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有机化学

2021-02-26 12:10:14

有机化学是研究有机化合物及有机物质的结构、性质、反应的学科,是化学中极重要的一个分支。有机化学研究的对象是以不同形式包含碳原子的物质,又称为碳化合物的化学。有关有机化合物或有机物质结构的研究包括用光谱、核磁共振、红外光谱、紫外光谱、质谱或其他物理或化学方式来确认其组成的元素、组成方式、实验式及化学式。有关性质的研究包括其物理性质及化学性质,也需评估其化学反应性英语Reactivity(chemistry),目的是要了解有机物质在其纯物质形式(若是可能的话),以及在溶液中或是混合物中的性质。有机反应的研究包括有机物质的制备(可能是有机合成或是其他方式),以及其化学反应,可能是在实验室中的,或是In silico(经由电脑模拟的)。有机化学研究的范围包括碳氢化合物,也就是只由和氢组成的化合物,化合物中也有可能还会参与其他的元素,包括和卤素,还有诸如磷、等元素(以稀有气体以外的非金属元素为主,不包括类金属元素硼、硅、锗、砷、锑、、钋、砈、鿬)。 。有机化学和许多相关领域有重叠,包括药物化学生物化学有机金属化学高分子化学以及材料科学等。有机化合物之所以引起研究者浓厚的兴趣,是因为碳原子可以形成稳定的长碳链或碳环以及许许多多种的官能基,这种性质造就有机化合物的多样性。有机化合物是所有碳基生物的基础。有机化合物的应用范围很广,包括医学、塑胶、药物、石化产物英语Petrochemical、食物、化妆品、护理用品、炸药及涂料等。

有机化合物和含碳化合物

化合物被称为有机化合物是因为以往的化学家们认为含碳物质一定要由生物(有机体)才能制造;然而在1828年的时候,德国化学家弗里德里希·维勒,在实验室中成功合成尿素(一种生物分子),推翻上述的论点,自此以后有机化学便脱离传统所定义的范围,扩大为含碳物质的化学;不过有机化学这个名字却从此一直沿用,没有人尝试将其改名为“碳化学”或是其它较为贴切的说法。虽然被称为“碳化学”,仍有少数含碳的化合物因不具有机化合物的特性,不归类在有机化合物中,如二氧化碳(CO2{\displaystyle{\ce{CO2}}})、一氧化碳(CO{\displaystyle{\ce{CO}}})、二硫化碳CS2{\displaystyle{\ce{CS2}}})、碳酸H2CO3{\displaystyle{\ce{H2CO3}}})、碳酸盐(CO32−{\displaystyle{\ce{{CO3}^{2-}}}})、碳酸氢盐(HCO3−{\displaystyle{\ce{{HCO3}^{-}}}})、硫氰酸盐(HSCN及其盐类)及氰化物(HCN及其盐类)等。

历史

资料专题:有机化学历史

研究对象与方法

资料专题:有机化学研究对象与方法

有机化合物

有机化合物可以依其分子的性质分为几个大类,常见的如

  • 脂肪族——由碳链为骨架的有机化合物
  • 芳香族——含苯环的有机化合物
  • 杂环族——环状结构中含非碳原子
  • 聚合物——由重复单元相互用共价键连接而成的分子……等等。

命名

有机化合物的命名可能是依一定规则的系统式命名,也有可能是依许多传统而来的非系统式命名。系统命名法是依IUPAC的规范所订定,名称由分子的母结构英语parent structure为基准,可以用前缀、后缀及数字来无歧义的识别整个结构。由于已知的化合物已有上千万种,若全部都严格的使用系统式命名,会非常的麻烦。系统式命名一般都是针对较简单的化合物,而不是复杂的分子。若要使用系统式命名,需要知道其结构,以及母结构的名称。母结构包括没有取代基的烃、杂环化合物以及单一官能基的衍生物等。

对有机化合家而言,非系统式命名比较简单,也不会造成歧义。非系统式命名的名称上不会看出分子的结构。非系统式命名常应用在复杂的分子,其中许多是自然界的产物。例如麦角酸二乙酰胺(Lysergic acid diethylamide)就是一非系统命名,其对应的系统式命名为(6aR,9R)-N,N-diethyl-7-methyl-4,6,6a,7,8,9-hexahydroindolo-[4,3-fg] quinoline-9-carboxamide。

现在常常用电脑软件计算化合物的相关特性,因此需要有其他可以用机器解读的命名方式,常用的格式有SMILES及InChI等。

有机化合物的化学式

有机化合物常用结构图或结构式的方式表示。键线式是一种简单的绘图表示方式,用绘图方式绘出化合物骨架,骨架的交点及末端都代表一个碳原子,氢原子可能会标示出来,但因有机化合物中碳几乎都是四价,也可能省略。由于有机化合物中几乎都依照碳四价、氮三价、氧二价、氢一价的原原则绘制。

有机材料

在客观世界中,要找一个纯无机的环境非常困难。即便是土壤中,也存在大量的有机物质,比如氨基酸、腐殖质之类。有机合成材料品种很多,塑料合成纤维、合成橡胶就是我们通常所说的三大合成材料。主要是指通过化学合成将小分子有机物如:烯烃等合成大分子聚合物。现在人们用的很多东西都是有机合成材料,比如很多眼镜都是用有机玻璃做的,当然汽车上的窗、轮胎都是,生活中用的塑料袋,电磁炉上的底盘等。可以说有机合成材料在很多方面已经能够代替一些金属的耐高温的功能作用。合成纤维和合成橡胶等是重要的有机合成材料。有机合成材料的出现是对自然资源的一种补充,化学在有机合成材料的发展中起着重要的作用。新型有机合成材料必将为人类创造更加美好的未来。使用有机合成材料会对环境造成影响,如“白色污染”。用有机高分子化合物制成的材料就是有机高分子材料。

有机化学反应

入门版分类:

更本质的来看,这么多反应其实只有两类:亲核和亲电取代,因为加成反应可以视为一种特殊的取代。

高级版分类:

有机反应按机理分类可以分为四大类:

  • 离子反应,囊括上面入门版分类的所有门类。
  • 自由基反应,特点是不涉及离子,反应可控制的程度总体偏低,尚未完全开发。
  • 协同反应,特点是不涉及中间体。
  • 金属有机反应,有机金属反应本质上是上述三大反应的综合,但在一些地方有其特殊性,故单列一类。

分支学科

参考文献

资料专题:有机化学参考文献

参见

  • 化学主题

外部链接