登陆注册
45078900000003

第3章 有机化学

有机化学又称碳化合物的化学,是研究有机化合物的来源、制备、结构、性质、应用以及有关理论的科学。

(第一节)有机化学的发展史

1806年,贝采里乌斯首次提出了“有机化学”这一名词,它是作为“无机化学”的对立物而命名的。19世纪初,许多化学家相信,在生物体内由于存在所谓“生命力”,才能产生有机化合物,而在实验室里是不能由无机化合物合成的。

1824年,德国化学家维勒由氰水解制得草酸;1828年他无意中用加热的方法又使氰酸铵转化为尿素。氰与氰酸铵都是无机化合物,而草酸与尿素都是有机化合物。维勒的实验结果给予“生命力”学说以第一次有力的冲击。此后,乙酸等有机化合物相继由碳、氢等元素合成,“生命力”学说才逐渐被人们抛弃。

由于合成方法的改进与发展,越来越多的有机化合物不断地在实验室中合成出来。其中,绝大部分是在和生物体内迥然不同的条件下合成出来的。“生命力”学说渐渐被抛弃了,“有机化学”这一名词却沿用至今。

从19世纪初到1858年提出价键概念之前是有机化学的萌芽时期。在这个时期,已经分离出许多有机化合物,制备了一些衍生物,并对它们作了定性描述。

法国化学家拉瓦锡发现,有机化合物燃烧后,产生二氧化碳与水。他的研究工作为有机化合物元素定量分析奠定了基础。1830年,德国化学家利比息发展了碳、氢分析法,1833年法国化学家杜马建立了氮的分析法。这些有机定量分析法的建立使化学家可以求得一个化合物的实验式。

当时化学家们在解决有机化合物分子中各原子是如何排列与结合的问题上,遇到了很大的困难。最初,有机化学用二元说来解决有机化合物的结构问题。二元说认为一个化合物的分子可分为带正电荷的部分与带负电荷的部分,二者靠静电力结合在一起。早期的化学家根据某些化学反应认为,有机化合物分子由在反应中保持不变的基团与在反应中起变化的基团按异性电荷的静电力结合,但这个学说本身有很大的矛盾。

类型说是由法国化学家热拉尔与洛朗建立。此说否认有机化合物是由带正电荷与带负电荷的基团组成,而认为有机化合物是由一些能够发生取代的母体化合物衍生的,因而能够按这些母体化合物来分类。类型说把众多有机化合物按不同类型分类,根据它们的类型不仅能够解释化合物的一些性质,而且可以预言一些新化合物。但类型说未能回答有机化合物的结构问题。

有机化合物按不同类型分类,根据它们的类型不仅能够解释化合物的一些性质,而且能够预言一些新化合物,但它还不可以回答有机化合物的结构问题。

从1858年价键学说的建立,到1916年价键的电子理论的引入,是经典有机化学时期。

1858年,英国化学家库珀与德国化学家凯库勒等提出价键的概念,并第一次用横杠“—”表示“键”。他们认为有机化合物分子是由其构成的原子通过键结合而成的。由于在所有已知的化合物中,一个氢原子只可以和一个别的元素的原子结合,氢就选作价的单位。一种元素的价数就是可以和这种元素的一个原子结合的氢原子的个数。凯库勒还提出,在一个分子中碳原子之间能够互相结合这一重要的概念。

1848年,巴斯德分离到两种酒石酸结晶,一种半面晶向左,可以使平面偏振光向左旋转;一种半面晶向右。则使偏振光向右旋转,角度相同。在对乳酸的研究中也遇到类似现象。为此,1874年法国化学家勒贝尔与荷兰化学家范托夫分别提出一个新的概念,完满地解释了这种异构现象。

他们认为:分子是个三维实体,碳的四个价键在空间是对称的,分别指向一个正四面体的四个顶点,碳原子则位于正四面体的中心。当碳原子和四个不同的原子或基团连接时,就产生一对异构体,它们互为实物与镜像,如左手与右手的手性关系,这一对化合物互为旋光异构体。勒贝尔与范托夫的学说,是有机化学中立体化学的基础。

