1　绪论

1.1　有机化学和有机化合物

有机化学是研究有机化合物的科学，即研究有机化合物的组成、结构、性质及其变化规律的科学，是化学学科的重要分支，是有机化学工业的理论基础。不论是化学工业、能源工业、材料工业，还是电子工业、国防工业、生命科学的发展，都离不开有机化学。有机化合物在组成上通常都含有碳和氢两种元素，在结构上可看作碳氢化合物分子中的氢原子被其他原子或基团取代后得到的衍生物，因此有机化合物可定义为碳氢化合物及其衍生物。有机化合物大量存在于自然界中（如粮、油、棉、麻、毛、丝、木材、糖、蛋白质、农药、塑料、染料、香料、医药和石油等），与人们的衣、食、住、行等日常生活密切相关，是人们生活中一刻也离不开的物质。

1.1.1　有机化学的产生和发展

有机化学的发展历史与无机化学相比要短得多，迄今约200年。19世纪初期当化学刚刚成为一门学科的时候，由于当时的有机物都是从动植物——即有生命的物体中取得的，而它们与由矿物界得到的矿石、金属、盐类等物质在组成和性质上又有较大的区别，更重要的是当时人们对生命现象的本质缺乏认识，认为有机物是不能用人工方法合成的，而只能由“生命力”所创造，因此将化学物质根据来源分成无机物与有机物两大类。“有机”这个名称也由此而来，意思是指“有生机之物”。1806年，瑞典化学家BerzeliusJ.首先使用了“有机化学”这个词。随着科学的发展，越来越多的原来由生物体中取得的有机物，可以用人工的方法合成，而无需借助于“生命力”。但“有机”这个名称却被保留下来。由于有机化合物数目繁多，在结构和性质上又有许多共同的特点，因此有机化学逐渐发展成为一门独立的学科。

1828年，德国化学家Wöhler在研究氰酸盐的过程中，意外地发现了用无机物氯化铵和氰酸银一起加热，可以制得有机物尿素。这是世界上第一次在实验室中从无机物制得有机物。毫无疑问，Wöhler的这一伟大发现，是对“生命力学说”的有力冲击，打破了无机物和有机物绝对分明的界限，开辟了人工合成有机物的新纪元，是有机化学发展史上的一个重要里程碑。

19世纪中叶，化学家们陆续合成了相当多的有机物。1845年，德国化学家Kolber A.W.H.合成了醋酸；1854年，法国化学家Berthelot P.E.M.合成了油脂；1861年，俄国化学家Butlerov A.M.合成了糖等。此后，许多天然有机化合物被合成出来，许多自然界中不存在的有机物也被制造出来。自此“生命力学说”被彻底否定，开创了合成有机化合物的新时代。

1858年，德国化学家KekuléF.A.和英国化学家Couper A.S.提出价键学说，奠定了分子结构的基础理论；1861年，Butlerov A.M.提出化学结构的概念，指出原子间存在相互影响；1865年，Kekulé F.A.提出苯的环状结构学说；1874年，荷兰化学家van'tHoff J.H.和法国化学家LeBel J.A.提出饱和碳原子的四面体构型学说，开创了有机化合物的立体化学研究；1916年，美国化学家Lewis G.N.用电子对的方法说明化学键的生成；1926年，德国化学家Heitler W.和London F.等人阐明了化学键的微观本质，建立了量子化学；1931年，德国物理化学家Hückel E.用量子化学方法研究不饱和化合物和芳香化合物的结构；1933年，英国化学家Ingold C.K.用化学动力学方法研究饱和碳原子上的取代反应机理；1943年，Hassel D.和Barton D.H.R.提出的构象分析方法，使人们对有机反应中分子的动态有了新的认识。20世纪60年代，各种光谱分析方法的应用为有机分子结构的测定提供了强有力的手段，同时热力学和动力学方法以及同位素标记法的应用，极大地帮助了化学家对化学反应详细历程的理解。这些工作对有机化学的发展都起到了重要作用。

