第六章 重要的有機化合物

有機化學是研究有機化合物的一門學科。

有機化合物分類：合成有機化合物小分子有機化合物天然有機化合物大分子有機化合物（高聚合物、生物大分子）有機化學研究的目的：認識有機化合物的種類、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)獲取利用有機化合物（天然物分離提取，人工合成）第六章重要的有機化合物（與生命相關的有機化學）｛｛3/11/20241有機化學學科領域合成（小分子）有機化學（通?！坝袡C化學”課程的主要內(nèi)容）天然有機化學（尋找天然動植物中有生理活性的有效成分

）生物有機化學（核酸、蛋白質(zhì)和多糖及參與生命過程的其他有機化合物）。物理有機化學（有機反應理論，有機物立體化學）金屬有機化學（含金屬－碳鍵的化合物）元素有機化學（含硅、氟、磷等非金屬元素的有機物）有機波譜學（紅外、核磁、紫外、質(zhì)譜，X光衍射）有機光化學（光引發(fā)的有機反應）有機固體化學(有機導體)*高聚物化學（有機高分子化合物）本章主要討論與生命現(xiàn)象關系較密切的有機化合物。3/11/20242

有機化合物按碳鏈分類___________________________________

直鏈如CH3-CH2－CH3鏈狀化合物

支鏈如

__________________________________

脂環(huán)化合物如（環(huán)戊烷二甲酸）環(huán)狀化合物芳香化合物如

（苯甲醇）雜環(huán)化合物如

（氨基吡啶）_______________________________6.1

有機化合物的分類醚鍵—O—醚乙醚CH3CH2OCH2CH3鹵素—X鹵代物溴乙烷CH3CH2Br巰基—SH硫醇乙硫醇CH3CH2SH氨基—NH2

胺苯胺酰胺基

酰胺乙酰胺硝基—NO2

硝基化合物硝基苯磺酸基—SO3H磺酸苯磺酸肽鍵肽二甘肽酯基酯乙酸乙酯氰基腈丙烯腈有機化合物按官能團分類————————————————————名稱官能團類別化合物舉例—————————————————

碳碳雙鍵C=C烯乙烯CH2=CH2

碳碳三鍵C≡C炔乙炔HC≡CH

羥基—OH醇、酚乙醇CH3CH2OH

苯酚羰基醛、酮丙酮羧基羧酸乙酸3/11/202436.2有機化合物命名

(英文）IUPAC系統(tǒng)命名（InternationalUnionofPureandAppliedChemistry)（中文）系統(tǒng)命名（中國化學會）命名的基本原則：

基本名稱

（烷烯醇酚醚酮…,苯,萘…,吡啶,嘧啶…)

根據(jù)鏈、環(huán)命名

（甲乙丙丁戊己庚辛壬癸,十一,十二,……)

根據(jù)官能團位置命名例如：

2,4－二羥基苯甲酸甲酯

Methyl2,4-dihydroxybenzoate5,6,7,8-Tetrahydro-1,2,3,13-tetramethoxy-6,7-dimethylbenzo[3,4]cycloocta[1,2-f][1,3]benzodioxole-5,6-diol-5-benzoate3/11/20244

1)單鍵

單鍵是

鍵。由s軌道、p軌道或者雜化軌道等形成。

單鍵兩端基團可繞單鍵旋轉(zhuǎn)而不影響成鍵軌道重疊。兩端基團可繞單鍵旋轉(zhuǎn)，導致分子的不同構(gòu)象。交叉式構(gòu)象能量最低，重疊式構(gòu)象能量最高。

交叉式構(gòu)象

重疊式構(gòu)象6.3

有機分子結(jié)構(gòu)規(guī)律

1.共價鍵的類型與物質(zhì)性質(zhì)的關系3/11/202452）雙鍵由一個

鍵和一個

鍵組成。雙鍵兩端基團不能繞雙鍵自由旋轉(zhuǎn)；含雙鍵的分子可能存在順式、反式異構(gòu)體。

順-2-丁烯反-2-丁烯3）叁鍵（略）丁烯中2、3位C原子采取sp2雜化方式：1個s軌道與2個p軌道組合，得到3個sp2雜化軌道，電子云概率最大值方向的夾角為120o。3/11/20246雜化軌道理論要點1)同一原子中能量相近的不同類型的原子軌道，可以相互疊加組成雜化的原子軌道，簡稱雜化軌道；2)雜化過程軌道總數(shù)不變，即新組成的雜化軌道數(shù)目等于原先原子軌道的總數(shù)；3)同一類型雜雜化軌道能級相同；雜化前后軌道總能量不變；4)未參與雜化的原子軌道仍保持原有形狀。C原子sp2雜化軌道形成過程示意三個sp2雜化軌道3/11/202474)離域鍵