1900年,第一个自由基——三苯甲基自由基被发现,这是个长寿命的自由基。不稳定自由基的存在也于1929年得到了证实。

在这个时期,有机化合物在结构测定以及反应与分类方面都取得很大发展,但价键只是化学家从实践经验得出的一种概念,价键的本质尚未解决。

在物理学家发现电子,并阐明原子结构的基础上,致力于研究现代有机化学时期的美国物理化学家路易斯等人于1916年提出价键的电子理论。

他们认为:各原子外层电子的相互作用是使各原子结合在一起的原因。相互作用的外层电子如从—个原子转移到另一个原子,则形成离子键;两个原子如果共用外层电子,则形成共价键。通过电子的转移或共用,使相互作用的原子的外层电子都获得惰性气体的电子构型。这样,价键的图像表示法中用来表示价键的横杠“—”,实际上是两个原子共用的一对电子。

1927年以后,海特勒与伦敦等用量子力学,处理分子结构问题,建立了价键理论,为化学键提出了一个数学模型。后来马利肯用分子轨道理论处理分子结构,其结果和价键的电子理论所得的大体一致,由于计算简便,解决了许多当时不能回答的问题。

(第二节)有机化学的研究内容

有机化合物与无机化合物之间并没有绝对的分界。有机化学之所以成为化学中的一个独立学科,是因为有机化合物确有其内在的联系与特性。

位于周期表当中的碳元素,一般是通过和别的元素的原子共用外层电子而达到稳定的电子构型的。这种共价键的结合方式决定了有机化合物的特性。大多数有机化合物由碳、氢、氮、氧几种元素组成,少数还含有卤素与硫、磷等元素。因而大多数有机化合物具有熔点较低、能够燃烧、易溶于有机溶剂等性质,这和无机化合物的性质有很大不同。

在含多个碳原子的有机化合物分子中,碳原子互相结合形成分子的骨架,别的元素的原子就连接在该骨架上。在元素周期表中,没有一种别的元素可以像碳那样以多种方式彼此牢固地结合。由碳原子形成的分子骨架有多种形式,有直链、支链、环状等。

在有机化学发展的初期,有机化学工业的主要原料是动、植物体,有机化学主要研究从动、植物体中分离有机化合物。

19世纪中期到20世纪初期,合成染料的发现,使染料、制药工业蓬勃发展,推动了对芳香族化合物与杂环化合物的研究,有机化学工业逐渐变为以煤焦油为主要原料。20世纪30年代以后,以乙炔为原料的有机合成兴起。20世纪40年代前后,有机化学工业的原料又逐渐转变为以石油与天然气为主,发展了合成橡胶、合成塑料与合成纤维工业。由于石油资源将日趋枯竭,以煤为原料的有机化学工业必将重新发展。当然,在环境保护深入人心的今天,天然的动、植物与微生物体仍是重要的研究对象。

天然有机化学主要研究天然有机化合物的组成、合成、结构与性能。回顾20世纪,在20世纪初至30年代,先后确定了单糖、氨基酸、核苷酸、牛胆酸、胆固醇与某些萜类的结构,肽与蛋白质的构成;20世纪30~40年代,确定了一些维生素、甾族激素、多聚糖的结构,完成了一些甾族激素与维生素的结构与合成的研究;20世纪四五十年代前后,发现青霉素等一些抗生素,完成了结构测定与合成;50年代完成了某些甾族化合物与吗啡等生物碱的全合成,催产素等生物活性小肽的合成,确定了胰岛素的化学结构,发现了蛋白质的螺旋结构,DNA的双螺旋结构;60年代完成了胰岛素的全合成与低聚核苷酸的合成;70~80年代初,进行了前列腺素、维生素B12、昆虫信息素激素的全合成,确定了核酸与美登木素的结构并完成了它们的全合成等等。

研究从较简单的化合物或元素经化学反应合成有机化合物是有机合成方面的主要工作。19世纪30年代合成了尿素;19世纪40年代合成了乙酸。随后陆续合成了葡萄糖酸、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸等一系列有机酸;19世纪后半叶合成了多种染料;20世纪40年代合成了滴滴涕与有机磷杀虫剂、有机硫杀菌剂、除草剂等农药;在20世纪初,合成了606药剂,到了20世纪30~40年代,合成了1000多种磺胺类化合物,其中有些可用作药物。

