1　緒論

1.1　有機化學和有機化合物

有機化學是研究有機化合物的科學，即研究有機化合物的組成、結構、性質及其變化規律的科學，是化學學科的重要分支，是有機化學工業的理論基礎。不論是化學工業、能源工業、材料工業，還是電子工業、國防工業、生命科學的發展，都離不開有機化學。有機化合物在組成上通常都含有碳和氫兩種元素，在結構上可看作碳氫化合物分子中的氫原子被其他原子或基團取代后得到的衍生物，因此有機化合物可定義為碳氫化合物及其衍生物。有機化合物大量存在于自然界中（如糧、油、棉、麻、毛、絲、木材、糖、蛋白質、農藥、塑料、染料、香料、醫藥和石油等），與人們的衣、食、住、行等日常生活密切相關，是人們生活中一刻也離不開的物質。

1.1.1　有機化學的產生和發展

有機化學的發展歷史與無機化學相比要短得多，迄今約200年。19世紀初期當化學剛剛成為一門學科的時候，由于當時的有機物都是從動植物——即有生命的物體中取得的，而它們與由礦物界得到的礦石、金屬、鹽類等物質在組成和性質上又有較大的區別，更重要的是當時人們對生命現象的本質缺乏認識，認為有機物是不能用人工方法合成的，而只能由“生命力”所創造，因此將化學物質根據來源分成無機物與有機物兩大類。“有機”這個名稱也由此而來，意思是指“有生機之物”。1806年，瑞典化學家BerzeliusJ.首先使用了“有機化學”這個詞。隨著科學的發展，越來越多的原來由生物體中取得的有機物，可以用人工的方法合成，而無需借助于“生命力”。但“有機”這個名稱卻被保留下來。由于有機化合物數目繁多，在結構和性質上又有許多共同的特點，因此有機化學逐漸發展成為一門獨立的學科。

1828年，德國化學家W?hler在研究氰酸鹽的過程中，意外地發現了用無機物氯化銨和氰酸銀一起加熱，可以制得有機物尿素。這是世界上第一次在實驗室中從無機物制得有機物。毫無疑問，W?hler的這一偉大發現，是對“生命力學說”的有力沖擊，打破了無機物和有機物絕對分明的界限，開辟了人工合成有機物的新紀元，是有機化學發展史上的一個重要里程碑。

19世紀中葉，化學家們陸續合成了相當多的有機物。1845年，德國化學家Kolber A.W.H.合成了醋酸；1854年，法國化學家Berthelot P.E.M.合成了油脂；1861年，俄國化學家Butlerov A.M.合成了糖等。此后，許多天然有機化合物被合成出來，許多自然界中不存在的有機物也被制造出來。自此“生命力學說”被徹底否定，開創了合成有機化合物的新時代。

1858年，德國化學家KekuléF.A.和英國化學家Couper A.S.提出價鍵學說，奠定了分子結構的基礎理論；1861年，Butlerov A.M.提出化學結構的概念，指出原子間存在相互影響；1865年，Kekulé F.A.提出苯的環狀結構學說；1874年，荷蘭化學家van'tHoff J.H.和法國化學家LeBel J.A.提出飽和碳原子的四面體構型學說，開創了有機化合物的立體化學研究；1916年，美國化學家Lewis G.N.用電子對的方法說明化學鍵的生成；1926年，德國化學家Heitler W.和London F.等人闡明了化學鍵的微觀本質，建立了量子化學；1931年，德國物理化學家Hückel E.用量子化學方法研究不飽和化合物和芳香化合物的結構；1933年，英國化學家Ingold C.K.用化學動力學方法研究飽和碳原子上的取代反應機理；1943年，Hassel D.和Barton D.H.R.提出的構象分析方法，使人們對有機反應中分子的動態有了新的認識。20世紀60年代，各種光譜分析方法的應用為有機分子結構的測定提供了強有力的手段，同時熱力學和動力學方法以及同位素標記法的應用，極大地幫助了化學家對化學反應詳細歷程的理解。這些工作對有機化學的發展都起到了重要作用。

