第四章碳和氮的–1.ppt

碳和氮的化学 第四章 碳和氮的化学 碳 氮 官能团和有机物的分类 分子的对称性 手性分子 生物有机化学简介 4.1 碳 碳的发现简史 碳的三种同素异形体 三族有机物的结构特征 碳的同位素 碳的发现简史 碳可以说是人类接触到的最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。自从人类在地球上出现以后，就和碳有了接触，由于闪电使木材燃烧后残留下来木炭，动物被烧死以后，便会剩下骨碳，人类在学会了怎样引火以后，碳就成为人类永久的“伙伴”了，所以碳是古代就已经知道的元素。 发现碳的精确日期是不可能查清楚的，但从拉瓦锡(Lavoisier A L 1743—1794法国)1789年编制的《元素表》中可以看出，碳是作为元素出现的。碳在古代的燃素理论的发展过程中起了重要的作用，根据这种理论，碳不是一种元素而是一种纯粹的燃素，由于研究煤和其它化学物质的燃烧，拉瓦锡首先指出碳是一种元素。 碳在自然界中存在有三种同素异形体──金刚石、石墨、C60。金刚石和石墨早已被人们所知，拉瓦锡做了燃烧金刚石和石墨的实验后，确定这两种物质燃烧都产生了CO2，因而得出结论，即金刚石和石墨中含有相同的“基础”，称为碳。正是拉瓦锡首先把碳列入元素周期表中。 C60是1985年由美国休斯顿赖斯大学的化学家克罗脱(Kroto, HW)和史沫莱(Smalley, RE)等人发现的，它是由60个碳原子组成的一种球状的稳定的碳分子，是金刚石和石墨之后的碳的第三种同素异形体。 碳元素的拉丁文名称Carbonium来自Carbon一词，就是“煤”的意思，它首次出现在1787年由拉瓦锡等人编著的《化学命名法》一书中。碳的英文名称是Carbon。 碳的三种同素异形体 碳在周期表的ⅣA族，有4个价电子，电负性中等，不容易丢失电子成正离子，也不容易获得4个电子形成稀有气体电子组态，而容易形成由共价键结合的化合物。纯粹由碳原子组成的晶体有金刚石、石墨和球碳三种。 金刚石 金刚石中每个碳原子以sp3杂化轨道，按四面体的4个顶点的方向和其它4个碳原子以C—C共价键结合，形成无限的三维骨架。 金刚石中每个C—C键长154.4pm，是典型共价单键。金刚石是天然产物中硬度最高的物质，摩氏硬度定为10。 石墨 石墨是平面层型分子，每个碳原子都是按平面正三角形等距离地和3个碳原子相连，每个C原子以sp2杂化轨道和周围3个C原子形成3个σ键后，在垂直于层的方向上尚剩余一个p轨道和一个价电子，它们互相叠加形成贯穿于整个层的离域π键， 球碳 1985年，Kroto和Smalley等人用激光照射石墨，通过质谱法检测出C60分子，以后他们用多边形纸片拼合出多面体分子模型，发现这个C60分子外形象足球(碳原子处在由12个正五边形和20个正六边形组成的球状的60个顶点上)，称它为足球碳。此后又相继发现一系列这类多面体分子，C原子数可由32到几百(均为偶数)，如C50，C70，C80，C120，C180，C240等。这些分子都呈现封闭的圆球形和椭球形外形。 质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。而质量是分子的一种特质，因此可以用于分子的鉴定或确认。 更多的人采用Fullerenes这个名称。 鉴于这类分子的结构特点和它的基本性质，我们建议这类由纯碳原子组成的球形分子称为“球碳”。将含有特定碳原子数的球碳标明碳原子数，例如球碳—C60、球碳—C70。 1990年秋起，球碳化学发展很快。 一是由于用石墨电极放电和用苯不完全燃烧所沉积的烟炱中，分离出常量的C60和C70等晶体，可用来研究其结构和性质； 二是球碳－C60和K，Rb，Cs，Tl等化合，可得超导体，临界温度Tc可达42K，展示出球碳的潜在应用价值； 三是将球碳进行化学反应，获得一系列新型的球碳化合物，有关它们的合成制备、结构测定和性质应用等均有待研究。 1991年C60被美国《科学》(Science)杂志选为“明星分子”。（美国SCIENCE杂志自1989年起，每年度评选一个对于科学发展和社会受益有重要影响的分子，授予明星分子的荣誉称号 ） 无定形炭 无定形炭，就是它没有特定形状和特定的周期结构规律，但它的内部原子的排列可从三种晶态碳的结构出发来理解。 木炭、炭黑、焦炭、活性炭、碳纤维、煤、玻璃态碳、纳米碳管和洋葱形碳粒等等都可归属于无定形炭。 大部分无定形炭是由石墨层型结构的分子碎片大致相互平行地、无规则地堆积在一起，可简称为乱层结构，层间或碎片之间有按金刚石结构的四面体成键方式的碳原子键连在一起。石墨层可像球碳结构那样