有機化學

有機化學（organic chemistry）是研究有機化合物及有機物質的結構、性質、反應的學科，是化學中極重要的一個分支。有機化學研究的對象是以不同形式包含碳原子的物質，又稱為碳化合物的化學。

有關有機化合物或有機物質結構的研究包括用光譜、核磁共振、紅外光譜、紫外光譜、質譜或其他物理或化學方式來確認其組成的元素、組成方式、實驗式及化學式。有關性質的研究包括其物理性質及化學性質，也需評估其化學反應性，目的是要了解有機物質在其純物質形式（若是可能的話），以及在溶液中或是混合物中的性質。有機反應的研究包括有機物質的製備（可能是有機合成或是其他方式），以及其化學反應，可能是在實驗室中的，或是In silico（經由電腦模擬的）。

有機化學研究的範圍包括碳氫化合物，也就是只由碳和氫組成的化合物，化合物中也有可能還會參與其他的元素，包括氮、氧和鹵素，還有諸如磷、硫等元素（以稀有氣體以外的非金屬元素為主，不包括類金屬元素硼、矽、鍺、砷、銻、碲、釙、砈）。

有機化學和許多相關領域有重疊，包括藥物化學、生物化學、有機金屬化學、高分子化學以及材料科學等。有機化合物之所以引起研究者濃厚的興趣，是因為碳原子可以形成穩定的長碳鏈或碳環以及許許多多種的官能基，這種性質造就有機化合物的多樣性。有機化合物是所有碳基生物的基礎。有機化合物的應用範圍很廣，包括醫學、塑膠、藥物、石化產物、食物、化妝品、護理用品、炸藥及塗料等。

## 有機化合物和含碳化合物

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含碳化合物被稱為有機化合物是因為以往的化學家們認為含碳物質一定要由生物（有機體）才能製造；然而在1828年的時候，德國化學家弗里德里希·維勒，在實驗室中成功合成尿素（一種生物分子），推翻上述的論點，自此以後有機化學便脫離傳統所定義的範圍，擴大為含碳物質的化學；不過有機化學這個名字卻從此一直沿用，沒有人嘗試將其改名為「碳化學」或是其它較為貼切的說法。雖然被稱為「碳化學」，仍有少數含碳的化合物因不具有機化合物的特性，不歸類在有機化合物中，如二氧化碳（$CO2$）、一氧化碳（$CO$）、二硫化碳（$CS2$）、碳酸（$H2CO3$）、碳酸鹽（${CO3}^{2-}$）、碳酸氫鹽（${HCO3}^{-}$）、硫氰酸鹽（HSCN及其鹽類）及氰化物（HCN及其鹽類）等。

## 歷史

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有機化學作為人類實踐活動，可以追述到史前。釀酒、發酵之類的工藝涉及了最初的有機化學變化（也可以是生物化學變化）。

有機化學作為學科，是在19世紀確立的。最初有機化學的定義是生命力論影響下的有機體的化學，相當於生物化學。在19世紀前半，已有一些有關有機化合物的系統性研究。在1816年時米歇爾·尤金·謝弗勒爾研究脂肪及鹼製備肥皂的程序，將脂肪中的脂肪酸分解出來後，和鹼反應即為肥皂。由於這些都是獨立的化合物，因此謝弗勒爾提出可以利用各種脂肪（常見的天然有機化合物來源）用化學反應的方式，在沒有生命力介入的情形下，產生新的化合物。

「有機化學」這個詞是永斯·貝采利烏斯發明的。1828年弗里德里希·維勒用氰酸銨熱重排生成尿素（即為現在的維勒尿素合成），高興地給貝采利烏斯寫信說：「我可以不藉助動物的腎臟來製備尿素了！」此舉讓有機和無機之間的界線消失，人們開始考慮給生物化學另外取個名字。

在1856年威廉·珀金在試圖製備奎寧的過程中，意外的製備了第一個合成染料苯胺紫。由於苯胺紫的生產獲得大量的利潤，因此提高大家對有機化學的興趣。

19世紀初期，歐洲人積累了大量的有機化合物的轉換知識，一些學術開始形成。把有機化學確立為科學的學說，當屬結構學說。這個結構學說有各種流派和表現形式。最初比較有大的影響的有1843年化學家熱拉爾的水型、氯化氫型、氨型、氫型結構學說，這個學說是基於無機化學鹽理論提出來的。其影響到現在仍然存在，比如說酯在當時被認為是一種含氧酸鹽，所以至今英文酯的後綴跟含氧酸鹽的後綴一樣，都為-ate。

