有機(jī)化學(xué)

有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的來(lái)源、制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、應(yīng)用以及有關(guān)理論的科學(xué)，又稱碳化合物的化學(xué)。

有機(jī)化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史

　　“有機(jī)化學(xué)”這一名詞于1806年首次由貝采利烏斯提出。當(dāng)時(shí)是作為“無(wú)機(jī)化學(xué)”的對(duì)立物而命名的。19世紀(jì)初，許多化學(xué)家相信，在生物體內(nèi)由于存在所謂“生命力”，才能產(chǎn)生有機(jī)化合物，而在實(shí)驗(yàn)室里是不能由無(wú)機(jī)化合物合成的。

　　1824年，德國(guó)化學(xué)家維勒從氰經(jīng)水解制得草酸；1828年他無(wú)意中用加熱的方法又使氰酸銨轉(zhuǎn)化為尿素。氰和氰酸銨都是無(wú)機(jī)化合物，而草酸和尿素都是有機(jī)化合物。維勒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予“生命力”學(xué)說(shuō)第一次沖擊。此后，乙酸等有機(jī)化合物相繼由碳、氫等元素合成，“生命力”學(xué)說(shuō)才逐漸被人們拋棄。

　　由于合成方法的改進(jìn)和發(fā)展，越來(lái)越多的有機(jī)化合物不斷地在實(shí)驗(yàn)室中合成出來(lái)，其中，絕大部分是在與生物體內(nèi)迥然不同的條件下臺(tái)成出來(lái)的。“生命力”學(xué)說(shuō)漸漸被拋棄了， “有機(jī)化學(xué)”這一名詞卻沿用至今。

　　從19世紀(jì)初到1858年提出價(jià)鍵概念之前是有機(jī)化學(xué)的萌芽時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，已經(jīng)分離出許多有機(jī)化合物，制備了一些衍生物，并對(duì)它們作了定性描述。

　　法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫發(fā)現(xiàn)，有機(jī)化合物燃燒后，產(chǎn)生二氧化碳和水。他的研究工作為有機(jī)化合物元素定量分析奠定了基礎(chǔ)。1830年，德國(guó)化學(xué)家李比希發(fā)展了碳、氫分析法，1833年法國(guó)化學(xué)家杜馬建立了氮的分析法。這些有機(jī)定量分析法的建立使化學(xué)家能夠求得一個(gè)化合物的實(shí)驗(yàn)式。

　　當(dāng)時(shí)在解決有機(jī)化合物分子中各原子是如何排列和結(jié)合的問(wèn)題上，遇到了很大的困難。最初，有機(jī)化學(xué)用二元說(shuō)來(lái)解決有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。二元說(shuō)認(rèn)為一個(gè)化合物的分子可分為帶正電荷的部分和帶負(fù)電荷的部分，二者*靜電力結(jié)合在一起。早期的化學(xué)家根據(jù)某些化學(xué)反應(yīng)認(rèn)為，有機(jī)化合物分子由在反應(yīng)中保持不變的基團(tuán)和在反應(yīng)中起變化的基團(tuán)按異性電荷的靜電力結(jié)合。但這個(gè)學(xué)說(shuō)本身有很大的矛盾。

　　類型說(shuō)由法國(guó)化學(xué)家熱拉爾和洛朗建立。此說(shuō)否認(rèn)有機(jī)化合物是由帶正電荷和帶負(fù)電荷的基團(tuán)組成，而認(rèn)為有機(jī)化合物是由一些可以發(fā)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(lái)分類。類型說(shuō)把眾多有機(jī)化合物按不同類型分類，根據(jù)它們的類型不僅可以解釋化合物的一些性質(zhì)，而且能夠預(yù)言一些新化合物。但類型說(shuō)未能回答有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

　　有機(jī)化合物按不同類型分類，根據(jù)它們的類型不僅可以解釋化合物的一些性質(zhì)，而且能夠預(yù)言一些新化合物。但類型說(shuō)未能回答有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

