1　緒論

1.1　有機(jī)化學(xué)和有機(jī)化合物

有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的科學(xué)，即研究有機(jī)化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)，是化學(xué)學(xué)科的重要分支，是有機(jī)化學(xué)工業(yè)的理論基礎(chǔ)。不論是化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、材料工業(yè)，還是電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、生命科學(xué)的發(fā)展，都離不開有機(jī)化學(xué)。有機(jī)化合物在組成上通常都含有碳和氫兩種元素，在結(jié)構(gòu)上可看作碳?xì)浠衔锓肿又械臍湓颖黄渌踊蚧鶊F(tuán)取代后得到的衍生物，因此有機(jī)化合物可定義為碳?xì)浠衔锛捌溲苌铩Ｓ袡C(jī)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(zhì)、農(nóng)藥、塑料、染料、香料、醫(yī)藥和石油等），與人們的衣、食、住、行等日常生活密切相關(guān)，是人們生活中一刻也離不開的物質(zhì)。

1.1.1　有機(jī)化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展

有機(jī)化學(xué)的發(fā)展歷史與無機(jī)化學(xué)相比要短得多，迄今約200年。19世紀(jì)初期當(dāng)化學(xué)剛剛成為一門學(xué)科的時(shí)候，由于當(dāng)時(shí)的有機(jī)物都是從動(dòng)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(zhì)在組成和性質(zhì)上又有較大的區(qū)別，更重要的是當(dāng)時(shí)人們對(duì)生命現(xiàn)象的本質(zhì)缺乏認(rèn)識(shí)，認(rèn)為有機(jī)物是不能用人工方法合成的，而只能由“生命力”所創(chuàng)造，因此將化學(xué)物質(zhì)根據(jù)來源分成無機(jī)物與有機(jī)物兩大類。“有機(jī)”這個(gè)名稱也由此而來，意思是指“有生機(jī)之物”。1806年，瑞典化學(xué)家BerzeliusJ.首先使用了“有機(jī)化學(xué)”這個(gè)詞。隨著科學(xué)的發(fā)展，越來越多的原來由生物體中取得的有機(jī)物，可以用人工的方法合成，而無需借助于“生命力”。但“有機(jī)”這個(gè)名稱卻被保留下來。由于有機(jī)化合物數(shù)目繁多，在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上又有許多共同的特點(diǎn)，因此有機(jī)化學(xué)逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。

1828年，德國(guó)化學(xué)家W?hler在研究氰酸鹽的過程中，意外地發(fā)現(xiàn)了用無機(jī)物氯化銨和氰酸銀一起加熱，可以制得有機(jī)物尿素。這是世界上第一次在實(shí)驗(yàn)室中從無機(jī)物制得有機(jī)物。毫無疑問，W?hler的這一偉大發(fā)現(xiàn)，是對(duì)“生命力學(xué)說”的有力沖擊，打破了無機(jī)物和有機(jī)物絕對(duì)分明的界限，開辟了人工合成有機(jī)物的新紀(jì)元，是有機(jī)化學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。

19世紀(jì)中葉，化學(xué)家們陸續(xù)合成了相當(dāng)多的有機(jī)物。1845年，德國(guó)化學(xué)家Kolber A.W.H.合成了醋酸；1854年，法國(guó)化學(xué)家Berthelot P.E.M.合成了油脂；1861年，俄國(guó)化學(xué)家Butlerov A.M.合成了糖等。此后，許多天然有機(jī)化合物被合成出來，許多自然界中不存在的有機(jī)物也被制造出來。自此“生命力學(xué)說”被徹底否定，開創(chuàng)了合成有機(jī)化合物的新時(shí)代。

1858年，德國(guó)化學(xué)家KekuléF.A.和英國(guó)化學(xué)家Couper A.S.提出價(jià)鍵學(xué)說，奠定了分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論；1861年，Butlerov A.M.提出化學(xué)結(jié)構(gòu)的概念，指出原子間存在相互影響；1865年，Kekulé F.A.提出苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)學(xué)說；1874年，荷蘭化學(xué)家van'tHoff J.H.和法國(guó)化學(xué)家LeBel J.A.提出飽和碳原子的四面體構(gòu)型學(xué)說，開創(chuàng)了有機(jī)化合物的立體化學(xué)研究；1916年，美國(guó)化學(xué)家Lewis G.N.用電子對(duì)的方法說明化學(xué)鍵的生成；1926年，德國(guó)化學(xué)家Heitler W.和London F.等人闡明了化學(xué)鍵的微觀本質(zhì)，建立了量子化學(xué)；1931年，德國(guó)物理化學(xué)家Hückel E.用量子化學(xué)方法研究不飽和化合物和芳香化合物的結(jié)構(gòu)；1933年，英國(guó)化學(xué)家Ingold C.K.用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法研究飽和碳原子上的取代反應(yīng)機(jī)理；1943年，Hassel D.和Barton D.H.R.提出的構(gòu)象分析方法，使人們對(duì)有機(jī)反應(yīng)中分子的動(dòng)態(tài)有了新的認(rèn)識(shí)。20世紀(jì)60年代，各種光譜分析方法的應(yīng)用為有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定提供了強(qiáng)有力的手段，同時(shí)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法以及同位素標(biāo)記法的應(yīng)用，極大地幫助了化學(xué)家對(duì)化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)歷程的理解。這些工作對(duì)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展都起到了重要作用。