X射線晶體衍射實驗證實：酸酸中C－O與C＝O鍵長不同，事實上在羧酸根（陰離子）中兩個C-O鍵長基本相等（鍵長介于雙鍵與單鍵之間）。這樣的鍵稱為離域鍵。

羧酸根的離域鍵

用雜化軌道解釋離域鍵：

C原子的2p軌道有1電子，

O原子的2p軌道有1電子，

O－原子的2p軌道有2電子；

3個2p軌道重疊，共用4個電子，形成離域鍵。3/11/202485）苯的離域大

鍵

X射線晶體衍射證實，苯分子中C-C鍵長都約為0.14nm，介于單鏈與雙鍵鍵長之間。

用雜化軌道解釋：苯分子中的離域大

鍵苯分子中6個C原子以sp2雜化軌道兩兩重疊形成6個

鍵，組成6元環(huán)；

6個C原子的垂直于環(huán)平面的6個p

軌道互相平行重疊，共用6個p電子，形成一個離域大

鍵。苯環(huán)的范德華半厚

3/11/20249“芳香化合物”苯具有特殊的芳香。

苯分子中沒有典型雙鍵，不易發(fā)生加成反應，卻易發(fā)生取代反應。苯這樣的化學性質(zhì)稱為芳香性。具有芳香性的環(huán)狀化合物稱為芳香性化合物（或稱“芳環(huán)化合物”）。單環(huán)芳香化合物的分子結(jié)構(gòu)特征：具有4n+2個p電子，可以形成離域大

鍵。環(huán)上所有原子共平面。例如，苯吡啶嘧啶

benzenepyridinepyrimidine苯3/11/202410環(huán)戊二烯與強堿作用，亞甲基上失去一個質(zhì)子，成為環(huán)戊二烯陰離子，p電子數(shù)為6，符合4n+2，所以環(huán)戊二烯陰離子具有芳香性。人們已合成了許多含環(huán)戊二烯陰離子的化合物，用做催化劑。環(huán)戊二烯（略）3/11/202411

環(huán)狀化合物的環(huán)上有非碳原子的，稱為雜環(huán)化合物，其中的非碳原子叫雜原子，常見雜原子有氧、氮、硫等。生物體中含有很多種類的雜環(huán)化合物，他們對于生命過程起著重要的作用。

1.雜環(huán)化合物的分類

可以按雜原子的種類分類，或按雜原子的數(shù)目分類，也可按環(huán)的大小分類。

五元雜環(huán)化合物和六元雜環(huán)化合物，是最常見的兩類雜環(huán)化合物。6.4雜環(huán)化合物3/11/202412

1)

呋喃

呋喃是五元雜環(huán)化合物，環(huán)上有一個氧原子。

呋喃具有芳香性。

5個成環(huán)原子都采取sp2方式進行雜化，彼此以σ鍵連接，形成平面結(jié)構(gòu)的分子。

4個C原子各有一個電子在pz軌道上，O原子則有兩對電子分別在pz軌道和sp2雜化軌道上。

5個pz軌道平行重疊，O原子一對電子參與大

鍵的形成。呋喃

(Furan)2.典型雜環(huán)化合物舉例合成藥物中有不少呋喃類化合物，如抗菌藥物呋喃唑酮(痢特靈)。3/11/2024132）吡咯

吡咯是五元雜環(huán)化合物，環(huán)上有一個氮雜原子（其pz軌道上有一對電子）。

吡咯是芳香性化合物。葉綠素和血紅素都是吡咯的衍生物。膽紅素，維生素B12分子中都含有吡咯或四氫吡咯環(huán)。

四個吡咯環(huán)通過四個次甲基(一CH＝)連接而成的平面共軛體系，稱為卟吩。

卟吩的取代物稱為卟啉。吡咯(Pyrrole)卟吩3/11/202414卟啉易與金屬原子形成配合物（吡咯N原子與金屬離子形成配位鍵）。血紅素：卟啉和鐵的配合物，葉綠素：卟啉和鎂的配合物，維生素B12：卟啉和鈷的配合物。