　　從1858年價(jià)鍵學(xué)說(shuō)的建立，到1916年價(jià)鍵的電子理論的引入，是經(jīng)典有機(jī)化學(xué)時(shí)期。

　　1858年，德國(guó)化學(xué)家凱庫(kù)勒和英國(guó)化學(xué)家?guī)扃甑忍岢鰞r(jià)鍵的概念，并第一次用短劃“-”表示“鍵”。他們認(rèn)為有機(jī)化合物分子是由其組成的原子通過(guò)鍵結(jié)合而成的。由于在所有已知的化合物中，一個(gè)氫原子只能與一個(gè)別的元素的原子結(jié)合，氫就選作價(jià)的單位。一種元素的價(jià)數(shù)就是能夠與這種元素的一個(gè)原子結(jié)合的氫原子的個(gè)數(shù)。凱庫(kù)勒還提出，在一個(gè)分子中碳原子之間可以互相結(jié)合這一重要的概念。

　　1848年巴斯德分離到兩種酒石酸結(jié)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(zhuǎn)，后者則使之向右旋轉(zhuǎn)，角度相同。在對(duì)乳酸的研究中也遇到類似現(xiàn)象。為此，1874年法國(guó)化學(xué)家勒貝爾和荷蘭化學(xué)家范托夫分別提出一個(gè)新的概念，圓滿地解釋了這種異構(gòu)現(xiàn)象。

　　他們認(rèn)為：分子是個(gè)三維實(shí)體，碳的四個(gè)價(jià)鍵在空間是對(duì)稱的，分別指向一個(gè)正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，碳原子則位于正四面體的中心。當(dāng)碳原子與四個(gè)不同的原子或基團(tuán)連接時(shí)，就產(chǎn)生一對(duì)異構(gòu)體，它們互為實(shí)物和鏡像，或左手和右手的手性關(guān)系，這一對(duì)化合物互為旋光異構(gòu)體。勒貝爾和范托夫的學(xué)說(shuō)，是有機(jī)化學(xué)中立體化學(xué)的基礎(chǔ)。

　　1900年第一個(gè)自由基，三苯甲基自由基被發(fā)現(xiàn)，這是個(gè)長(zhǎng)壽命的自由基。不穩(wěn)定自由基的存在也于1929年得到了證實(shí)。

　　在這個(gè)時(shí)期，有機(jī)化合物在結(jié)構(gòu)測(cè)定以及反應(yīng)和分類方面都取得很大進(jìn)展。但價(jià)鍵只是化學(xué)家從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出的一種概念，價(jià)鍵的本質(zhì)尚未解決。

　　現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)時(shí)期  在物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子，并闡明原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，美國(guó)物理化學(xué)家路易斯等人于1916年提出價(jià)鍵的電子理論。

　　他們認(rèn)為：各原子外層電子的相互作用是使各原子結(jié)合在一起的原因。相互作用的外層電子如從—個(gè)原了轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子，則形成離子鍵；兩個(gè)原子如果共用外層電子，則形成共價(jià)鍵。通過(guò)電子的轉(zhuǎn)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(gòu)型。這樣，價(jià)鍵的圖象表示法中用來(lái)表示價(jià)鍵的短劃“-”，實(shí)際上是兩個(gè)原子共用的一對(duì)電子。

　　1927年以后，海特勒和倫敦等用量子力學(xué)，處理分子結(jié)構(gòu)問(wèn)題，建立了價(jià)鍵理論，為化學(xué)鍵提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型。后來(lái)馬利肯用分子軌道理論處理分子結(jié)構(gòu)，其結(jié)果與價(jià)鍵的電子理論所得的大體一致，由于計(jì)算簡(jiǎn)便，解決了許多當(dāng)時(shí)不能回答的問(wèn)題。

有機(jī)化學(xué)的研究?jī)?nèi)容

　　有機(jī)化合物和無(wú)機(jī)化合物之間沒(méi)有絕對(duì)的分界。有機(jī)化學(xué)之所以成為化學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立學(xué)科，是因?yàn)橛袡C(jī)化合物確有其內(nèi)在的聯(lián)系和特性。