在1858年時奧古斯特·凱庫勒和庫帕 (化學家)分別提出了有機化學結構上的重大進展。他們提出四價的碳原子可以相互結合，形成碳的晶格。而其原子鍵結的結構用適當的化學反應來說明。

導向現代化學結構學說的當屬俄羅斯化學家布特列洛夫的結構學說以及隨後范霍夫、勒貝爾的碳四面體學說。19世紀有機化學形成和完善了結構學說，到了20世紀，導致了構象分析理論的建立，從此有機化學的發展進入一個全面增長的階段。結構學說催生出了很多理論，比如電子理論、機理學說。這些理論極大地指導了有機合成的研究，而有機合成實踐又不斷地提出新問題來挑戰和充實結構理論。這種相互促進產生了今天有機化學的全新面貌。

製藥產業開始於19世紀末期製造阿斯匹靈，最早是由德國化學家霍夫曼在1898年合成成功，並在1900年在拜耳藥廠生產。第一次系統性的改善藥物則是灑爾佛散，其中用到劇毒性的對氨基苯胂酸，保羅·埃爾利希及其團隊在過程中檢驗了許多對氨基苯胂酸的衍生物。

早期的有機反應及應用往往都是意外發現（serendipitous）。在19世紀後半開始有許多有關有機化合物的系統性研究。以靛藍的製造來說，由於阿道夫·馮·拜爾發展的合成方法，由天然植物原料生產的靛藍由1897年的19,000噸減至1914年的1,000噸。2002年時有17,000噸的靛藍是由石化產業所製造。在二十世紀初時也已知道聚合物和酶是大型的有機分子。

複雜有機化合物的多步合成稱為全合成。如膽固醇有關的化合物開啟了合成人類複雜荷爾蒙和其衍生物質的方法。自20世紀起，全合成的複雜度已可以合成像麥角酸或是維生素B12之類的物質

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有機化學的發展和石油的發現和石化產業的發展有密切的關係。由石油中提煉物質，經由不同化學程序，轉變成不同的化合物，這就造成了石化產業，其貢獻包括人造橡皮、各種的有機黏合劑、汽油添加物以及塑膠。

生物體中的大部份化學物質都是含碳的化合物，因此生物化學和有機化學的關係非常密切，生物化學在本質上其實就是有機化學的一個分支。雖然生物化學史在四個世紀前就已經開始，但一些本質的了解是在十九世紀末才開始，而生物化學的英文「biochemistry」一詞是在二十世紀初末才產生的。生物化學領域的研究在二十世紀開始增加，而且增加程度沒有變慢。可以由生物學文摘及生物學文摘（預評）資料庫看出其變化趨勢，生物學文摘及資料庫在1920年代開始，一開始只有一卷，但其增加速度很快，在二十世紀末時，只能提供給一般使用者線上的資料庫，無法再提供紙本資料。

## 研究對象與方法

由於有機化合物常以混合物的形式存在，因此有許多方式可以分離出高純度的物質。傳統的方式包括蒸餾、結晶及溶劑提取，現在的方式則包括色譜法，包括高效液相色譜法或是氣相色譜法。

有機物質的傳統分析方法是是透過許多化學測試來進行，這稱為「濕法」，但已被用光譜學或是電腦分析的方法所取代。

有機化學的研究對象主要就是「如何形成碳碳鍵」。有機化學是碳的化學，簡而言之就是研究如何構建碳原子的結構。因為對人們有用處的有機分子一般是大而複雜的，而人們能隨意支配和輕易獲得的原料往往是小而簡單的。有機化學的研究方法就是根據研究需要，利用結構和機構來設計預測一個變化，通過實驗和分析檢測來驗證結果，並對設計進行反饋修正。

以下是一些常用的分析方式：

- 核磁共振光譜法是最常用的技術，可以知道完整的分子結構資訊，透過關聯性磁振頻譜甚至還可以知道立體化學的一些資訊。有機化學的主要元素碳和氫都有自然存在，可以用核磁共振檢測的同位素，分別是$^1H$及$^13C$。
- 元素分析：一可以檢測分子中組成原子的破壞性檢測方式，已被質譜法取代。
- 質譜法可以檢測化合物的分子量，藉由質譜分析也可以看出其結構。高解析度的質譜法可以看出分子準確的分子量，已可以取代元素分析。早期質譜法只能用在一些有揮發性的天然物質中，但先進的離子化技術已經可以檢測任何有機化合物的質譜。
- 晶體學也是一種可以得到分子結構的方法，但其前提是可以得到物質的單晶，且此單晶可以反映待測物的結構。