有机合成艺术大师WoodWard R.B.在20世纪中叶，不仅成功合成了叶绿素和维生素B12，还与Hofmann R.H.共同发现了分子轨道对称守恒原理，成功说明和预言了具有环状过渡态的协同反应；1967年，Corey E.J.首次提出了合成子的概念，并于1985年系统地提出了可普遍适用于各类复杂分子全合成的分析策略；1989年哈佛大学的Kishi对海葵毒素（palytoxin）进行了全合成研究，该化合物有64个手性中心，其可能的异构体数为271个。海葵毒素的全合成成功，被认为是有机合成中的珠穆朗玛峰，标志着当今有机化学的理论和方法已发展到相当高的水平。

我国在有机化学发展中也起到了许多重要作用。1965年，我国成功地运用人工方法合成了世界上第一个具有生物活性的蛋白质——结晶牛胰岛素；1981年，我国成功地合成了分子量约为26000、具有与天然分子相同结构和完整生物活性的酵母丙氨酸转移核糖核酸；2000年，我国科学家在国际人类基因组计划工程中，成功地破译了人类3号染色体部分遗传密码，标志着我国在蛋白质和核酸的研究方面已进入世界先进行列。

1.1.2　有机化学的研究对象

自然界中的化合物按其组成和性质的异同，在化学上可以分为两大类：无机化合物（简称无机物）和有机化合物（简称有机物）。以前所认识的化合物，如盐酸、氢氧化钠、氯化钠、碳酸钙等，都属于无机物。而人们吃的饭菜、穿的衣服、用的纸张以及大多数中西药物等，都是由有机物构成的。在自然界中，有机物不但广泛存在，而且同人类的关系极为密切，一切生物过程都离不开有机化合物。

一些简单的有机物，如甲烷（CH4）、乙烯（）、乙炔（CH≡CH）、苯（C6H6）、酒精（C2H5OH）、醋酸（CH3COOH）、葡萄糖（C6H12O6）等都是人们所熟悉的。这些化合物的元素组成有一个共同的特点即都含有碳元素，因此，GmelinL.等认为有机物就是含碳的化合物，有机化学就是研究含碳化合物的化学。但是一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和碳酸盐（）等含碳化合物仍属于无机物。另外从上述列举的有机物分子式中可以看出，绝大部分有机物都含有氢元素，而且许多有机物除了含碳、氢元素外，还含有氧、氮、硫、磷和卤素等。因此，SchörlemmerC.等认为有机物就是碳氢化合物及其衍生物，有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学。

通常，把只含有碳、氢两种元素的化合物称为烃，因而有机化合物亦称为烃及其衍生物。有机化学就是研究烃及其衍生物的组成、结构、性质及其变化规律的科学。

1.1.3　有机化合物的特性

与无机物相比，有机物一般具有如下特性。

（1）数量庞大，结构复杂，同分异构现象普遍存在　构成有机物的主要元素种类不多，但有机物的数量却非常庞大。据估计，目前世界上有机物的数量已超过1000万种，而且这个数量还在与日俱增，几乎每天至少有一种新的有机物被合成或被发现。但是由100多种元素构成的无机物的数量迄今仅有十几万种。有机物数量庞大与其结构的复杂性密切相关。构成有机物主体的碳原子不但数目可以很多，而且相互结合能力较强，可以以单健、双键或三键相连，还可以相互连接成不同形式的碳链或碳环。这样就导致有机物普遍存在同分异构现象，所谓同分异构现象是指有机化合物分子式相同，但结构式不同，从而性质各异的现象。这些都是造成有机物数量庞大和结构复杂的原因。

例如，乙醇和甲醚，互为同分异构体，分子式均为C2H6O，但它们的结构不同（见图1-1），因而物理性质［如沸点（b.p.）］和化学性质也不相同。由于在有机化学中普遍存在同分异构现象，故在有机化学中不能只用分子式来表示某一有机化合物，必须使用构造式或构型式。