物理有机化学是在价键的电子学说的基础上,引用了现代物理学、物理化学的新发展与量子力学理论而发展起来的,是定量地研究有机化合物结构、反应性与反应机理的学科。20世纪20~30年代,通过反应机理的研究,建立了有机化学的新体系;50年代的构象分析与哈米特方程开始半定量估算反应性和结构的关系;20世纪60年代出现了分子轨道对称守恒原理与前线轨道理论。

有机分析就是指有机化合物的定性与定量分析。19世纪30年代建立了碳、氢定量分析法;90年代建立了氮的定量分析法;有机化合物中各种元素的常量分析法在19世纪末基本上已经齐全;20世纪20年代建立了有机微量定量分析法;70年代出现了自动化分析仪器。

由于科学与技术的发展,有机化学和各个学科互相渗透,形成了许多分支边缘学科。比如生物有机化学、物理有机化学、量子有机化学、海洋有机化学等。

(第三节)有机化学的研究方法

有机化学研究手段的发展经历了从手工操作到自动化、计算机化,从常量到超微量几个阶段。

20世纪40年代前,用传统的蒸馏、结晶、升华等方法来纯化产品,用化学降解与衍生物制备的方法测定结构。后来,各种色谱法、电泳技术的应用,特别是高压液相色谱的应用改变了分离技术的面貌。各种光谱、能谱技术的使用,使有机化学家可以研究分子内部的运动,使结构测定手段发生了革命性的变化。

电子计算机的引入,使有机化合物的分离、分析方法向自动化、超微量化方向又前进了一大步。带傅里叶变换技术的核磁共振谱与红外光谱又为反应动力学、反应机理的研究提供了新的手段。这些仪器与X射线结构分析、电子衍射光谱分析,已能测定微克级样品的化学结构。用电子计算机设计合成路线的研究也已取得某些进展。

未来有机化学的发展首先是研究能源与资源的开发利用问题。迄今我们使用的大部分能源与资源,如煤、天然气、石油、动植物与微生物,都是太阳能的化学贮存形式。今后一些学科的重要课题是更直接、更有效地利用太阳能。

对光合作用做更深入的研究与有效的利用,是植物生理学、生物化学与有机化学的共同课题。有机化学能够用光化学反应生成高能有机化合物,加以贮存;必要时则利用其逆反应,释放出能量。另一个开发资源的目标是在有机金属化合物的作用下固定二氧化碳,以产生无穷尽的有机化合物。这几方面的研究均已取得一些初步结果。

其次是研究与开发新型有机催化剂,使它们可以模拟酶的高速高效与温和的反应方式。这方面的研究已经开始,今后会有更大的发展。

20世纪60年代末,开始了有机合成的计算机辅助设计研究。今后有机合成路线的设计、有机化合物结构的测定等必将更趋系统化、逻辑化。

同类推荐
  • 田野上的教室

    田野上的教室

    《田野上的教室》收录了作者近几年大学文科实验教学法研究各阶段性的成果论文,《田野上的教室》共分九个章节,具体内容包括文化人类学课程概况、大学文科实验教学法、大学文科实验教学的方法、田野在线的生存策略等,另外,还在书后附有4篇田野日记选录。田野是另一种形式的教室,它与学校里的教室相辅相成,互为补充,互相促进,从两个不同方面为社会培养人才。《田野上的教室》可供各大专院校作为教材使用,也可供从事相关工作的人员作为参考用书使用。
  • 民间故事探寻

    民间故事探寻

    人生匆匆,岁月涛涛,总有一份份感动在我们心灵留下倒影,总有一种情愫让人回味无穷,使我们或感觉人生的美好,或感觉希望的永恒,这就是我们生命的光华。让我们采撷心灵感动的倒影,编织美好心灵的花环,让我们永远生活在温馨的心灵花园吧!心灵是我们的生命之场,演绎着我们人生的酸甜苦辣,只要我们细细品味,就会触摸到真实的内心世界,就会走到心灵之河的彼岸。让我们坚守心灵的真实吧!这样我们才会感觉到人生的深刻内涵;让我们获得心灵的小憩吧!这样我们才会收获那份沉静的感动。
  • 我与百年廊小(谷臻小简·AI导读版)

    我与百年廊小(谷臻小简·AI导读版)

    书是金山区廊下小学校长朱保良所写的从教经历,以及对小学教育教学的思考。全书不仅展示了百年“廊小”的发展历史,也让人们了解到百年“廊小”近二十年来在教育理念方面的变革。
  • 语文新课标课外必读第四辑——绿野仙踪

