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有機化學

(化學分支學科)

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有機化學(Organic Chemistry)又稱為碳化合物的化學,是研究有機化合物的組成、結構、性質、製備方法與應用的科學,是化學中極重要的一個分支。含碳化合物被稱為有機化合物是因為以往的化學家們認為這樣的物質一定要由生物(有機體)才能製造;然而在1828年的時候,德國化學家弗里德里希·維勒,在實驗室中首次成功合成尿素(一種生物分子),自此以後有機化學便脱離傳統所定義的範圍,擴大為烴及其衍生物的化學。
中文名
有機化學
外文名
Organic Chemistry
定    義
研究有機物的化學
學科門類
二級學科
對    象
烴及其衍生物

有機化學發展簡史

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早期萌芽時期
貝採裏烏斯 貝採裏烏斯
“有機化學”(Organic Chemistry)這一名詞於1806年首次由貝採裏烏斯(“有機化學之父”)提出。當時是作為“無機化學”的對立物而命名的。由於科學條件限制,有機化學研究的對象只能是從天然動植物有機體中提取的有機物。因而許多化學家都認為,在生物體內由於存在所謂“生命力”,才能產生有機化合物,而在實驗室裏是不能由無機化合物合成的。 [1] 
1824年,德國化學家維勒從氰經水解制得草酸;1828年他無意中用加熱的方法又使氰酸銨轉化為尿素。氰和氰酸銨都是無機化合物,而草酸和尿素都是有機化合物。維勒的實驗結果給予“生命力”學説第一次衝擊。此後,乙酸等有機化合物相繼由碳、氫等元素合成,生命力學説才逐漸被人們拋棄。
因合成方法的改進和發展,越來越多的有機化合物不斷地在實驗室中合成出來,其中,絕大部分是在與生物體內迥然不同的條件下合成出來的。“生命力”學説漸漸被拋棄了,“有機化學”這一名詞卻沿用至今。 [1] 
從19世紀初到1858年提出價鍵概念之前是有機化學的萌芽時期。在這個時期,已經分離出許多有機化合物,製備了一些衍生物,並對它們作了定性描述,認識了一些有機化合物的性質。
拉瓦錫 拉瓦錫
法國化學家拉瓦錫發現,有機化合物燃燒後,產生二氧化碳和水。他的研究工作為有機化合物元素定量分析奠定了基礎。1830年德國化學家李比希發展了碳、氫分析法,1833年法國化學家杜馬建立了氮的分析法。這些有機定量分析法的建立使化學家能夠求得一個化合物的實驗式。
當時在解決有機化合物分子中各原子是如何排列和結合的問題上,遇到了很大的困難。最初,有機化學用二元説來解決有機化合物的結構問題。二元説認為一個化合物的分子可分為帶正電荷的部分和帶負電荷的部分,二者靠靜電力結合在一起。早期的化學家根據某些化學反應認為,有機化合物分子由在反應中保持不變的基團和在反應中起變化的基團按異性電荷的靜電力結合。但這個學説本身有很大的矛盾。
類型説由法國化學家熱拉爾和洛朗建立。此説否認有機化合物是由帶正電荷和帶負電荷的基團組成,而認為有機化合物是由一些可以發生取代的母體化合物衍生的,因而可以按這些母體化合物來分類。類型説把眾多有機化合物按不同類型分類,根據它們的類型不僅可以解釋化合物的一些性質,而且能夠預言一些新化合物。但類型説未能回答有機化合物的結構問題。這個問題成為困擾人們多年的謎團。 [2] 
經典有機化學時期
從1858年價鍵學説的建立,到1916年價鍵的電子理論的引入,才解開了這個不解的謎團,這一時期是經典有機化學時期。
凱庫勒 凱庫勒
1858年,德國化學家凱庫勒和英國化學家庫珀等提出價鍵的概念,並第一次用短劃“—”表示“鍵”。他們認為有機化合物分子是由其組成的原子通過鍵結合而成的。由於在所有已知的化合物中,一個氫原子只能與一個別的元素的原子結合,氫就選作價的單位。一種元素的價數就是能夠與這種元素的一個原子結合的氫原子的個數。凱庫勒還提出,在一個分子中碳原子之間可以互相結合這一重要的概念。
1848年巴斯德分離到兩種酒石酸結晶,一種半面晶向左,一種半面晶向右。前者能使平面偏振光向左旋轉,後者則使之向右旋轉,角度相同。在對乳酸的研究中也遇到類似現象。為此,1874年法國化學家勒貝爾和荷蘭化學家範托夫分別提出一個新的概念:同分異構體,圓滿地解釋了這種異構現象 [2] 
他們認為:分子是個三維實體,碳的四個價鍵在空間是對稱的,分別指向一個正四面體的四個頂點,碳原子則位於正四面體的中心。當碳原子與四個不同的原子或基團連接時,就產生一對異構體,它們互為實物鏡像,或左手和右手的手性關係,這一對化合物互為旋光異構體或對映異構體。這種現象稱為對映異構現象。這兩個互成實物與鏡像,對映但不能完全重合的分子稱為手性分子。勒貝爾和範托夫的學説,是有機化學中立體化學的基礎。 [3] 
1900年第一個自由基,三苯甲基自由基被發現,這是個長壽命的自由基。而不穩定自由基的存在也於1929年得到了證實。
在這個時期,有機化合物在結構測定以及反應和分類方面都取得很大進展。但價鍵只是化學家從實踐經驗得出的一種概念,價鍵的本質尚未解決。 [2] 
現代有機化學時期
法國生物化學家路易斯·巴斯德 法國生物化學家路易斯·巴斯德
在物理學家發現電子,並闡明原子結構的基礎上,美國物理化學家路易斯等人於1916年提出價鍵的電子理論。
他們認為:各原子外層電子的相互作用是使各原子結合在一起的原因。相互作用的外層電子如從—個原子轉移到另一個原子,則形成離子鍵;兩個原子如果共用外層電子,則形成共價鍵。通過電子的轉移或共用,使相互作用的原子的外層電子都獲得惰性氣體的電子構型。這樣,價鍵的圖象表示法中用來表示價鍵的短劃“—”,實際上是兩個原子的一對共用電子對 [4] 
1927年以後,海特勒和倫敦等用量子力學,處理分子結構問題,建立了價鍵理論,為化學鍵提出了一個數學模型。後來馬利肯用分子軌道理論來處理分子結構,其結果與價鍵的電子理論所得的大體一致,由於計算簡便,解決了許多當時不能回答的問題。 [4] 

