第1章 绪论
1.1 有机化合物和有机化学
1.1.1 有机化合物
有机化合物就是含碳的化合物。除碳以外，有机化合物常含有的元素还有氢、氧、氮、磷、硫、卤素等。有机化学就是研究有机化合物的来源、制备、性质、结构、应用以及有关理论的科学。在我们所生存的这个星球上，但凡有生命的东西，无论属于动物还是植物，都是由含碳的化合物作为基本“材料”构筑而成的。
碳元素本身及其简单的化合物，例如CO、CO2、CS2、碳酸盐、金属羰基化合物，以及HCN、氰酸、硫氰酸、异氰酸、异硫氰酸及相应的盐等，虽然含有碳元素，仍被看作典型的无机化合物。
许多有机化合物还含有钙、铁、镁、钴等金属。另外，一些化合物虽然不含有碳或氢，如四氟乙烯、硼烷等，甚至既不含碳也不含氢（如氮化硼B3N3），但具有典型有机化合物的性质，也归属有机化合物。原则上，除了稀有气体以外，元素周期表中几乎所有的元素，都能参与有机化合物的形成。
由于碳在周期表中的特殊位置，其外层有四个价电子（2s22p2），既难失去四个电子形成C4+，也难以得到四个电子形成C4-，而容易形成较为稳定的共价键，且分子骨架可以连成直链、支链以及各种大小的环，同分异构现象十分普遍。所以有机化合物所含元素的种类虽然不多，形成的数量却十分惊人。据美国《化学文摘》（CA）统计，在全部已知的数千万种化合物中，至少90%为有机化合物。
1.1.2 有机化学发展概述
有机化学作为一门科学，产生于19世纪初。1777年，瑞典化学家T. O. Bergman （1735—1784）将从动植物体内得到的物质称为有机物，以区别于主要来自矿物质的无机物。1808年，瑞典化学家J. Berzelius （1779—1848）首先使用了“有机化学”这一名称。虽然仅跨越了不过两百多年的里程，然而人类对于有机物的认识、应用已有数千年的历史。3000多年前，世界文明古国中国、埃及、印度，就知道使用香料参与当时的人类社会活动。公元前2500年，埃及人已经利用石蕊、茜素蓝作为天然染料。据记载，我国早在夏禹时已开始酿酒、制醋。我国古代曾制取到一些较纯的有机物质，例如没食子酸（982—992）、乌头碱（1522年以前）、甘露醇（1037—1101）等。16世纪后期，西欧制得了乙醚、氯乙烷等。到了18世纪中期，以瑞典化学家C. W. Scheele （1742—1786）为代表的化学家，先后从动、植物中分离分析了草酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、乳酸、尿酸、吗啡等许多重要的有机物。
大量有机物的发现，促使人们对物质进行分类，以便于研究。从有生命的动植物体内获得的物质具有许多共性，且与当时从无生命的矿物中得到的物质有明显的区别。因此，根据自然来源和性质的不同，而将其区分为无机物和有机物。以有机物为研究的对象，形成了有机化学这一化学学科的分支。由于时代的局限性，Berzelius曾错误地提出，有机物只能借助一种特殊的“生命力”（vital force）作用才能生成，有机物只能从动植物有机体中得到，而人工是无法合成的，无形中在无机物和有机物之间划了一条不可逾越的鸿沟，这一错误思想严重束缚了有机化学的发展。
1824年，年仅25岁的德国化学家F. Wöhler （1800—1882）将氯化铵和氰酸银的溶液混合，试图制备氰酸铵。但滤除AgCl沉淀后，蒸发生成的氰酸铵溶液，得到了一种白色晶体。经过四年的反复验证，确认这种白色晶体是尿素。
1828年，Wöhler发表了《论尿素的人工合成》的论文。尿素是H. Rouelle在1773年从人尿中分离得到的一种重要的代谢物，属于典型的有机物。氰酸铵能够转变为尿素，说明有机物能够由无机物在实验室中合成，从而极大程度上颠覆了长期统治人们思想的“生命力”学说。此后数十年间，许多有机化学家和生物化学家又以大量的事实，将有机物与无机物之间的天堑填平，彻底将“生命力”学说摈弃。随着“生命力”学说的彻底否定，有机化学进入了一个迅速发展的时期，并逐步建立了经典的有机结构理论。
1857年，德国化学家F. A. Kekülé （1829—1896） 提出有机化合物分子中碳原子是四价的概念，翌年又提出了碳原子间可以相连成链状的学说。1865年，进一步确立了苯的环状结构学说。
1874年，荷兰化学家J. H. Van’t Hoff 和法国化学家J. A. Le Bel 分别发表了碳原子的正四面体结构理论，将旋光异构体问题与有机分子中碳的空间结构相联系，从而奠定了立体化学的基础。
