有机化学的研究对象

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1、有机化学的研究对象 有机化学是研究有机化合物的化学。有机化合物简称有机物，主要含碳和氢两种元素，有的还含有氧、氮、卤素、硫、磷等元素，因此有机化合物可以定义为“碳氢化合物及其衍生物” 。所谓衍生物是指碳氢化合物中的一个或几个氢原子被其他原子或原子团取代而得的化合物。 因此有机化学的完整定义应该是： 研究碳氢化合物及其衍生物的化学。 它主要是研究有机化合物的结构、命名、理化性质、合成方法、应用，以及有机化合物之间相互转化所遵循的理论和规律的一门科学。由于含碳化合物数目很多，据 1985 年资料报道，已知的有机化合物已有 800 万种左右， 并且这个数目还在不断地迅速增长中， 所以把有机化学作为一

2、门独立的学科来研究是很必要的。 实际上， 在有机化合物和无机化合物之间并没有一个绝对的界线， 它们遵循着共同的变化规律， 只是在组成和性质上有所不同。 至于某些简单的含碳化合物，如一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐等，因其有无机化合物的典型性质，通常看做无机化合物而不在有机化学中讨论。回顾有机化学的发展史。 劳动人民早已在生产劳动中逐渐积累了大量利用自然界存在的有机物的实践知识。 我国在夏、 商时代就知道酿酒和制醋。 汉朝时发明了造纸。 我国古代医药学家对动植物进行了治疗疾病的调查研究。 西汉淮南子修务训记有“神农尝百草之滋味，水泉之甘苦，令民知所避就。当此时，一日而遇七十毒” 。这里所指的“毒” ，

3、就是包括药物毒物和食物的品种， “七十”则是泛指许多品种。说明我国祖先长期调查和实践，利用各种动植物治疗疾病，是我国医药学的特色，后来总结为神农本草 ，收集有 365 种重要的药物， 在公元 200 年出版， 可说是世界上最早的一部药典。 明朝伟大的药学大师李时珍发表了举世闻名的巨著本草钢目 ，成为世界上第一部药物大全书。在制药工业方面，我国很早就掌握了药物的浸制、调剂等技术，并将天然药物制成为丸、散、丹等中药剂型，所以我国创造的中药学对世界也是一个重大的贡献。随着人类生产劳动和科学实践的发展，人们对有机物的认识也逐渐加深和提高。 18 世纪以来， 先后从动植物中分离出一系列较纯的有机化合物，

4、 如甘油、 草酸、 酒石酸、 枸橼酸、乳酸、吗啡、尿素等。但由于当时这些有机物的来源只限于动、植物有机体、对有机物到底如何形成的问题尚不能得到解释。当时有些学者，提出了“生命力”学说，认为有机物只能在生物体中，在神秘的“生命力”和影响下产生，人只能从动、植物体中得到它们，而不能用人工的方法以无机物制取。 这种看法， 使有机物和无机物之间形成了一条不可逾越的鸿沟，严重阻碍了有机化学的发展。1928 年，德国化学家武勒（ F.Wohler）以已知的无机物氰酸铵（ NHOCN ）合成了尿素。这一发现， 说明在实验室中用无机物为原料， 可以合成出有机物而不必依赖神秘的 “生命力” ，这一事实无疑给“生

5、命力”学说一个有力的冲击。因为尿素是哺乳动物尿中的一种有机物。武勒的最初目的是想把氰酸钾和氯化铵两种无机物共热制备氰酸铵，而实际上得到了尿素，其反应式如下：KOCN + NHCl NHOCN + KCl 氰酸钾 氯化铵 氰酸铵 氯化钾（ 无机物 ） 加热(NH)CO 尿素（有机物）1845 年柯尔贝（ H.Kolbe ）合成了醋酸， 1854 年贝特罗（ H.Berthelot ）合成了脂肪等有机化合物， 这些事实彻底推翻了 “生命力” 学说。 化学结构理论的研究也取得了很大的进展，确立了化学结构学说，推动了有机化学的发展。卤族元素发现小史氟、氯、溴、碘是活泼的非金属元素，它们的发现过程几乎延

6、伸整个十九世纪，凝聚着世纪的沧桑，闪烁着世纪的辉煌。卤族元素都具有强烈的非金属性， 因而它们纯净的单质都是经氧化制得。 我们将了解到，浓硫酸、 氯气、 二氧化锰这些常见的氧化剂， 在元素发现的历史中曾经起过不同寻常的作用。这一讲中我们总是碰到氧化还原反应，并将看到拉瓦锡最初纯朴的得氧即氧化反应的概念，是怎样演化、发展的。无论是纽兰兹的“八音律”中，还是迈耶尔或门捷列夫的元素周期表中，都有氟元素的位置，而且都给出了氟的正确原子量： 19 。但是制备出游离态的单质氟，却比元素周期表的发表晚了二十年左右。即氟的发现过程是先确证、后制得，这与氯的发现过程刚好相反。另外，大部分卤族元素是由法国科学家发现