有機(jī)合成藝術(shù)大師WoodWard R.B.在20世紀(jì)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(fā)現(xiàn)了分子軌道對(duì)稱守恒原理，成功說明和預(yù)言了具有環(huán)狀過渡態(tài)的協(xié)同反應(yīng)；1967年，Corey E.J.首次提出了合成子的概念，并于1985年系統(tǒng)地提出了可普遍適用于各類復(fù)雜分子全合成的分析策略；1989年哈佛大學(xué)的Kishi對(duì)海葵毒素（palytoxin）進(jìn)行了全合成研究，該化合物有64個(gè)手性中心，其可能的異構(gòu)體數(shù)為271個(gè)。海葵毒素的全合成成功，被認(rèn)為是有機(jī)合成中的珠穆朗瑪峰，標(biāo)志著當(dāng)今有機(jī)化學(xué)的理論和方法已發(fā)展到相當(dāng)高的水平。

我國(guó)在有機(jī)化學(xué)發(fā)展中也起到了許多重要作用。1965年，我國(guó)成功地運(yùn)用人工方法合成了世界上第一個(gè)具有生物活性的蛋白質(zhì)——結(jié)晶牛胰島素；1981年，我國(guó)成功地合成了分子量約為26000、具有與天然分子相同結(jié)構(gòu)和完整生物活性的酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸；2000年，我國(guó)科學(xué)家在國(guó)際人類基因組計(jì)劃工程中，成功地破譯了人類3號(hào)染色體部分遺傳密碼，標(biāo)志著我國(guó)在蛋白質(zhì)和核酸的研究方面已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

1.1.2　有機(jī)化學(xué)的研究對(duì)象

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

一些簡(jiǎn)單的有機(jī)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(gè)共同的特點(diǎn)即都含有碳元素，因此，GmelinL.等認(rèn)為有機(jī)物就是含碳的化合物，有機(jī)化學(xué)就是研究含碳化合物的化學(xué)。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(jī)物。另外從上述列舉的有機(jī)物分子式中可以看出，絕大部分有機(jī)物都含有氫元素，而且許多有機(jī)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(rèn)為有機(jī)物就是碳?xì)浠衔锛捌溲苌铮袡C(jī)化學(xué)是研究碳?xì)浠衔锛捌溲苌锏幕瘜W(xué)。

通常，把只含有碳、氫兩種元素的化合物稱為烴，因而有機(jī)化合物亦稱為烴及其衍生物。有機(jī)化學(xué)就是研究烴及其衍生物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)。

1.1.3　有機(jī)化合物的特性

與無機(jī)物相比，有機(jī)物一般具有如下特性。

（1）數(shù)量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同分異構(gòu)現(xiàn)象普遍存在　構(gòu)成有機(jī)物的主要元素種類不多，但有機(jī)物的數(shù)量卻非常龐大。據(jù)估計(jì)，目前世界上有機(jī)物的數(shù)量已超過1000萬種，而且這個(gè)數(shù)量還在與日俱增，幾乎每天至少有一種新的有機(jī)物被合成或被發(fā)現(xiàn)。但是由100多種元素構(gòu)成的無機(jī)物的數(shù)量迄今僅有十幾萬種。有機(jī)物數(shù)量龐大與其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性密切相關(guān)。構(gòu)成有機(jī)物主體的碳原子不但數(shù)目可以很多，而且相互結(jié)合能力較強(qiáng)，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(huán)。這樣就導(dǎo)致有機(jī)物普遍存在同分異構(gòu)現(xiàn)象，所謂同分異構(gòu)現(xiàn)象是指有機(jī)化合物分子式相同，但結(jié)構(gòu)式不同，從而性質(zhì)各異的現(xiàn)象。這些都是造成有機(jī)物數(shù)量龐大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原因。

例如，乙醇和甲醚，互為同分異構(gòu)體，分子式均為C2H6O，但它們的結(jié)構(gòu)不同（見圖1-1），因而物理性質(zhì)［如沸點(diǎn)（b.p.）］和化學(xué)性質(zhì)也不相同。由于在有機(jī)化學(xué)中普遍存在同分異構(gòu)現(xiàn)象，故在有機(jī)化學(xué)中不能只用分子式來表示某一有機(jī)化合物，必須使用構(gòu)造式或構(gòu)型式。