有機化學化學研究

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有機化學研究對象

有機化合物和無機化合物之間沒有絕對的分界。有機化學之所以成為化學中的一個獨立學科,是因為有機化合物確有其內在的聯繫和特性。
位於週期表當中的碳元素,一般是通過與別的元素的原子共用外層電子而達到穩定的電子構型的(即形成共價鍵)。這種共價鍵的結合方式決定了有機化合物的特性。大多數有機化合物由碳、氫、氮、氧幾種元素構成,少數還含有鹵素和硫、磷、氮等元素。因而大多數有機化合物具有熔點較低、可以燃燒、易溶於有機溶劑等性質,這與無機化合物的性質有很大不同。
在含多個碳原子的有機化合物分子中,碳原子互相結合形成分子的骨架,別的元素的原子就連接在該骨架上。在元素週期表中,沒有一種別的元素能像碳那樣以多種方式彼此牢固地結合。由碳原子形成的分子骨架有多種形式,有直鏈、支鏈、環狀等。
在有機化學發展的初期,有機化學工業的主要原料是動、植物體,有機化學主要研究從動、植物體中分離有機化合物。
19世紀中到20世紀初,有機化學工業逐漸變為以煤焦油為主要原料。合成染料的發現,使染料、製藥工業蓬勃發展,推動了對芳香族化合物雜環化合物的研究。30年代以後,以乙烯為原料的有機合成興起。40年代前後,有機化學工業的原料又逐漸轉變為以石油和天然氣為主,發展了合成橡膠合成塑料和合成纖維工業。由於石油資源將日趨枯竭,以煤為原料的有機化學工業必將重新發展。當然,天然的動、植物和微生物體仍是重要的研究對象。
用最精煉的一句話概括有機化學的研究對象,就是“如何形成碳碳鍵”。有機化學是碳的化學,有機化學的內容説白了就是研究怎麼搭建碳原子的大廈(或者小廈)。因為對人們有用處的有機分子一般是大而複雜的,而人們能隨意支配和輕易獲得的原料往往是小而簡單的。 [3] 