有機合成藝術大師WoodWard R.B.在20世紀中葉，不僅成功合成了葉綠素和維生素B12，還與Hofmann R.H.共同發現了分子軌道對稱守恒原理，成功說明和預言了具有環狀過渡態的協同反應；1967年，Corey E.J.首次提出了合成子的概念，并于1985年系統地提出了可普遍適用于各類復雜分子全合成的分析策略；1989年哈佛大學的Kishi對海葵毒素（palytoxin）進行了全合成研究，該化合物有64個手性中心，其可能的異構體數為271個。海葵毒素的全合成成功，被認為是有機合成中的珠穆朗瑪峰，標志著當今有機化學的理論和方法已發展到相當高的水平。

我國在有機化學發展中也起到了許多重要作用。1965年，我國成功地運用人工方法合成了世界上第一個具有生物活性的蛋白質——結晶牛胰島素；1981年，我國成功地合成了分子量約為26000、具有與天然分子相同結構和完整生物活性的酵母丙氨酸轉移核糖核酸；2000年，我國科學家在國際人類基因組計劃工程中，成功地破譯了人類3號染色體部分遺傳密碼，標志著我國在蛋白質和核酸的研究方面已進入世界先進行列。

1.1.2　有機化學的研究對象

自然界中的化合物按其組成和性質的異同，在化學上可以分為兩大類：無機化合物（簡稱無機物）和有機化合物（簡稱有機物）。以前所認識的化合物，如鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈉、碳酸鈣等，都屬于無機物。而人們吃的飯菜、穿的衣服、用的紙張以及大多數中西藥物等，都是由有機物構成的。在自然界中，有機物不但廣泛存在，而且同人類的關系極為密切，一切生物過程都離不開有機化合物。

一些簡單的有機物，如甲烷（CH4）、乙烯（）、乙炔（CH≡CH）、苯（C6H6）、酒精（C2H5OH）、醋酸（CH3COOH）、葡萄糖（C6H12O6）等都是人們所熟悉的。這些化合物的元素組成有一個共同的特點即都含有碳元素，因此，GmelinL.等認為有機物就是含碳的化合物，有機化學就是研究含碳化合物的化學。但是一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和碳酸鹽（）等含碳化合物仍屬于無機物。另外從上述列舉的有機物分子式中可以看出，絕大部分有機物都含有氫元素，而且許多有機物除了含碳、氫元素外，還含有氧、氮、硫、磷和鹵素等。因此，Sch?rlemmerC.等認為有機物就是碳氫化合物及其衍生物，有機化學是研究碳氫化合物及其衍生物的化學。

通常，把只含有碳、氫兩種元素的化合物稱為烴，因而有機化合物亦稱為烴及其衍生物。有機化學就是研究烴及其衍生物的組成、結構、性質及其變化規律的科學。

1.1.3　有機化合物的特性

與無機物相比，有機物一般具有如下特性。

（1）數量龐大，結構復雜，同分異構現象普遍存在　構成有機物的主要元素種類不多，但有機物的數量卻非常龐大。據估計，目前世界上有機物的數量已超過1000萬種，而且這個數量還在與日俱增，幾乎每天至少有一種新的有機物被合成或被發現。但是由100多種元素構成的無機物的數量迄今僅有十幾萬種。有機物數量龐大與其結構的復雜性密切相關。構成有機物主體的碳原子不但數目可以很多，而且相互結合能力較強，可以以單健、雙鍵或三鍵相連，還可以相互連接成不同形式的碳鏈或碳環。這樣就導致有機物普遍存在同分異構現象，所謂同分異構現象是指有機化合物分子式相同，但結構式不同，從而性質各異的現象。這些都是造成有機物數量龐大和結構復雜的原因。

例如，乙醇和甲醚，互為同分異構體，分子式均為C2H6O，但它們的結構不同（見圖1-1），因而物理性質［如沸點（b.p.）］和化學性質也不相同。由于在有機化學中普遍存在同分異構現象，故在有機化學中不能只用分子式來表示某一有機化合物，必須使用構造式或構型式。

（2）容易燃燒　除少數例外，幾乎所有的有機物都能燃燒，生成二氧化碳和水，同時放出大量熱量。而大多數無機物，如酸、堿、鹽或氧化物等都不能燃燒。因此有時采用灼燒試驗區別有機物和無機物。