氯化血紅素

葉綠素a3/11/2024153)

咪唑

咪唑是5元雜環(huán)化合物，環(huán)上有2個氮雜原子。咪唑是芳香化合物。

環(huán)上的5個原子以sp2雜化軌道形成5個

鍵。

5個pz軌道相互重疊形成離域大

鍵。

一個氮原子提供一對p電子，另一氮原子提供一個p電子。

咪唑是組氨酸的側(cè)鏈，蛋白質(zhì)中大量存在。超氧化物歧化酶的活性中心就含有咪唑。咪唑(Imidazole)組氨酸3/11/2024164）吡啶(Pyridine)

六元雜環(huán)化合物，環(huán)上有一個氮原子。吡啶是芳香性化合物。氮原子的sp2雜化軌道上有一對孤對電子，能與質(zhì)子結(jié)合，具有弱堿性和較強的配位能力。

3-吡啶甲酸(煙酸)，是B族維生素之一,其衍生物是很好的藥物。5）嘧啶（Pyrimidine)

六元雜環(huán)化合物，環(huán)上有2個氮原子。嘧啶的衍生物廣泛分布于生物體內(nèi)。嘧啶衍生物可以與核糖組成核苷酸，核苷酸是核酸的重要成份。嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶嘧啶核苷酸3/11/202417

嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤6）嘌呤(Purine)

嘌呤由一個嘧啶環(huán)和一個咪唑環(huán)稠合而成。

嘌呤衍生物與核糖組成核苷酸。嘌呤核苷酸核苷酸組成核酸3/11/2024181.手性化合物

1)對映異構(gòu)體

若四面體碳原子上連接的4個基團全不相同，這4個基團在四面體頂點上可以有兩種不同的排列方式，構(gòu)成物體與鏡像的關系，這兩種分子構(gòu)成一對對映異構(gòu)體。

對映異構(gòu)體性質(zhì)相近。

對映異構(gòu)體的分子結(jié)構(gòu)相似但不能重疊，類似于左右手的關系，所以，對映異構(gòu)體的分子稱為手性分子。6.5

有機化合物的手性3/11/202419連接著4個不同基團的碳原子，稱為不對稱碳原子，也稱為手性碳原子。結(jié)構(gòu)式中用*表示手性碳原子。含有手性碳原子的化合物，稱為手性化合物。氨基酸是手性化合物，由氨基酸構(gòu)成的多肽和蛋白質(zhì)也是手性化合物。

（R-丙氨酸）（S－丙氨酸）

2)手性化合物氯霉素分子中含有兩個手性碳原子3/11/202420

R-S標記法,根據(jù)手性碳原子上連接的4個不同基團的空間位置關系來確定手性異構(gòu)體的構(gòu)型。

1）手性碳上相連接基團的“大小”。

按與手性碳相連的原子的原子序數(shù)規(guī)定基團的大小。例如，Br>Cl>CH3>

H

基團從大到小分別用a、b、c、d表示。如果有多個與手性碳相連的原子的原子序數(shù)相同，則根據(jù)該原子相鄰原子確定基團的大小。例如，丙氨酸中手性碳上4個基團的大小順序為

NH2>COOH>CH3>Habcd

2.手性化合物的構(gòu)型3/11/2024212）根據(jù)4個基團的空間排列情況確定手性分子的構(gòu)型。

把手性碳原子置于紙面上，讓最小的基團d處于紙面后方（圖中用虛楔形線表示），其余3個基團a、b、c處于紙面前方（圖中用實楔形線表示）。如果觀測者看到a、b、c基團按順時針方向輪轉(zhuǎn)，則該化合物構(gòu)型為R；如果a、b、c基團按逆時針方向輪轉(zhuǎn)，則該化合物構(gòu)型為S。3/11/202422

對映體對偏振光作用顯著不同，可利用偏振光來區(qū)分對映異構(gòu)體。如果一束光的電場強度矢量的方向是單一的，則稱為偏振光。偏振光的電場強度矢量與光波行進方向構(gòu)成的平面，稱為偏振光的偏振面。

3.手性化合物的旋光性

偏振光經(jīng)過手性化合物或它的溶液時，偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)；偏振面改變的角度

