一、有机化合物的物理性质与结构的相关性
1. 沸点
一种物质的沸点高低,主要取决于液体分子间作用力的大小,分子间作用力越大,沸点越高。而分子间作用力大小与下列因素有关。
① 相对分子质量越大,瞬时偶极间作用力越强,沸点越高;例如烷烃同系物的沸点随相对分子质量增大有规律地升高。
② 分子的极性越大,永久偶极间作用力越强,沸点越高;例如硝基丙烷的沸点(120.3℃)高于正丁基氯(78.4℃)。
③ 分子间氢键作用越强, 物质的沸点越高。例如, 乙醇的沸点(78.5℃) 高于乙醚
(34.6℃)。
④ 相同类型的化合物,相对分子质量相同时,碳链正构者沸点高,支链越多,分子间距离越大,沸点越低。例如:正戊烷(36.1℃)>2-甲基丁烷(27.9℃)>3,3-二甲基丙烷(9.5℃)>正丁烷(-0.5℃)
⑤ 同碳数时,环烷烃沸点高于正构烷烃。例如:环己烷(80.8℃)>正己烷(68.7℃)>环戊烷(49.3℃)>正戊烷(36.1℃)
2. 熔点
熔点的高低取决于固体纯净物晶格能的大小,晶格能越大,固体的熔点越高。
① 离子型化合物,如有机酸盐、有机内盐(如对氨基苯磺酸等)、偶极分子(如氨基酸等)的晶格能较大,具有较高的熔点。
② 分子的极性越大,永久偶极间作用力越强,熔点和沸点越高。
③ 分子间氢键作用越强,物质的熔点和沸点越高。
④ 相同类型的化合物,分子的对称性越好,其熔点越高(与沸点不同)。例如,六甲基乙烷的熔点(104℃)高于正辛烷的熔点(-56.8℃)。
3. 溶解度
① 离子型化合物、能与水形成分子间氢键的化合物、极性大的化合物在水中有较大的溶解度,而非极性化合物易溶于有机溶剂。遵循“相似相溶”原则。
② 随着碳链增长,极性化合物在水中溶解降低。例如,甲醇、乙醇、正丙醇与水无限混溶,正丁醇在水中溶解度为8g/100g水,正戊醇为2.2g/100g水。
③ 形成分子内氢键使化合物在水中的溶解度降低。例如,能形成分子内氢键的邻硝基苯酚和水杨醛在水中的溶解度均低于苯酚。
④ 某些有机物的溶解性能与其化学性质有关。例如,有机酸可溶于碱,有机碱可溶于酸;乙酸酐和乙酰氯遇水发生水解反应而溶于水。
4. 旋光性
在绝大多数情况下,分子中没有对称面和对称中心,与其镜像就不能叠合,分子就会有手性和旋光性,举例如下。
二、有机化合物酸碱性与结构的相关性
1. 酸性与结构的相关性
(1)典型化合物的酸性
(2)羧酸的酸性
① -I效应使RCOOH 酸性减弱,+I效应使RCOOH 酸性增强。例如:
② 一般情况下, 芳环上有吸电子基时,ArCOOH 酸性增加;芳环上有斥电子基时,ArCOOH 酸性减弱;对位取代芳酸的酸性同时受诱导效应和共轭效应的影响。例如:
间位取代芳酸主要受诱导效应影响。例如:
邻位取代芳酸的酸性一般都比苯甲酸强。例如:
③ 二元酸的酸性:pKa1<pKa2;pKa1< 一元酸的pKa;两羧基相距越近,其pKa1越小,酸性越强。例如:
④ 能够形成分子内氢键的酸,表现出更强的酸性。例如:
⑤ 取代酸的酸性:卤代酸>羟基酸>羧酸。
(3)酚的酸性
① 吸电子基使酚的酸性增强,给电子基使酚的酸性减弱。例如:
② 取代酚的酸性不仅受电子效应的影响,还受空间效应的影响。例如:
③ 卤代酚的酸性通常大于苯酚。但当卤素位于酚羟基的对位时,其酸性排列顺序反常。这可能是氟原子p轨道上的孤对电子能够与苯环更好地共轭所导致的。例如:
2. 碱性与结构的相关性
(1)胺的碱性
从电子效应的角度考虑,胺分子中氮原子上电子云密度越大,越容易给出去,其碱性越强。但胺的碱性受电子效应、空间效应、溶剂化作用的共同影响,其综合结果如下。
① 碱性:脂肪族仲胺>脂肪族伯胺>脂肪族叔胺>无机氨>芳香胺。例:
② 芳环上有斥电子基时,芳胺的碱性增加;芳环上有吸电子基时,芳胺的碱性减弱。例如:
③ 芳胺氮原子上的孤对电子被分享程度越高,其碱性越弱。例如:
(2)非胺类化合物的碱性
① 受C=O或S=O键的影响,下列化合物有如下的碱性强弱顺序:
② 吡啶、喹啉分子中氮原子上一对电子处于sp2 杂化轨道,不参与π66,相对容易给出,碱性大于苯胺;吡咯、吲哚分子中氮原子上一对电子处于p 轨道,参与了π65,相对不容易给出,碱性小于苯胺。例如:
3. 某些化合物烯醇式的相对含量与结构的相关性
①β-二羰基化合物中活泼亚甲基的酸性越强,其烯醇式结构相对含量越高。
②互变异构中,烯醇式结构越稳定,其相对含量越高。例如:
三、有机反应及其相对速率与结构的相关性
反应物及产物的结构、活性中间体及过渡态的稳定性、空间效应等均会影响有机反应的速率。从动力学角度来说,反应的活性中间体、过渡态越稳定,活化能越低,反应速率越快;从热力学角度来说,反应产物越稳定,反应越容易发生。下面通过一些具体实例来说明。
例4 比较下列化合物与AgNO3/C2H5OH 发生反应的活性: