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专题 1 有机结构的书写

C、H、O、N是有机物中最常见的元素

此外，B、Si、S、P、卤素以及部分金属（Li、Mg）也会出现

其它元素（特别是过渡金属元素）涉及“金属有机化学”这一分支

因此，我们重点要掌握C\H\O\N在有机结构中是怎样的

TOPIC1 Lewis结构式

Lewis结构式是在现代原子结构发现之前提出的。虽然如此，因为Lewis结构式书写简单，且和目前的分子结构相差不大，因此我们仍然使用Lewis结构式书写有机分子

原子和原子间以共价键相连

在有机分子中，原子之间以共价键相连接，不存在不与其它原子连接的原子

成键有两种情况：

  • 第一类：成键的两个原子各给出一个电子，然后这两个原子共享这2个电子

要点

一根键 = 两个电子

  • 第二类：成键的两个原子中，其中一个给出 2 个电子，然后两个原子共享这 2 个电子

两个原子间可以连接多根键

每个原子成键数量有限，且存在最适数量

对于 H ，因为 H 元素是第一周期（意味着 H 最多拥有 2 个电子），并且它自带 1 个电子。因此，H 原子最多只能和 1 个原子共享电子

H 的成键

H 原子只能连 1 根键

对于 C、N、O 等元素，因为它们是第二周期元素，意味着它们最外层最多只能拥有 8 个电子。因此，成键不能超过 4 根。

此外，8电子对于它们来说是非常稳定的状态，因此分子中这些原子倾向于拥有 8 个电子

  • C 原子自带 4 个电子，需要再获得 4 个共享电子

  • N 原子自带 5 个电子，需要再获得 3 个共享电子

  • O 原子自带 6 个电子，需要再获得 2 个共享电子

C、N、O 的成键

C、N、O 最多只能连 4 根键。

C 原子一般连 4 根键，N 原子一般连 3 根键，O 原子一般连 2 根键

对于卤素原子，因为它们是 ⅦA 族元素，最外层电子数量是其最外层最多能容纳电子数量 - 1 ，因此一般成 1 根键

根据这些规则，我们已经可以根据分子式写出大部分简单有机分子的结构了。

但是，有些分子的分子式比较诡异，用以上规则难以写出，需要引入形式电荷的概念

用形式电荷注明成键的特殊情况

以 CO 的结构式为例，根据 O 一般连 2 根键的原则，C 和 O 以 2 根键相连。

这时我们关注下 C 和 O 周围的电子，O 本身的 6 个电子加上 C 分享来的 2 个电子，正好八个。

但是 C 周围只有 6 个电子（自身的 4 个 + O 分享来的2个），还缺2个

因此，C 和 O 之间并不只有这两根键。但各给出1个电子的成键方式行不通了，我们考虑一方给出2个电子的成键方式：让 O 原子再给出 2 个电子与 C 共享，这样，O 原子周围还是 8 个电子，但 C 原子周围就有 8 个电子了。

这种成键在《无机化学》里叫做配位键，并且用一个箭头“→”表示，但在有机中，为了方便书写机理，我们用形式电荷的方式描述这一情况。

我们想象“ O 给出 2 个电子与 C 共享”这件事有两个步骤，第一步是“ 1 个电子从 O 跑到 C 上”，第二步是“ C 和 O 各给出 1 个电子共享”。这样，我们就能用一条朴实无华的横线描述成键（第二步）。但我们还需要一些标记来说明第一步。

我们在中学化学中学过，一个原子失去一个电子时带正电，得到一个电子时带负电，最经典的例子就是 NaCl。同样地，第一步中 O 失去 1 个电子，因此带 1 个正电荷，C 原子得到了 1 个电子，因此带 1 个负电荷。于是，我们在 C 原子旁标一个负电荷，O 原子旁标一个正电荷，结合朴实无华的成键，就能表示出 CO 分子的结构了。

因此，对于包含第二类成键方式的分子来说，需要借助形式电荷来描述分子结构。除此之外，本身带电荷的分子离子，也需要形式电荷来标明总体结构，因为分子式只告诉我们离子整体带几个电荷，并没有告诉我们具体的情况。

形式电荷标注法

1 将所有的键拆开，每个键分给两个原子各一个电子

2 数一下每个原子分到了几个电子，形式电荷数 = 原子价层电子数 - 现在拥有的电子数

现在，我们可以写出基本上所有简单分子的Lewis结构式了

需要练习

请通过适量的练习掌握书写Lewis结构式的方法，并借此机会熟悉一些常见的东西，比如碳正离子

TOPIC2：简化表达

目前为止我们涉及的都是一些简单的分子，即便经过训练，我们还是会觉得画 Lewis 结构式有点累，尤其是碳链一长，就有无数个 C 和 H 要写。因此，我们需要一些简化来减轻书写的负担。

键线式

有机物实际上可以视为由 碳骨架 和 官能团 构成，其中，官能团决定了有机物的性质，地位上更加重要，因此，我们希望强调官能团，弱化碳骨架，因此，我们要大幅简化碳骨架的书写，小幅简化官能团的书写

首先，我们要改变结构式中成键的夹角，从90°改为120° → 这既是为了符合事实，也是为了方便后续的简化。如果有原子上连了4根键，就让其中一个夹角为120°，然后依次为90°、60°、90°

然后，省略掉所有与 C 相连的 “ -H ”，因为它们的数量实在太多了！因为我们只省略掉 C-H 键，因此可以通过 C 连了几个键 & 形式电荷来判断连了几个 “ H ”（实际上，除了部分 C-H 键在反应中比较重要外，大部分的 C-H 可以忽略不计）

接下来，将所有的 C 改为一个点，这样，C链就变成了折线。这样不仅突出了官能团，还更加形象地展示了碳骨架。

最后，除 C 以外的原子和 H 相连的键也省略掉，但注意不能省略 H 。

有时候不简化是更好的选择

并不是所有时候结构越简单越好，当我们省略掉的一些结构参与了反应（如 C-H 键、O - H 键、孤对电子）时，为了画出反应机理，我们还是要把这些结构复原出来。当然，我们只需要复原这些参与了反应的结构

使用基团简写

有机物中，一些结构会经常出现，如 -CH\(_3\)（甲基）、-CH\(_2\)CH\(_3\)（乙基），因为太常见了，虽然可以用键线式简化，但为了更加方便书写（比如在电脑上打出来），就像用“Na”来代表钠元素一样，我们用“Me-”来代表甲基，“Et-”来代表乙基……

常见的有机基团简写如下表所示，这个表尽量记一下，不要像我当时上有机一样做题看不懂也不知道上哪找

简化命名

标准的IUPAC命名方式高中选化学的都学过，如果没学过也不要紧，因为现在不要求了（因为可以直接查询）

如何查询一个结构的命名

一些专业软件（如Chem Draw）中，你只要画出结构式，软件就可以自动为你选中的有机物命名

但你要掌握一些常用的没那么正规的命名，比如：

  • 苯环上的邻、间、对位关系

  • 一些常用物质的缩写（如THF、DMF、DMSO等）