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

（3）熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較低，熱穩(wěn)定性較差　有機(jī)物分子中的化學(xué)鍵一般是共價(jià)鍵，而無機(jī)物中一般是離子鍵。有機(jī)物分子之間相互作用力是范德華（van der Waals）力，而無機(jī)物分子之間是靜電引力，這就決定了有機(jī)物通常以分子狀態(tài)存在，分子間的吸引力主要是微弱的范德華力，所以有機(jī)物的熔、沸點(diǎn)較低，受熱易分解。而無機(jī)物如酸、堿、鹽等都是離子型化合物，正、負(fù)離子之間靜電吸引力很強(qiáng)，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(jī)物的熔、沸點(diǎn)較高，熱穩(wěn)定性較好。

一般來說，純的有機(jī)物都有固定的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)是有機(jī)物非常重要的物理常數(shù)，人們常利用測(cè)定熔點(diǎn)和沸點(diǎn)的來鑒定有機(jī)物。

（4）難溶于水、易溶于有機(jī)溶劑　溶解是一個(gè)復(fù)雜的過程，一般服從“相似相溶原理”規(guī)律。有機(jī)物是以共價(jià)鍵相連的碳鏈或碳環(huán)，一般是弱極性或非極性的化合物，而水是一種強(qiáng)極性物質(zhì)，故大多數(shù)有機(jī)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(jī)溶劑中，而極性較強(qiáng)的無機(jī)物大多易溶于水，不易溶于有機(jī)溶劑。因此，有機(jī)化學(xué)反應(yīng)常在有機(jī)溶劑中進(jìn)行，而無機(jī)化學(xué)反應(yīng)常在水中進(jìn)行。

（5）反應(yīng)速率慢，副反應(yīng)多且產(chǎn)物復(fù)雜　無機(jī)物的反應(yīng)一般都是離子型反應(yīng)，反應(yīng)速率非常快，幾乎無法測(cè)定。例如，下列反應(yīng)在瞬間完成且產(chǎn)物單純。

AgNO3+NaCl→AgCl↓+NaNO3

而大多數(shù)有機(jī)物的反應(yīng)，包括原共價(jià)鍵斷裂和新共價(jià)鍵形成的過程，所以反應(yīng)速率通常較慢，一般需要幾小時(shí)，甚至幾十小時(shí)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(jī)反應(yīng)的進(jìn)行。

在有機(jī)反應(yīng)中，反應(yīng)中心往往不局限于有機(jī)物分子的某一固定部位，而是可以在不同部位同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，得到多種產(chǎn)物。而且反應(yīng)生成的初級(jí)產(chǎn)物還可能繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，得到進(jìn)一步的產(chǎn)物。因此，常把某一反應(yīng)中產(chǎn)率較高的產(chǎn)物稱為主要產(chǎn)物，產(chǎn)率較低的產(chǎn)物稱為副產(chǎn)物。為了提高主產(chǎn)物的產(chǎn)率，控制好反應(yīng)條件是十分必要的。由于經(jīng)反應(yīng)得到的產(chǎn)物是混合物，故還需要經(jīng)過分離、提純等步驟，才能獲得較純凈的有機(jī)物。在書寫有機(jī)反應(yīng)方程式時(shí)，常采用箭頭，而不用等號(hào)，一般只寫出主要反應(yīng)及其產(chǎn)物，并在箭頭上標(biāo)明反應(yīng)的必要條件。反應(yīng)方程式一般不需要配平，只是在需要計(jì)算理論產(chǎn)率時(shí)，有機(jī)反應(yīng)才要求配平。

1.1.4　有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)式

原子按照一定的鍵合順序和空間排列而結(jié)合在一起的整體，稱為分子。這種鍵合順序和空間排列關(guān)系稱為分子結(jié)構(gòu)。由于分子內(nèi)原子間的相互作用，分子的物理和化學(xué)性質(zhì)不僅取決于其組成原子的種類和數(shù)目，更取決于分子的結(jié)構(gòu)（例如，同分異構(gòu)體等）。因此，可以根據(jù)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)其性質(zhì)，也可以根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)推測(cè)其結(jié)構(gòu)。

分子結(jié)構(gòu)通常用結(jié)構(gòu)式表示，結(jié)構(gòu)式是分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)表示式。一般使用的結(jié)構(gòu)式有短線式（見圖1-1，乙醇和甲醚的表示式）、縮簡(jiǎn)式和鍵線式（如表1-1）。短線式書寫不便，一般只在闡明反應(yīng)機(jī)理時(shí)才使用；對(duì)于開鏈化合物，習(xí)慣用縮簡(jiǎn)式表示；環(huán)狀化合物通常用鍵線式表示；如果結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有碳鏈和碳環(huán)，則采用縮簡(jiǎn)式和鍵線式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)式。需要指出的是，書寫鍵線式時(shí)，用短線表示化學(xué)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(tuán)，需用元素符號(hào)或縮寫符號(hào)表示。

需要指出的是，上述書寫的結(jié)構(gòu)式并不能完全代表分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)。分子結(jié)構(gòu)包括組成分子的原子彼此間的連接順序（即分子的構(gòu)造）以及各原子在空間的相對(duì)位置（即分子的構(gòu)型和構(gòu)象），因此上述書寫的表示分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)式，嚴(yán)格意義上講應(yīng)稱為構(gòu)造式。