（2）容易燃烧　除少数例外，几乎所有的有机物都能燃烧，生成二氧化碳和水，同时放出大量热量。而大多数无机物，如酸、碱、盐或氧化物等都不能燃烧。因此有时采用灼烧试验区别有机物和无机物。

（3）熔点和沸点较低，热稳定性较差　有机物分子中的化学键一般是共价键，而无机物中一般是离子键。有机物分子之间相互作用力是范德华（van der Waals）力，而无机物分子之间是静电引力，这就决定了有机物通常以分子状态存在，分子间的吸引力主要是微弱的范德华力，所以有机物的熔、沸点较低，受热易分解。而无机物如酸、碱、盐等都是离子型化合物，正、负离子之间静电吸引力很强，离子排列比较整齐，要破坏这种引力需要较高的能量，因此无机物的熔、沸点较高，热稳定性较好。

一般来说，纯的有机物都有固定的熔点和沸点，熔点和沸点是有机物非常重要的物理常数，人们常利用测定熔点和沸点的来鉴定有机物。

（4）难溶于水、易溶于有机溶剂　溶解是一个复杂的过程，一般服从“相似相溶原理”规律。有机物是以共价键相连的碳链或碳环，一般是弱极性或非极性的化合物，而水是一种强极性物质，故大多数有机物在水中的溶解度都很小，易溶于非极性或极性较弱的有机溶剂中，而极性较强的无机物大多易溶于水，不易溶于有机溶剂。因此，有机化学反应常在有机溶剂中进行，而无机化学反应常在水中进行。

（5）反应速率慢，副反应多且产物复杂　无机物的反应一般都是离子型反应，反应速率非常快，几乎无法测定。例如，下列反应在瞬间完成且产物单纯。

AgNO3+NaCl→AgCl↓+NaNO3

而大多数有机物的反应，包括原共价键断裂和新共价键形成的过程，所以反应速率通常较慢，一般需要几小时，甚至几十小时才能完成。因此，常采用加热、加压、光照、搅拌或加催化剂等措施来加速有机反应的进行。

在有机反应中，反应中心往往不局限于有机物分子的某一固定部位，而是可以在不同部位同时发生反应，得到多种产物。而且反应生成的初级产物还可能继续发生反应，得到进一步的产物。因此，常把某一反应中产率较高的产物称为主要产物，产率较低的产物称为副产物。为了提高主产物的产率，控制好反应条件是十分必要的。由于经反应得到的产物是混合物，故还需要经过分离、提纯等步骤，才能获得较纯净的有机物。在书写有机反应方程式时，常采用箭头，而不用等号，一般只写出主要反应及其产物，并在箭头上标明反应的必要条件。反应方程式一般不需要配平，只是在需要计算理论产率时，有机反应才要求配平。

1.1.4　有机化合物的分子结构和结构式

原子按照一定的键合顺序和空间排列而结合在一起的整体，称为分子。这种键合顺序和空间排列关系称为分子结构。由于分子内原子间的相互作用，分子的物理和化学性质不仅取决于其组成原子的种类和数目，更取决于分子的结构（例如，同分异构体等）。因此，可以根据有机化合物的结构预测其性质，也可以根据物质的性质推测其结构。

分子结构通常用结构式表示，结构式是分子结构的化学表示式。一般使用的结构式有短线式（见图1-1，乙醇和甲醚的表示式）、缩简式和键线式（如表1-1）。短线式书写不便，一般只在阐明反应机理时才使用；对于开链化合物，习惯用缩简式表示；环状化合物通常用键线式表示；如果结构中同时含有碳链和碳环，则采用缩简式和键线式相结合的结构式。需要指出的是，书写键线式时，用短线表示化学键，拐角和线端表示碳原子。除氢原子外，与碳相连的其他原子（如O,N,S等）或基团，需用元素符号或缩写符号表示。

需要指出的是，上述书写的结构式并不能完全代表分子的真实结构。分子结构包括组成分子的原子彼此间的连接顺序（即分子的构造）以及各原子在空间的相对位置（即分子的构型和构象），因此上述书写的表示分子结构的化学式，严格意义上讲应称为构造式。