（3）熔點和沸點較低，熱穩定性較差　有機物分子中的化學鍵一般是共價鍵，而無機物中一般是離子鍵。有機物分子之間相互作用力是范德華（van der Waals）力，而無機物分子之間是靜電引力，這就決定了有機物通常以分子狀態存在，分子間的吸引力主要是微弱的范德華力，所以有機物的熔、沸點較低，受熱易分解。而無機物如酸、堿、鹽等都是離子型化合物，正、負離子之間靜電吸引力很強，離子排列比較整齊，要破壞這種引力需要較高的能量，因此無機物的熔、沸點較高，熱穩定性較好。

一般來說，純的有機物都有固定的熔點和沸點，熔點和沸點是有機物非常重要的物理常數，人們常利用測定熔點和沸點的來鑒定有機物。

（4）難溶于水、易溶于有機溶劑　溶解是一個復雜的過程，一般服從“相似相溶原理”規律。有機物是以共價鍵相連的碳鏈或碳環，一般是弱極性或非極性的化合物，而水是一種強極性物質，故大多數有機物在水中的溶解度都很小，易溶于非極性或極性較弱的有機溶劑中，而極性較強的無機物大多易溶于水，不易溶于有機溶劑。因此，有機化學反應常在有機溶劑中進行，而無機化學反應常在水中進行。

（5）反應速率慢，副反應多且產物復雜　無機物的反應一般都是離子型反應，反應速率非常快，幾乎無法測定。例如，下列反應在瞬間完成且產物單純。

AgNO3+NaCl→AgCl↓+NaNO3

而大多數有機物的反應，包括原共價鍵斷裂和新共價鍵形成的過程，所以反應速率通常較慢，一般需要幾小時，甚至幾十小時才能完成。因此，常采用加熱、加壓、光照、攪拌或加催化劑等措施來加速有機反應的進行。

在有機反應中，反應中心往往不局限于有機物分子的某一固定部位，而是可以在不同部位同時發生反應，得到多種產物。而且反應生成的初級產物還可能繼續發生反應，得到進一步的產物。因此，常把某一反應中產率較高的產物稱為主要產物，產率較低的產物稱為副產物。為了提高主產物的產率，控制好反應條件是十分必要的。由于經反應得到的產物是混合物，故還需要經過分離、提純等步驟，才能獲得較純凈的有機物。在書寫有機反應方程式時，常采用箭頭，而不用等號，一般只寫出主要反應及其產物，并在箭頭上標明反應的必要條件。反應方程式一般不需要配平，只是在需要計算理論產率時，有機反應才要求配平。

1.1.4　有機化合物的分子結構和結構式

原子按照一定的鍵合順序和空間排列而結合在一起的整體，稱為分子。這種鍵合順序和空間排列關系稱為分子結構。由于分子內原子間的相互作用，分子的物理和化學性質不僅取決于其組成原子的種類和數目，更取決于分子的結構（例如，同分異構體等）。因此，可以根據有機化合物的結構預測其性質，也可以根據物質的性質推測其結構。

分子結構通常用結構式表示，結構式是分子結構的化學表示式。一般使用的結構式有短線式（見圖1-1，乙醇和甲醚的表示式）、縮簡式和鍵線式（如表1-1）。短線式書寫不便，一般只在闡明反應機理時才使用；對于開鏈化合物，習慣用縮簡式表示；環狀化合物通常用鍵線式表示；如果結構中同時含有碳鏈和碳環，則采用縮簡式和鍵線式相結合的結構式。需要指出的是，書寫鍵線式時，用短線表示化學鍵，拐角和線端表示碳原子。除氫原子外，與碳相連的其他原子（如O,N,S等）或基團，需用元素符號或縮寫符號表示。

需要指出的是，上述書寫的結構式并不能完全代表分子的真實結構。分子結構包括組成分子的原子彼此間的連接順序（即分子的構造）以及各原子在空間的相對位置（即分子的構型和構象），因此上述書寫的表示分子結構的化學式，嚴格意義上講應稱為構造式。