化学家在19世纪后期，合成了一系列重要的有机化合物。比较有代表性的有：1856年在英国任教的德国人W. H. Perkin （1838—1907）在试图合成具有抗疟疾特效药物喹啉时，意外地得到了一种污浊的黑色沉淀物质，后来证实其可用作染料，这就是第一种人工合成染料苯胺紫。Perkin后来开办了世界上第一家合成染料工厂，促进了有机化学理论研究和工业应用的联系。1868年Perkin用水杨酸合成香豆素获得成功，这是第一个人工合成的天然香料。德国化学家Julius Wilbrand（1839—1906）在1863年报道了甲苯硝化合成2，4，6-三硝基甲苯（TNT）。TNT作为烈性炸药，1891年开始用于军事，并在两次世界大战中发挥威力。实践证明，根本不存在什么神秘不可知的“生命力”，有机化合物是可以人工合成的。但是，由于有机物与当时已知的无机物在性质、研究方法上都有较大差别，因而有机化合物作为这类物质的名称，仍被沿用，只不过其内涵发生了根本变化。
1917年，美国化学家G. N. Lewis （1875—1946）将物理学中的电子理论用来解释化学键的本质，从而揭示了原子和基团的电子效应对有机分子反应活性的影响。1926年后，E. Hückel （1896—1980）用量子化学的方法处理不饱和化合物的成键问题以及芳香性问题，取得了巨大成功。随着基团空间效应的揭示以及构象分析的发展，有机结构理论日趋完善。
在此期间，有机化合物新的分离、分析手段不断出现。经过几十年的发展，色谱、紫外光谱、核磁共振、红外、质谱、同位素技术、X射线衍射，以至近年的毛细管电泳技术等已成为有机化学家的常规手段，分析测试时间大大缩短，所需样品量可以少至毫克乃至微克，检出的灵敏度可达10-6、10-9级。
合成有机化学在20世纪同样也取得了惊人的成就。奎宁碱、胆固醇、马钱子碱、利血平、紫杉醇等许多结构复杂的有机化合物被一一合成。20世纪60年代末R.B.Woodward （1917—1979）和A. Eschenmoser等合作完成的维生素B12的全合成以及1989年美国Y. Kishi等的海葵毒素的合成，可看作是有机合成领域里程碑式的成就。尤其是后者，有71个手性中心和7个双键，可能的异构体数目多达271个，因此，有人将其全合成誉为合成化学中一项攀登珠穆朗玛峰式的成就。
1965年9月，我国科学工作者经过六年九个月的艰苦工作，在世界上第一次用人工的方法合成了一种具有生物活力的蛋白质——结晶胰岛素。1981年11月，中科院上海生物化学研究所等单位，经过13年的努力，完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成。这些重要成就标志着我国在人工合成生物大分子的研究方面居于世界先进行列。
特别值得一提的是，以屠呦呦为代表的我国科学家于1969～1972年间，发现并从复合花序植物黄花蒿（Artemisia annua L.，即中药青蒿）中提取得到了青蒿素 （artemisinin），这是一种用于治疗疟疾的药物，挽救了全球特别是发展中国家数以百万人的生命。2015年10月，屠呦呦由于青蒿素的研究而荣获诺贝尔生理学或医学奖。屠呦呦成为首位获科学类诺贝尔奖的中国人。
20世纪90年代以后，计算机技术广泛应用于化学研究的各个方面。以分子力学、半经验的量子化学计算以及从头计算方法对有机分子进行的分子模拟（molecular modeling）已逐渐成为有机化学工作者的得力助手。
经过200多年的发展，有机化学已经成为一门比较成熟但仍在迅速发展，充满机会与挑战、富有活力的学科。从1901年到现在所颁发的诺贝尔化学奖来看（其中有8届因为战争未颁发），就有70多届的内容与有机化学有关。人们的现代生活中也处处可以感受到有机化学的成就。
1.1.3 有机化合物的主要特征
已知的数千万种有机化合物，其性质千差万别，各不相同。我们可以根据有机分子中原子一般以共价键相结合，分子晶格间以分子间力为主，比离子间力和原子间力弱很多，对其一般特征与无机物进行比较。
①大多数有机物具有可燃性，燃烧后可生成二氧化碳和水，同时释放出能量。可利用这一性质来初步区别有机物和无机物。
②有机化合物一般具有较低的沸点、熔点，易挥发，有特殊气味，固体有机物熔点多在30～300℃之间，很少有超过400℃的。