7、的。这从一个侧面反映了在启蒙运动的影响下， 在十八世纪下半叶和十九世纪上半叶， 法国科学得到了长足的发展， 甚至取代英国成为世界科学的中心。碘的发现者是商人还是化学家 ?贝尔纳德 库特瓦于 1777 年 2 月 8 日出生于法国的第戎。 他的父亲经营着一家硝石工厂，并在著名的第戎学院任教， 经常做一些精彩的化学讲演。 库特瓦自小耳濡目染， 十分喜爱化学。 他后来分别在孚克劳、 泰纳和塞古恩的指导下学习。 塞古恩是法国化学家， 曾在拉瓦锡被送上断头台的最后五年里担任拉瓦锡的助手， 进行呼吸作用、 量热学研究。 学成归来， 库特瓦帮助父亲经营硝石工厂。在第戎附近的诺曼底海岸上，许多浅滩生长的海生植

8、物被潮水冲到岸边。退潮后库特瓦常到海边采拾些藻类植物。 他把这些藻类植物晒干后烧成灰， 再加水浸取， 过滤。 得到的溶液他称做海藻盐汁。现在我们知道这种溶液里含有钠、钾、镁、钙的卤化物、硫酸盐等。库特瓦想从“海藻盐汁”中提取氯化钠、氯化钾、硫酸盐等。他首先蒸发溶液。在较高的温度下， 氯化钠的溶解度最小， 最先结晶析出。 其次是氯化钾和硫酸钾。 由于在灼烧藻类植物时，硫酸盐被碳还原产生了硫化物，K2SO4 + 2C = K2S + 2CO2 为了氧化而除去这些硫化物，他加入了强氧化剂浓硫酸。不一会儿，容器里冒出了紫色蒸气， 宛如紫色的云彩冉冉上升。 这一现象使库特瓦惊喜不已。 最后， 这种紫色蒸

9、气令人窒息地充满了实验室。 当蒸气在冷的物体上凝结时， 它并不变成液珠， 而是成为一种紫黑色的带有金属光泽的晶体，也即发生了凝华现象。这事发生在 1811 年。也就是这一年，阿佛加德罗提出了分子假说。我们现在知道，这是因为浓硫酸氧化出了碘分子。2KI + 2H2SO4 （浓） = K2SO4 + I2 + SO2 + 2H2O 库特瓦用这种新物质做进一步的实验研究。他发现这种新物质不易与氧或碳发生反应，但却能与氢和磷化合， 能与几种金属直接化合。 尤为奇特的是这种新物质不为高温分解， 这一特征使库特瓦猜想可能是发现了一种新元素。库特瓦的实验室十分简陋，他就请另外两位法国化学家继续这一研究，并允

10、许他们自由地向科学界宣布这种新元素的发现经过。1813 年，这两位化学家写出了报告库特瓦先生从一种碱金属盐中发现的新物质 ，他们描述道： “从海藻灰所得的溶液中含有一种特别奇异的东西，它很容易提取，方法是将硫酸倾入溶液中， 放进曲颈甑内加热， 并用导管将曲颈甑的口与球形器连接。 溶液中析出一种黑色有光泽的粉末， 加热后， 紫色蒸气冉冉上升， 蒸气凝结在导管和球形器内， 结成片状晶体。 ”这两位化学家之一相信这种结晶是一种新元素，它的性质与氯相似，于是他就向法国化学家、 物理学家安培和英国化学家戴维报告。 戴维用直流电将碳丝烧成红热， 然后与这种结晶接触，并不能使它分解，证明了它是一种新元素。新

11、的发现使库特瓦很高兴。他制出很纯的碘，分送给化学界的朋友。后来，库特瓦的硝石工厂停业。他的晚年在贫困中度过。 1838 年 9 月 27 日，库特瓦在巴黎逝世， 享年 61 岁。 为电解制氟做出重要探索的弗雷米， 他的祖父曾经说过： “把库特瓦仅仅看成是一位制造硝石的平凡的商人是不公道的， 他是一位技艺很高的化学家， 他应该由于发现碘而受到奖赏，绝不应该听任他因贫困而死去。 ”溴的发现与李比希的“错误之柜”溴首先是由法国化学家巴拉尔发现的。1802 年 9 月 30 日，巴拉尔出生于法国的蒙彼利埃。他出生于一个普通的家庭，父母整天忙于制酒。 巴拉尔的教母发现他很聪明， 一心要培养他成才。 巴拉

