什么是有機(jī)化學(xué)如何研究
什么是有機(jī)化學(xué)如何研究
有機(jī)化學(xué)之所以成為化學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立學(xué)科，是因?yàn)橛袡C(jī)化合物確有其內(nèi)在的聯(lián)系和特性。那么你對(duì)有機(jī)化學(xué)了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是有機(jī)化學(xué)的內(nèi)容，希望大家喜歡!
有機(jī)化學(xué)的概念
有機(jī)化學(xué)又稱為碳化合物的化學(xué)，是研究有機(jī)化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備方法與應(yīng)用的科學(xué)，是化學(xué)中極重要的一個(gè)分支。含碳化合物被稱為有機(jī)化合物是因?yàn)橐酝幕瘜W(xué)家們認(rèn)為含碳物質(zhì)一定要由生物(有機(jī)體)才能制造;然而在1828年的時(shí)候，德國(guó)化學(xué)家弗里德里希·維勒，在實(shí)驗(yàn)室中首次成功合成尿素(一種生物分子)，自此以后有機(jī)化學(xué)便脫離傳統(tǒng)所定義的范圍，擴(kuò)大為含碳物質(zhì)的化學(xué)。
有機(jī)化學(xué)的研究
研究對(duì)象
有機(jī)化合物和無(wú)機(jī)化合物之間沒(méi)有絕對(duì)的分界。有機(jī)化學(xué)之所以成為化學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立學(xué)科，是因?yàn)橛袡C(jī)化合物確有其內(nèi)在的聯(lián)系和特性。
位于周期表當(dāng)中的碳元素，一般是通過(guò)與別的元素的原子共用外層電子而達(dá)到穩(wěn)定的電子構(gòu)型的(即形成共價(jià)鍵)。這種共價(jià)鍵的結(jié)合方式?jīng)Q定了有機(jī)化合物的特性。大多數(shù)有機(jī)化合物由碳、氫、氮、氧幾種元素構(gòu)成，少數(shù)還含有鹵素和硫、磷、氮等元素。因而大多數(shù)有機(jī)化合物具有熔點(diǎn)較低、可以燃燒、易溶于有機(jī)溶劑等性質(zhì)，這與無(wú)機(jī)化合物的性質(zhì)有很大不同。
在含多個(gè)碳原子的有機(jī)化合物分子中，碳原子互相結(jié)合形成分子的骨架，別的元素的原子就連接在該骨架上。在元素周期表中，沒(méi)有一種別的元素能像碳那樣以多種方式彼此牢固地結(jié)合。由碳原子形成的分子骨架有多種形式，有直鏈、支鏈、環(huán)狀等。
在有機(jī)化學(xué)發(fā)展的初期，有機(jī)化學(xué)工業(yè)的主要原料是動(dòng)、植物體，有機(jī)化學(xué)主要研究從動(dòng)、植物體中分離有機(jī)化合物。
19世紀(jì)中到20世紀(jì)初，有機(jī)化學(xué)工業(yè)逐漸變?yōu)橐悦航褂蜑橹饕?。合成染料的發(fā)現(xiàn)，使染料、制藥工業(yè)蓬勃發(fā)展，推動(dòng)了對(duì)芳香族化合物和雜環(huán)化合物的研究。30年代以后，以乙烯為原料的有機(jī)合成興起。40年代前后，有機(jī)化學(xué)工業(yè)的原料又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐允秃吞烊粴鉃橹?，發(fā)展了合成橡膠、合成塑料和合成纖維工業(yè)。由于石油資源將日趨枯竭，以煤為原料的有機(jī)化學(xué)工業(yè)必將重新發(fā)展。當(dāng)然，天然的動(dòng)、植物和微生物體仍是重要的研究對(duì)象。
用最精煉的一句話概括有機(jī)化學(xué)的研究對(duì)象，就是“如何形成碳碳鍵”。有機(jī)化學(xué)是碳的化學(xué)，有機(jī)化學(xué)的內(nèi)容說(shuō)白了就是研究怎么搭建碳原子的大廈(或者小廈)。因?yàn)閷?duì)人們有用處的有機(jī)分子一般是大而復(fù)雜的，而人們能隨意支配和輕易獲得的原料往往是小而簡(jiǎn)單的。
研究方面
天然有機(jī)化學(xué)主要研究天然有機(jī)化合物的組成、合成、結(jié)構(gòu)和性能。20世紀(jì)初至30年代，先后確定了單糖、氨基酸、核苷酸、牛膽酸、膽固醇和某些萜類(lèi)的結(jié)構(gòu)，肽和蛋白質(zhì)的組成;30～40年代，確定了一些維生素、甾族激素、多聚糖的結(jié)構(gòu)，完成了一些甾族激素和維生素的結(jié)構(gòu)和合成的研究;40～50年代前后，發(fā)現(xiàn)青霉素等一些抗生素，完成了結(jié)構(gòu)測(cè)定和合成;50年代完成了某些甾族化合物和嗎啡等生物堿的全合成，催產(chǎn)素等生物活性小肽的合成，確定了胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的螺旋結(jié)構(gòu)，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu);60年代完成了胰島素的全合成和低聚核苷酸的合成;70年代至80年代初，進(jìn)行了前列腺素、維生素B12、昆蟲(chóng)信息素激素的全合成，確定了核酸和美登木素的結(jié)構(gòu)并完成了它們的全合成等等。