③除低分子量的醇、胺、羧酸、醛、酮、腈以及单糖外，一般有机物均难溶于水，易溶于有机溶剂。究其原因，水是一种极性较强、介电常数很大的液体，故极性较强的无机物易溶于水中，而有机物一般为非极性或极性较弱的化合物，所以多数难溶于水中。
④有机化学反应主要为分子反应，速度较慢，常需要数小时乃至几天甚至几周才能完成，不像无机物的离子反应那样在瞬间就可以完成。
⑤有机物分子比较复杂，常包含多个可以起反应的部位，反应历程也复杂，容易受外界条件如温度、压力、催化剂以及其他物理因素（光、超声、微波）的影响。有机反应常伴有副反应发生，产生复杂的混合物使期望得到反应产物（或称主产物）的量大大降低。通常一个有机反应若能达到70%～80%的产率，就能令人满意，而大多数无机反应可以定量地进行。由于产物复杂，所以有机物的分离提纯技术在有机化学研究中占有重要的地位。
当然，这些只是对有机物的一个粗略的、总体的描述，存在相当多的例外。例如，四氯化碳不仅不能燃烧，还可用作灭火剂；2，4，6-三硝基甲苯（TNT）可以进行爆炸式的反应。随着新的实验技术的发展和应用，例如微波、超声波、光化学、催化等技术在有机化学中的应用，有机反应的转化率以及选择性得以极大地提高。
1.1.4 有机化学的研究内容
有机化学是一门实验和理论并重的基础学科。有机化学已延伸到国民经济的各个领域，成为和衣食住行密切相关的一门科学。它与我们生活的方方面面息息相关，研究内容极其广泛。包括发现新的现象，合成和寻找新的具有特定功能的有机物，发展新的合成方法、合成技巧，开发新的有机化学反应等。还包括探索新的规律，例如结构与性质的关系以及反应机理、为国民经济和科学技术的发展而开发新的先进材料，以及推动生命科学与有机化学的结合，探索生命的奥秘等。
在有机化学的发展过程中，根据研究的具体内容及方法侧重点的不同，逐步形成了有机合成化学、天然产物化学、物理有机化学、生物有机化学、金属与元素有机化学以及有机物分离分析等分支学科。
应该看到，以上这些学科分类只是相对的，实际研究工作可能包括有机化学的许多方面。化学作为一个整体，有机化学和无机化学、分析化学、物理化学、生物化学、高分子化学等都是相互联系，相互渗透，相互促进的。有机化学与生命科学、材料科学、环境科学等相互交叉和渗透，并在其中发挥越来越重要的作用。有机化学家不再注重创造新分子，而更关注分子的功能；有机合成的选择性、原子经济性和绿色技术成为研究的热点、前沿。精细化工产品许多方面，如药物、农药、香料、染料、助剂、功能材料都离不开有机化学的发展。
有机化学是医学、生命科学各专业的一门重要基础课程，也是后续多门专业课程的知识基础。医学研究的主要目的是防病、治病，提高人类的生活质量，研究的对象是组成成分复杂的人体。组成人体的物质除水（占人体体重的60%～75%）和一些无机盐（占体重的百分数为2%～6%）以外，绝大部分是有机物，主要为蛋白质、脂质和糖类化合物，作为有机物组成元素的碳在人体元素成分表中含量约为18%。以一个70 kg重的成年男子为例，除了水分，含糖类化合物约3 kg，脂肪7 kg，蛋白质12 kg，而无机矿物盐约3 kg。
构成人体组织的蛋白质，与体内代谢有密切关系的酶、激素和维生素，人体储藏的养分——糖原、脂肪等，这些有机化合物在体内进行着一系列复杂的变化（也包括化学变化），以维持体内新陈代谢作用的平衡。为了防治疾病，除了研究病因以外，还要了解药物在体内的变化，它们的结构与药效、毒性的关系，这些都与有机化学密切相关。有机化学作为医学课程的一门基础课，它为生物化学、药理学、免疫学、遗传学、卫生学、分子生物学、临床诊断等提供必要的基础知识。生物机体的各种生化代谢过程，以及各种生物转化过程，实际上就是机体内一系列复杂的有机化学反应过程。从分子水平上认识生命过程，必须借助于有机化学的理论，用有机化学的语言进行描述。只有掌握了有机化合物结构与性质的关系，才能认识蛋白质、核酸、糖类化合物以及酶等重要生命物质的结构和功能，深刻认识生命现象的化学本质， 在分子水平上深入认识和研究探索生命的奥秘。
有机化学与人类的生产和生活有着十分密切的关系，有机化学的发展有赖于人们日益增长的物质生活需求。它涉及数目众多的天然物质和合成物质，这些物质直接影响我们的衣、食、住、行。利用有机化学可以制造出无数种在生活和生产方面不可缺少的产品。我们穿的衣服，使用的汽油、柴油、橡胶、塑料、涂料、染料、香料以及杀虫剂、昆虫信息素等许多产品都是有机化合物。这种密切的关系会明显地反映在有机化学这门内容丰富的课程中。学好有机化学这门大学化学的基础课程，一定能大有作为。