有機化學研究成果

天然有機化學主要研究天然有機化合物的組成、合成、結構和性能。20世紀初至30年代,先後確定了單糖、氨基酸、核苷酸牛膽酸、膽固醇和某些萜類的結構,肽和蛋白質的組成;30~40年代,確定了一些維生素、甾族激素、多聚糖的結構,完成了一些甾族激素和維生素的結構和合成的研究;40~50年代前後,發現青黴素等一些抗生素,完成了結構測定和合成;50年代完成了某些甾族化合物和嗎啡等生物鹼的全合成,催產素等生物活性小肽的合成,確定了胰島素的化學結構,發現了蛋白質的螺旋結構,DNA的雙螺旋結構;60年代完成了胰島素的全合成和低聚核苷酸的合成;70年代至80年代初,進行了前列腺素維生素B12昆蟲信息素激素的全合成,確定了核酸和美登木素的結構並完成了它們的全合成等等。
有機合成方面主要研究從較簡單的化合物或元素經化學反應合成有機化合物。19世紀30年代合成了尿素;40年代合成了乙酸。隨後陸續合成了葡萄糖酸、檸檬酸、琥珀酸、蘋果酸等一系列有機酸;19世紀後半葉合成了多種染料;20世紀40年代合成了DDT和有機磷殺蟲劑有機硫殺菌劑、除草劑等農藥;20世紀初,合成了606藥劑,30~40年代,合成了一千多種磺胺類化合物,其中有些可用作藥物。

有機化學研究方法

有機化學研究手段的發展經歷了從手工操作到自動化、計算機化,從常量到超微量的過程。 [5] 
20世紀40年代前,用傳統的蒸餾、結晶、昇華等方法來純化產品,用化學降解和衍生物製備的方法測定結構。後來,各種色譜法、電泳技術的應用,特別是高壓液相色譜的應用改變了分離技術的面貌。各種光譜、能譜技術的使用,使有機化學家能夠研究分子內部的運動,使結構測定手段發生了革命性的變化。電子計算機的引入,使有機化合物的分離、分析方法向自動化、超微量化方向又前進了一大步。帶傅里葉變換技術的核磁共振譜和紅外光譜又為反應動力學、反應機理的研究提供了新的手段。這些儀器和x射線結構分析、電子衍射光譜分析,已能測定微克級樣品的化學結構。用電子計算機設計合成路線的研究也已取得某些進展。未來有機化學的發展首先是研究能源和資源的開發利用問題。迄今我們使用的大部分能源和資源,如煤、天然氣、石油、動植物和微生物,都是太陽能的化學貯存形式。今後一些學科的重要課題是更直接、更有效地利用太陽能。 [5] 
對光合作用做更深入的研究和有效的利用,是植物生理學、生物化學和有機化學的共同課題。有機化學可以用光化學反應生成高能有機化合物,加以貯存;必要時則利用其逆反應,釋放出能量。另一個開發資源的目標是在有機金屬化合物的作用下固定二氧化碳,以產生無窮盡的有機化合物。這幾方面的研究均已取得一些初步結果。其次是研究和開發新型有機催化劑,使它們能夠模擬酶的高速高效和温和的反應方式。這方面的研究已經開始,今後會有更大的發展。20世紀60年代末,開始了有機合成的計算機輔助設計研究。今後有機合成路線的設計、有機化合物結構的測定等必將更趨系統化、邏輯化。 [5] 

有機化學化學反應

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入門版分類:
更本質的來看,這麼多反應其實只有兩類:親核和親電取代,因為加成反應可以視為一種特殊的取代。
高級版分類:
有機反應按機理分類可以分為四大類:
  • 離子反應,囊括上面入門版分類的所有門類。
  • 自由基反應,特點是不涉及離子,反應可控制的程度總體偏低,尚未完全開發。
  • 協同反應,特點是不涉及中間體。
  • 金屬有機反應,有機金屬反應本質上是上述三大反應的綜合,但在一些地方有其特殊性,故單列一類。

有機化學課程體系

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有機化學主要是介紹化學物質的科學(高中化學學習當中也會涉及部分有機化學的課程)。有機化學物質的分類主要是按照其決定性作用,能代表化學物質的基團也就是官能團的不同來進行分類的 。可分為:烷烴,烯烴,炔烴,芳香烴(以上為烴類);鹵代烴,醇,酚,醚,醛,酮,羧酸,羧酸衍生物,胺類,硝基化合物,腈類,含硫有機化合物(如硫醇,硫醚,硫酚,磺酸,碸與亞碸等),含磷有機化合物等元素有機化合物,雜環化合物等(以上為烴衍生物)。
具體主要是介紹這些化學物質的系統命名,化學反應,反應機理,製備方法。其中化學反應基本上為基團的取代,能否進行一個反應,取決於熱力學和動力學兩個方面的因素。而製備方法主要是通過無機物,石油提取物,以及容易製備或成本低的物質製得難以得到的物質。反應機理也為基團之間的進攻和離去傾向之間的競爭。

有機化學分支學科

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參考資料