2O（使无水CuSO4变蓝）和CO2（使澄清石灰水变浑浊），则该有机物中一定含有的元素是C、H，可能含有的元素是O。

（3）判断是否含氧元素，可先求出产物CO2和H2O中C、H两元素的质量和，再与有机物的质量比较，若两者相等，则说明原有机物中无氧元素，若有机物的质量大于C、H两元素的质量和，则有机物中有氧元素。

（4）使用钠熔法可确定有机物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素，氮、氯、溴、硫等元素将以氰化钠、氯化钠、溴化钠、硫化钠等形式存在。

（5）用铜丝燃烧法可定性确定有机物中是否存在卤素，用红热的铜丝蘸上试样灼烧时，若含有卤素则火焰为绿色。

3．确定有机物中各元素的质量分数（李比希定量分析）

利用氧化铜在高温下氧化有机物，生成水和二氧化碳，然后分别采用高氯酸镁和烧碱石棉剂（简称碱石棉，即附有氢氧化钠的石棉）吸收水和二氧化碳，根据吸收前后的质量变化获得反应生成的水和二氧化碳的质量，进而确定有机化合物中氢和碳的质量分数

4．仪器分析法

人们常借助元素分析仪来确定有机物的组成。

(1)工作原理：在不断通入氧气流的条件下，把样品加热到950~1 200 ℃，使之充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。

(2)优点：自动化程度高、所需样品量小、分析速度快、同时对多种元素进行分析等，若与计算机连接还可进行数据存储和统计分析，并可生成各种形式的分析报告。

考点7 有机化合物分子式的确定方法

1．直接法

(1)由题意求算出1 mol 有机化合物中各元素原子的物质的量，从而确定各原子的个数，即可推出分子式。

(2)利用相对分子质量及各元素质量分数直接求算出1分子有机物中各元素的原子个数，从而确定分子式。例如：N(C)＝，N(H)＝，N(O)＝。

2．实验式法

先利用有机物中各元素的质量分数求出有机物的最简式，再结合有机物的相对分子质量求得分子式。例如：

N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶＝a∶b∶c(最简整数比)，则最简式为CaHbOc，分子式为(CaHbOc)n，n＝。

3．商余法

用烃(CxHy)的相对分子质量除以14，看商数和余数。

(1)＝n……2，该烃分子式为CnH2n＋2。

(2)＝n……0，该烃分子式为CnH2n。

(3)＝(n－1)……12，该烃分子式为CnH2n－2。

(4)＝(n－1)……8，该烃分子式为CnH2n－6。

(Mr：相对分子质量　n：分子式中碳原子的数目)

4．化学方程式法

利用有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式的方法。

利用燃烧反应的化学方程式，由题给条件并依据下列燃烧通式所得CO2和H2O的量求解x、y、z。

CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O、

CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O。

5．平均值法

当几种烃混合时，往往能求出其平均分子式。把混合物当成一种烃分子计算时，可以得出平均摩尔质量，进而求出平均分子式。若平均摩尔质量为，两种成分的摩尔质量分别为M1、M2，且M1<M2，则一定有M1<<M2。平均分子式中C、H个数介于两种成分之间，故可确定烃的范围。

考点8 有机化合物结构的研究

1．有机化合物的结构

(1)在有机化合物分子中，原子主要通过共价键结合在一起。分子中的原子之间结合方式或连接顺序的不同导致了所形成物质在性质上的差异。

(2)1838年，德国化学家李比希提出了“基团理论”。常见的基团有羟基(—OH)、醛基(—CHO)、羧基(—COOH)、氨基(—NH2)、烃基(—R)等，它们有不同的结构和性质特点。 

2．测定有机化合物结构的分析方法

(1)1H核磁共振谱（1H-NMR）

①原理：有机物分子中的氢原子核所处的化学环境（即其附近的基团）不同，表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振谱图中横坐标的位置（化学位移，符号为δ）也就不同。

②在1H核磁共振谱中：特征峰的个数就是有机物中不同化学环境的氢原子的种类；特征峰的面积之比就是不同化学环境的氢原子的个数比。

③乙醇和二甲醚的1H核磁共振谱分析

 (2)红外光谱法

①原理：利用有机化合物分子中不同基团在红外光辐射的特征吸收频率不同，测试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光吸收情况。

②应用：初步判断该有机物中具有哪些基团。

(3)质谱法

①原理：用高能电子束轰击有机物分子，使之分离成带电的“碎片”，不同的带电“碎片”的质量（m）和所带电荷（z）的比值不同，就会在不同的m/z处出现对应的特征峰。可根据特征峰与碎片离子的结构对应关系分析有机物的结构。

②质荷比（m/z）：指分子离子、碎片离子的相对质量与其电荷的比值。质谱图中，质荷比的最大值就表示了样品分子的相对分子质量。

考点9 有机化学反应的研究

1．有机化学反应研究的内容

设计并合成新的有机化合物是有机化学的重要研究内容，包括有机化学反应需要什么条件、受哪些因素的影响、反应机理如何等。

2．甲烷与氯气取代反应的反应机理

(1)反应机理

甲烷与氯气在光照条件下发生的卤代反应是一个自由基型链反应。

链引发：Cl2·Cl+·Cl

链增长：·Cl＋CH4―→HCl＋·CH3

·CH3＋Cl2―→CH3Cl＋·Cl

链终止：·Cl+·Cl―→Cl2

·Cl+·CH3―→CH3Cl

其中Cl2、CH4为反应物，·Cl、·CH3为自由基，HCl、CH3Cl为生成物。

(2)反应产物：共有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl五种。

3．同位素示踪法研究酯的水解反应

(1)方法：将乙酸乙酯与H218O在硫酸催化下加热水解，检测18O的分布情况，判断酯水解时的断键情况。 

(2)反应机理

由此可以判断，酯在水解过程中断开的是酯中的①键，水中的—18OH连接在①键上形成羧酸。

4．反应机理研究手段——仪器分析

乙烯与溴化氢反应机理：

HBr―→H＋＋Br－

CH2===CH2＋H＋―→CH3H2

CH3H2＋Br－―→CH3CH2Br

利用质谱仪可以检测出该反应过程中产生的中间体——乙基碳正离子(CH3H2)，据此可推出该反应为离子型反应。