傳統的色譜法方式，像是紅外光譜學、旋光及紫外－可見分光光度法可以提供大略的資訊，在分析一些特定的化合物時仍有使用。

## 有機化合物

有機化合物可以依其分子的性質分為幾個大類，常見的如

- 脂肪族——由碳鏈為骨架的有機化合物
- 芳香族——含苯環的有機化合物
- 雜環族——環狀結構中含非碳原子
- 聚合物——由重複單元相互用共價鍵連接而成的分子……等等。

### 命名

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有機化合物的命名可能是依一定規則的系統式命名，也有可能是依許多傳統而來的非系統式命名。系統命名法是依IUPAC的規範所訂定，名稱由分子的母結構為基準，可以用前綴、後綴及數字來無歧義的識別整個結構。由於已知的化合物已有上千萬種，若全部都嚴格的使用系統式命名，會非常的麻煩。系統式命名一般都是針對較簡單的化合物，而不是複雜的分子。若要使用系統式命名，需要知道其結構，以及母結構的名稱。母結構包括沒有取代基的烴、雜環化合物以及單一官能基的衍生物等。

對有機化合家而言，非系統式命名比較簡單，也不會造成歧義。非系統式命名的名稱上不會看出分子的結構。非系統式命名常應用在複雜的分子，其中許多是自然界的產物。例如麥角酸二乙醯胺（Lysergic acid diethylamide）就是一非系統命名，其對應的系統式命名為(6aR,9R)-N,N-diethyl-7-methyl-4,6,6a,7,8,9-hexahydroindolo-4,3-fg quinoline-9-carboxamide。

現在常常用電腦軟體計算化合物的相關特性，因此需要有其他可以用機器解讀的命名方式，常用的格式有SMILES及InChI等。

### 有機化合物的化學式

有機化合物常用結構圖或結構式的方式表示。鍵線式是一種簡單的繪圖表示方式，用繪圖方式繪出化合物骨架，骨架的交點及末端都代表一個碳原子，氫原子可能會標示出來，但因有機化合物中碳幾乎都是四價，也可能省略。由於有機化合物中幾乎都依照碳四價、氮三價、氧二價、氫一價的原原則繪製。

### 有機材料

在客觀世界中，要找一個純無機的環境非常困難。即便是土壤中，也存在大量的有機物質，比如胺基酸、腐殖質之類。有機合成材料品種很多，塑料、合成纖維、合成橡膠就是我們通常所說的三大合成材料。主要是指通過化學合成將小分子有機物如：烯烴等合成大分子聚合物。現在人們用的很多東西都是有機合成材料，比如很多眼鏡都是用有機玻璃做的，當然汽車上的窗、輪胎都是，生活中用的塑膠袋，電磁爐上的底盤等。可以說有機合成材料在很多方面已經能夠代替一些金屬的耐高溫的功能作用。合成纖維和合成橡膠等是重要的有機合成材料。有機合成材料的出現是對自然資源的一種補充，化學在有機合成材料的發展中起著重要的作用。新型有機合成材料必將為人類創造更加美好的未來。使用有機合成材料會對環境造成影響，如「白色污染」。用有機高分子化合物製成的材料就是有機高分子材料。

## 有機化學反應

有機化學反應，又名有機反應，就是有機化合物的化學反應。有些有機反應將某種官能團轉換為另一種的官能團（例如醛的氧化反應可以將分子中的-CHO基團換爲-COOH基團），而有些有機反應可以將碳鏈增長，如羥醛縮合等。由於很多有機反應都是以發現者的名字來命名（如武茲反應等），因此很多有機反應都被稱作人名反應。有機反應被廣泛利用於有機合成中，化學家就是用這些有機反應來合成各種的有機化合物。如以反應機理來將有機反應分類，有以下幾種的類別：

入門版分類：

- 親核取代反應
- 親核加成反應
- 親電取代反應
- 親電加成反應

更本質的來看，這麼多反應其實只有兩類：親核和親電取代，因為加成反應可以視為一種特殊的取代。

高級版分類：

有機反應按機理分類可以分為四大類：

- 離子反應，囊括上面入門版分類的所有門類。
- 自由基反應，特點是不涉及離子，反應可控制的程度總體偏低，尚未完全開發。
- 協同反應，特點是不涉及中間體。
- 金屬有機反應，有機金屬反應本質上是上述三大反應的綜合，但在一些地方有其特殊性，故單列一類。

## 分支學科

- 天然有機化學
- 有機合成
- 元素有機化學
- 物理有機化學
- 有機分析
- 立體化學

## 參見

- 無機化學
- 有機化合物、有機物質
- 有機化學命名法、IUPAC命名法、有機化學常見縮寫列表

## 外部連結

- 門戶
- Organic Chemistry Portal