，稱為溶液的旋光度。溶液的旋光度的正負及大小，與溶質(zhì)的種類、濃度以及溶液厚度等因素有關。對映的R－異構(gòu)體和S－異構(gòu)體都能使偏振光的偏振面偏轉(zhuǎn)，但是偏轉(zhuǎn)的方向相反。由等量的R和S對映異構(gòu)體組成的混合物，被稱為外消旋混合物，他們使偏振面不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。3/11/2024234.手性拆分（外消旋體的拆分）

許多藥物是手性的有機化合物。藥物分子在人體中常與蛋白質(zhì)發(fā)生作用。構(gòu)成人體蛋白質(zhì)的氨基酸，除了甘氨酸無手性、半胱氨酸是R構(gòu)型以外、其余氨基酸都是S構(gòu)型。

不同構(gòu)型藥物的藥效很不同。合成的手性化合物，往往是等量的對映異構(gòu)體的混合物（外消旋混合物），把它們拆分成兩種對映異構(gòu)體，是十分有意義的。1）手性拆分的意義維生素C的分子結(jié)構(gòu)

3/11/202424

為了拆分手性化合物R-(A)和S-(A)，需要選擇合適的手性拆分劑S-(B)。在合適的條件下使兩種A分子與拆分劑B的分子“結(jié)合”成新的物質(zhì)A…B,得到兩種新物質(zhì)

R-(A)…S-(B)和S-(A)…S-(B)

這兩種新物質(zhì)不構(gòu)成對映異構(gòu)體，它們的某些性質(zhì)（例如溶解度）可能差別較大。利用這種性質(zhì)的差別，可以把R-(A)…S-(B)和S-(A)…S-(B)分離開；然后再設法使A…B間的“結(jié)合”斷開，即達到手性拆分目的。2）手性拆分的基本原理3/11/202425例.用S-丙氨酸拆分S-扁桃酸與R-扁桃酸的外消旋混合物。R-Madelicacid/S-Alanine扁桃酸（又名羥基苯乙酸）是一種較重要的醫(yī)藥中間體。3/11/2024263/11/2024275.對映異構(gòu)體的轉(zhuǎn)化

對于某一對映異構(gòu)體，如果拆開手性碳原子與某一基團（例如Cl－）間的化學鍵，則手性碳原子由sp3雜化方式轉(zhuǎn)變成sp2雜化方式，分子成為平面Y形結(jié)構(gòu)。如果讓該基團（Cl－）重新與Y形分子中的C原子成鍵，由于基團從平面兩側(cè)接近C原子的概率相同，所以得到含等量的對映異構(gòu)體的混合物（外消旋混合物）。

手性碳原子sp3雜化手性碳原子sp2雜化（R構(gòu)型）（R構(gòu)型）（S構(gòu)型）3/11/202428

1)加成反應

烯烴加成反應6.6

有機化合物的反應規(guī)律1.官能團的轉(zhuǎn)變2)取代反應

鹵代烴取代反應

不同取代試劑，得到不同的產(chǎn)物

。3/11/2024293）氧化反應

有機物分子加入氧或者失去氫的反應，都稱為氧化反應。

例如，醇的氧化反應

4）還原反應有機物分子失去氧或者加入氫的反應，都稱為還原反應。

例如，酮的還原反應（醇）失去氫（醛）加入氧

（酸）

（酮）獲取電子（中間產(chǎn)物）獲取質(zhì)子（醇）

3/11/2024305）消去反應

有機物失去小分子（水分子）的反應。

例如，羧酸與醇的酯化反應例如，氨基酸“縮合”形成肽6）水解反應

“水分子消去反應”的反向反應?！鞠シ磻c水解反應，會引起碳鏈長度的改變】酰氨3/11/2024311)鏈增長的反應例.乙烯聚合（催化劑）2)鏈斷裂的反應例.石油裂解（加氫裂解）（加熱）

2.碳鏈的轉(zhuǎn)變3/11/202432在合適的條件下,鏈狀化合物和環(huán)狀化合物可以發(fā)生互變反應。可以是消去反應，取代反應或加成反應。