　　位于周期表當(dāng)中的碳元素，一般是通過(guò)與別的元素的原子共用外層電子而達(dá)到穩(wěn)定的電子構(gòu)型的。這種共價(jià)鍵的結(jié)合方式?jīng)Q定了有機(jī)化合物的特性。大多數(shù)有機(jī)化合物由碳、氫、氮、氧幾種元素構(gòu)成，少數(shù)還含有鹵素和硫、磷等元素。因而大多數(shù)有機(jī)化合物具有熔點(diǎn)較低、可以燃燒、易溶于有機(jī)溶劑等性質(zhì)，這與無(wú)機(jī)化合物的性質(zhì)有很大不同。

　　在含多個(gè)碳原子的有機(jī)化合物分子中，碳原子互相結(jié)合形成分子的骨架，別的元素的原子就連接在該骨架上。在元素周期表中，沒(méi)有一種別的元素能像碳那樣以多種方式彼此牢固地結(jié)合。由碳原子形成的分子骨架有多種形式，有直鏈、支鏈、環(huán)狀等。

　　在有機(jī)化學(xué)發(fā)展的初期，有機(jī)化學(xué)工業(yè)的主要原料是動(dòng)、植物體，有機(jī)化學(xué)主要研究從動(dòng)、植物體中分離有機(jī)化合物。

　　19世紀(jì)中到20世紀(jì)初，有機(jī)化學(xué)工業(yè)逐漸變?yōu)橐悦航褂蜑橹饕�原料。合成染料的發(fā)現(xiàn)，使染料、制藥工業(yè)蓬勃發(fā)展，推動(dòng)了對(duì)芳香族化合物和雜環(huán)化合物的研究。30年代以后，以乙炔為原料的有機(jī)合成興起。40年代前后，有機(jī)化學(xué)工業(yè)的原料又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐允�油和天然氣為主，發(fā)展了合成橡膠、合成塑料和合成纖維工業(yè)。由于石油資源將日趨枯竭，以煤為原料的有機(jī)化學(xué)工業(yè)必將重新發(fā)展。當(dāng)然，天然的動(dòng)、植物和微生物體仍是重要的研究對(duì)象。

　　天然有機(jī)化學(xué)主要研究天然有機(jī)化合物的組成、合成、結(jié)構(gòu)和性能。20世紀(jì)初至30年代，先后確定了單糖、氨基酸、核苷酸牛膽酸、膽固醇和某些萜類的結(jié)構(gòu)，肽和蛋白質(zhì)的組成；30～40年代，確定了一些維生素、甾族激素、多聚糖的結(jié)構(gòu)，完成了一些甾族激素和維生素的結(jié)構(gòu)和合成的研究；40～50年代前后，發(fā)現(xiàn)青霉素等一些抗生素，完成了結(jié)構(gòu)測(cè)定和合成；50年代完成了某些甾族化合物和嗎啡等生物堿的全合成，催產(chǎn)素等生物活性小肽的合成，確定了胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的螺旋結(jié)構(gòu)，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)；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(jìn)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(jié)構(gòu)并完成了它們的全合成等等。

　　有機(jī)合成方面主要研究從較簡(jiǎn)單的化合物或元素經(jīng)化學(xué)反應(yīng)合成有機(jī)化合物。19世紀(jì)30年代合成了尿素；40年代合成了乙酸。隨后陸續(xù)合成了葡萄糖酸、檸檬酸、琥珀酸、蘋果酸等一系列有機(jī)酸；19世紀(jì)后半葉合成了多種染料；20世紀(jì)40年代合成了滴滴涕和有機(jī)磷殺蟲劑、有機(jī)硫殺菌劑、除草劑等農(nóng)藥；20世紀(jì)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。