12、尔十七岁时毕业于蒙彼利埃中学， 接着升入药物学院学习药物学， 二十四岁时获医学博士学位。 下图是巴拉尔的画像。还在他当学生的 1824 年， 二十二岁的巴拉尔在研究盐湖中植物的时候， 将从大西洋和地中海沿岸采集到的黑角菜燃烧成灰， 然后用浸泡的方法得到一种灰黑色的浸取液。 他往浸取液中加入氯水和淀粉， 溶液即分为两层： 下层显蓝色， 这是由于淀粉与溶液中的碘生成了加合物；上层显棕黄色，这是一种以前没有见过的现象。这棕黄色是什么物质呢？巴拉尔认为可能有两种情况：一是氯与溶液中的碘形成了新的化合物氯化碘； 二是氯把溶液中的新元素置换出来了。 于是巴拉尔想了些办法， 先试图把新的化合物分开， 但都没

13、有成功。 巴拉尔分析这可能不是氯化碘， 而是一种与氯、 碘相似的新元素。他用乙醚将棕黄色的物质经萃取和分液提出，再加苛性钾，则棕黄色褪掉（我们现在知道，Br2 + 2KOH = KBr + KBrO + H2O 溴已经转变为溴化钾和次溴酸钾） 。加热蒸干溶液，剩下的物质象氯化钾一样。把剩下的物质与浓硫酸、二氧化锰共热，2KBr + 2H2SO4 +MnO2 = K2SO4 + MnSO4 + Br2 + 2H2O KBr + KBrO + H2SO4 = K2SO4 + Br2 + H2O 就会产生红棕色有恶臭的气体， 冷凝后变为深红棕色液体。 巴拉尔判断这是与氯和碘相似的、在室温下呈液态的一

14、种新元素。他将这种新元素定名为 muride。法国科学院于 1826 年 8 月 14 日审查了巴拉尔的新发现。由三位法国化学家孚克劳、泰纳、盖吕萨克共同审查。他们签署的意见这样写道： “关于溴是否是一种极简单的个体，今日我们更有知道的必要， 我们已经做过的不多几次的实验也许还不足以证明它确实是极简单的个体， 然而我们认为至少是很有可能的。 巴拉尔先生的报告作得很好， 即使将来证明溴并不是一种单体， 他所罗列的种种结果还是能够引起人们极大的兴趣的。 总之， 溴的发现在化学上实为一种重要的收获， 它给巴拉尔在科学事业上一个光荣的地位。 我们认为这位青年化学家完全值得受到科学院的鼓励。 ” 但他们

15、不赞成巴拉尔对溴的命名， 把它改称为 bromine，含义是恶臭。另外在 1825 年，德国海德堡大学学生罗威 ,往家乡克罗次纳克的一种盐泉水中通入氯气时， 发现溶液变为红棕色。 他把这种红棕色物质用乙醚萃取提出，再将乙醚小心蒸发， 得到了红棕色的液溴。所以说罗威也独立地发现了溴，虽然比巴拉尔晚了一年。其实早在巴拉尔之前， 德国化学大师李比希就得到了一家工厂送来请他分析的一瓶液体，但他没有经过详细的分析， 就认定瓶里的液体是氯化碘， 实际上那是一瓶溴。 直到他听到巴拉尔发现溴的消息， 才认识到自己犯了一个大错误。 从此， 李比希为了警戒自己， 特地把那个瓶子放在一只被他称为“错误之柜”的箱子中

16、，作为永远的教训。发现氯，未必认识氯在第一讲我们谈到， 瑞典化学家舍勒于 1774 年用浓盐酸与二氧化锰反应制得了氯气。 但它究竟是游离态的单质气体还是化合态的气体， 仍然不清楚。 后来法国化学权威贝托雷 （我们曾在第三讲里提到， 他与普罗斯论战， 反对定组成定律） 继续研究氯气。 他首先将氯气通入一个冷的空玻璃瓶里， 让氯气里的含酸蒸气受冷凝结， 再将除去酸蒸气的氯气依次通入三个盛满水的瓶子使氯气溶于水。 他发现溶有氯气的水溶液， 在有光照的地方可以分解成盐酸和氧气。 （我们现在知道，氯和水反应生成的次氯酸在光照下分解Cl2 + H2O = HCl + HClO 2HClO = 2HCl + O2 ） 。贝托雷以此判断出氯气是盐酸和氧结合成的：氯 盐酸 氧基氯气是盐酸和氧结合得很松散的化合物，因此露置在阳光下就分解了。其实在当时人们已经用过许多强烈的药剂或其它手段来处理氯气， 都未能使它分解为盐酸和氧。 贝托雷的判断显然跟其它一些研究是矛盾的。 他得出这个错误判断的表面原因， 似乎在于他忽视