例如，葡萄糖的成環(huán)反應。3)成環(huán)反應與開環(huán)反應3/11/202433[綜合應用例]藥物普魯本辛的人工合成（用于治療胃潰瘍）

3/11/2024343.反應中官能團的保護

反應過程中采取措施，保護不希望發(fā)生轉(zhuǎn)變的官能團。例如，用苯胺和硝酸合成對硝基苯胺，硝酸會氧化氨基。為保護氨基不被硝酸氧化，用醋酸與苯胺反應生成酰胺（酰胺基不會被硝酸氧化）。取代得到對硝基產(chǎn)物以后，水解除去酰基，得到對硝基苯胺。對硝基苯胺苯胺3/11/202435肽合成過程中的基團保護氨基的保護：羧基的保護：目標產(chǎn)物（二肽）3/11/202436縮合生成肽水解去酯基催化氫化去羰基二肽（目標產(chǎn)物）3/11/2024376.7關于牛胰島素（蛋白質(zhì)）牛胰島素是一種51肽，含兩條肽鏈：A鏈21肽，B鏈30肽。

兩條肽鏈通過兩個二硫鍵“橋”連接。組氨酸（Histidine）（咪唑基丙氨酸）半胱氨酸（Cysteine）（巰基丙氨酸）3/11/202438胰島素分子結(jié)構(gòu)（A、B兩條肽鏈，51肽，451原子）3/11/2024392.牛胰島素在中國的合成1955年，桑格測定胰島素化學結(jié)構(gòu)（氨基酸序列）。1956年，《Nature》評論文章預言：“人工合成胰島素還有待于遙遠的將來”。1958年，中科院上海生化所提出“人工合成胰島素”項目。1959年3月，生化所和北大化學系簽定了合作協(xié)議。1959年底，未能按計劃完成胰島素工作，但獲得拆合天然胰島素的成果。1960年初，胰島素合成工作的領導班子被徹底改組，“革命師生”共約３００人開始“科研大會戰(zhàn)”

。1960年4月22日，北京大學“合成了Ａ鏈”

。1960年１月，“在整風反右傾的基礎上”，上海生化所也開始大量抽調(diào)工作人員，經(jīng)過幾次“苦戰(zhàn)十晝夜”，他們也在４月20日“合成了Ｂ鏈３０肽”。1960年1月，復旦生物系有人組織了１２０名師生“邊干邊學”，熱火朝天、不分晝夜地進行胰島素合成，4月22日“完成了Ｂ鏈３０肽合成”。

1960年4月下旬，三單位向中科院學部大會“獻禮”。聶榮臻、郭沫若舉行盛大慶功宴，等著A、B鏈的結(jié)合成功。新華社也寫好了報道稿

。3/11/2024401960年4月底，復旦大學爆出喜訊：得到了具有生物活性的人工胰島素！上海市長隨即在人民廣場宣布了這件大喜事。北京市委給北大發(fā)指示：咱們搞北京牌的胰島素，中國那么大，搞兩個胰島素也不算多。1960年5月1日，北京大學“又開辟了第二個戰(zhàn)場”，開始合成B鏈。1960年5月5日，上海分院各研究所共派出３４４人參加“特大兵團作戰(zhàn)”。1960年7月，科學院的大兵團作戰(zhàn)偃旗息鼓。1960年10月，北京大學化學系的大兵團作戰(zhàn)鳴金收兵。

1960年下半年，復旦大學生物系停止研究。1961年，隊伍精干到２０多人，工作方式恢復冷清而腳踏實地的狀態(tài)。

1963年底，北大化學系和中科院有機所、生化所又開始重新合作。北大化學系主要負責合成Ａ鏈前９肽。1965年９月17日，成功完成牛胰島素的人工合成。

以上內(nèi)容引自南方周末（２００５.１１.２４）

3/11/2024411）血紅蛋白分子含578個肽及4個血紅素輔基（4414原子）6.8生命體系中的有機合成幾乎所有其他蛋白質(zhì)都比胰島素更復雜。3/11/202442

肽的“折疊”的骨架結(jié)構(gòu)中鑲嵌著小分子（輔基）主客體作用

鑰匙和鎖的關系3/11/202443光合作用PSI復合體(飄帶模型)2）光合細菌細胞膜蛋白質(zhì)（1188個肽，9347原子）3/11/202444

葉綠素“球隊”（TheNobelPrizeinChemistry1989）范德華接觸芳環(huán)緊密堆積0.36nm0.32nm光照激發(fā)電子導致還原反應單一分子不能完成的任務光合系統(tǒng)I蛋白質(zhì)中葉綠素分子的協(xié)同作用葉綠素你不是一個人在戰(zhàn)斗！3/11/202445

3）ATP酶的分子結(jié)構(gòu)