　　物理有機(jī)化學(xué)是定量地研究有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)、反應(yīng)性和反應(yīng)機(jī)理的學(xué)科。它是在價(jià)鍵的電子學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上，引用了現(xiàn)代物理學(xué)、物理化學(xué)的新進(jìn)展和量子力學(xué)理論而發(fā)展起來(lái)的。20世紀(jì)20～30年代，通過(guò)反應(yīng)機(jī)理的研究，建立了有機(jī)化學(xué)的新體系；50年代的構(gòu)象分析和哈米特方程開始半定量估算反應(yīng)性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系；60年代出現(xiàn)了分子軌道對(duì)稱守恒原理和前線軌道理論。

　　有機(jī)分析即有機(jī)化合物的定性和定量分析。19世紀(jì)30年代建立了碳、氫定量分析法；90年代建立了氮的定量分析法；有機(jī)化合物中各種元素的常量分析法在19世紀(jì)末基本上已經(jīng)齊全；20世紀(jì)20年代建立了有機(jī)微量定量分析法；70年代出現(xiàn)了自動(dòng)化分析儀器。

　　由于科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)化學(xué)與各個(gè)學(xué)科互相滲透，形成了許多分支邊緣學(xué)科。比如生物有機(jī)化學(xué)、物理有機(jī)化學(xué)、量子有機(jī)化學(xué)、海洋有機(jī)化學(xué)等。

有機(jī)化學(xué)的研究方法

　　有機(jī)化學(xué)研究手段的發(fā)展經(jīng)歷了從手工操作到自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)化，從常量到超微量的過(guò)程。

　　20世紀(jì)40年代前，用傳統(tǒng)的蒸餾、結(jié)晶、升華等方法來(lái)純化產(chǎn)品，用化學(xué)降解和衍生物制備的方法測(cè)定結(jié)構(gòu)。后來(lái)，各種色譜法、電泳技術(shù)的應(yīng)用，特別是高壓液相色譜的應(yīng)用改變了分離技術(shù)的面貌。各種光譜、能譜技術(shù)的使用，使有機(jī)化學(xué)家能夠研究分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)測(cè)定手段發(fā)生了革命性的變化。

　　電子計(jì)算機(jī)的引入，使有機(jī)化合物的分離、分析方法向自動(dòng)化、超微量化方向又前進(jìn)了一大步。帶傅里葉變換技術(shù)的核磁共振譜和紅外光譜又為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)機(jī)理的研究提供了新的手段。這些儀器和x射線結(jié)構(gòu)分析、電子衍射光譜分析，已能測(cè)定微克級(jí)樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)。用電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)合成路線的研究也已取得某些進(jìn)展。

　　未來(lái)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展首先是研究能源和資源的開發(fā)利用問(wèn)題。迄今我們使用的大部分能源和資源，如煤、天然氣、石油、動(dòng)植物和微生物，都是太陽(yáng)能的化學(xué)貯存形式。今后一些學(xué)科的重要課題是更直接、更有效地利用太陽(yáng)能。

　　對(duì)光合作用做更深入的研究和有效的利用，是植物生理學(xué)、生物化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的共同課題。有機(jī)化學(xué)可以用光化學(xué)反應(yīng)生成高能有機(jī)化合物，加以貯存；必要時(shí)則利用其逆反應(yīng)，釋放出能量。另一個(gè)開發(fā)資源的目標(biāo)是在有機(jī)金屬化合物的作用下固定二氧化碳，以產(chǎn)生無(wú)窮盡的有。機(jī)化合物。這幾方面的研究均已取得一些初步結(jié)果。

　　其次是研究和開發(fā)新型有機(jī)催化劑，使它們能夠模擬酶的高速高效和溫和的反應(yīng)方式。這方面的研究已經(jīng)開始，今后會(huì)有更大的發(fā)展。

　　20世紀(jì)60年代末，開始了有機(jī)合成的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究。今后有機(jī)合成路線的設(shè)計(jì)、有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的測(cè)定等必將更趨系統(tǒng)化、邏輯化。