    语文新课标课外必读第四辑——绿野仙踪

    国家教育部颁布了最新《语文课程标准》,统称新课标,对中、小学语文教学指定了阅读书目,对阅读的数量、内容、质量以及速度都提出了明确的要求,这对于提高学生的阅读能力,培养语文素养,陶冶情操,促进学生终身学习和终身可持续发展,对于提高广大人民的文学素养具有极大的意义。
  • 过着语文的日子

    过着语文的日子

    《过着语文的日子》是一名小学语文特级教师汪智星十多年从教经历的精华总结。有成长经历、经验反思、精品课堂,为语文教学回归本真,发出呐喊的声音。
热门推荐
  • 监狱娱乐帝国

    监狱娱乐帝国

    这是一本关于平行世界的书,书中的平行世界跟地球没有任何关系。这是一本关于监狱生活的书,书中的监狱纯属想象,与现实毫无关联,切莫对号入座。二十一世纪在文艺界毫无建树的李明宇,突然穿越到了一个全新的世界中,而且成了一名刚刚入狱的囚犯,携带着前世无数文艺经典的他该何去何从?一个监狱里如何打造起一个震惊世界的娱乐帝国?
  • 人生终生必修课

    人生终生必修课

    一个人必须自觉地进行自我终生教育。这样,自己不仅能够快速走上成功之路,而且自己能够及时得到智慧并去烦恼。自知则明,觉能生慧,自己的起点低不可怕,重要的是自己要不断地去努力。勤奋是终生必做的功课,这是成功的法宝。勤奋学习、勤奋工作和勤奋思考,都是自己取得人生辉煌成就所不可缺少的东西。
  • 年更遥小姐的无趣人生

    年更遥小姐的无趣人生

    一个女大学生考研期间的无趣人生,既踌躇满志又混吃等死,精分的精英。
  • 对你的感情只有年少时期的暗恋

    对你的感情只有年少时期的暗恋

    暗恋之人变成了明星,其实渐渐的感情变成了憧憬而已,对,我完全不奢求在一起这样的情感,如果可以的话,把我当成一个杂草就可以的。
  • 青山源录

    青山源录

    你我一起谈天论地,就像雾里看山,在山里看浮云一样。他们会有弥漫的时候也会有碧穹的意境!无论你我有多少不如意,其实能寂寞也是一种境界。虽说大道至简,可几千年来的古老意境你.我还不是一样找不到源在哪里???
  • 超神学院的长命仔

    超神学院的长命仔

    主角林天,穿越不知名的世界到来,林天身体也被改造,整个世界仿佛就林天一人,这个世界以科技为王,林天发现这个世界是-----超神学院
  • 末世之不存在的系统

    末世之不存在的系统

    本是大学生的林易,因末世之中丧尸屠城而亡,系统给他重生的机会,林易会如何应对?
  • 权志龙:都是谎言

    权志龙:都是谎言

    她是莫千寻,依旧高傲的落魄千金。他是权志龙,高高在上的韩娱巨星。他们看似是两条永远都不会相交的平行线,却偏偏相交了......-----莫千寻,“就像鱼离不开水,人离不开空气,我放不下他,理所当然!”权志龙,“她为我放弃一个莫氏,那么我便还她一个权莫氏!”
  • 异世魂归:天才少女

    异世魂归:天才少女

    当血月凌空升起从异世归来的魂魄曾经的"痴傻儿"一朝觉醒这片大陆风云将起···雪域:千江枂看着自己面前的不速之客,面色微冷手下杀伐动作更是毫不留情,旁边吃瓜某兽看着这一幕,心中直叹暴力女解决完“垃圾”的某枂,心情尚好感觉到暗处的某兽,转身攻去某兽:诶,我不过吃个瓜,怎么冲我来了!剧情不太对!——————————————新人作者第一次写小说~简介无能有不足之处欢迎各位读者指出如果喜欢的话请多多支持谢谢
  • 凤逝鸾跂鸿惊

    凤逝鸾跂鸿惊

    女主“云瑾歌”之父“云华”大将军战死沙场。皇帝封她为安平郡主。要求她辅佐新帝上位。女主领命一路辅佐新帝成功上位。