有機(jī)合成方面主要研究從較簡(jiǎn)單的化合物或元素經(jīng)化學(xué)反應(yīng)合成有機(jī)化合物。19世紀(jì)30年代合成了尿素;40年代合成了乙酸。隨后陸續(xù)合成了葡萄糖酸、檸檬酸、琥珀酸、蘋(píng)果酸等一系列有機(jī)酸;19世紀(jì)后半葉合成了多種染料;20世紀(jì)40年代合成了DDT和有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑、有機(jī)硫殺菌劑、除草劑等農(nóng)藥;20世紀(jì)初，合成了606藥劑，30～40年代，合成了一千多種磺胺類(lèi)化合物，其中有些可用作藥物。
研究方法
有機(jī)化學(xué)研究手段的發(fā)展經(jīng)歷了從手工操作到自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)化，從常量到超微量的過(guò)程。
20世紀(jì)40年代前，用傳統(tǒng)的蒸餾、結(jié)晶、升華等方法來(lái)純化產(chǎn)品，用化學(xué)降解和衍生物制備的方法測(cè)定結(jié)構(gòu)。后來(lái)，各種色譜法、電泳技術(shù)的應(yīng)用，特別是高壓液相色譜的應(yīng)用改變了分離技術(shù)的面貌。各種光譜、能譜技術(shù)的使用，使有機(jī)化學(xué)家能夠研究分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)測(cè)定手段發(fā)生了革命性的變化。電子計(jì)算機(jī)的引入，使有機(jī)化合物的分離、分析方法向自動(dòng)化、超微量化方向又前進(jìn)了一大步。帶傅里葉變換技術(shù)的核磁共振譜和紅外光譜又為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)機(jī)理的研究提供了新的手段。這些儀器和x射線結(jié)構(gòu)分析、電子衍射光譜分析，已能測(cè)定微克級(jí)樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)。用電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)合成路線的研究也已取得某些進(jìn)展。未來(lái)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展首先是研究能源和資源的開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題。迄今我們使用的大部分能源和資源，如煤、天然氣、石油、動(dòng)植物和微生物，都是太陽(yáng)能的化學(xué)貯存形式。今后一些學(xué)科的重要課題是更直接、更有效地利用太陽(yáng)能。
對(duì)光合作用做更深入的研究和有效的利用，是植物生理學(xué)、生物化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的共同課題。有機(jī)化學(xué)可以用光化學(xué)反應(yīng)生成高能有機(jī)化合物，加以貯存;必要時(shí)則利用其逆反應(yīng)，釋放出能量。另一個(gè)開(kāi)發(fā)資源的目標(biāo)是在有機(jī)金屬化合物的作用下固定二氧化碳，以產(chǎn)生無(wú)窮盡的有機(jī)化合物。這幾方面的研究均已取得一些初步結(jié)果。其次是研究和開(kāi)發(fā)新型有機(jī)催化劑，使它們能夠模擬酶的高速高效和溫和的反應(yīng)方式。這方面的研究已經(jīng)開(kāi)始，今后會(huì)有更大的發(fā)展。20世紀(jì)60年代末，開(kāi)始了有機(jī)合成的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究。今后有機(jī)合成路線的設(shè)計(jì)、有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的測(cè)定等必將更趨系統(tǒng)化、邏輯化。
現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)時(shí)期
在物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子，并闡明原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，美國(guó)物理化學(xué)家路易斯等人于1916年提出價(jià)鍵的電子理論。
他們認(rèn)為：各原子外層電子的相互作用是使各原子結(jié)合在一起的原因。相互作用的外層電子如從—個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子，則形成離子鍵;兩個(gè)原子如果共用外層電子，則形成共價(jià)鍵。通過(guò)電子的轉(zhuǎn)移或共用，使相互作用的原子的外層電子都獲得惰性氣體的電子構(gòu)型。這樣，價(jià)鍵的圖象表示法中用來(lái)表示價(jià)鍵的短劃“—”，實(shí)際上是兩個(gè)原子的一對(duì)共用電子對(duì)。
1927年以后，海特勒和倫敦等用量子力學(xué)，處理分子結(jié)構(gòu)問(wèn)題，建立了價(jià)鍵理論，為化學(xué)鍵提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型。后來(lái)馬利肯用分子軌道理論來(lái)處理分子結(jié)構(gòu)，其結(jié)果與價(jià)鍵的電子理論所得的大體一致，由于計(jì)算簡(jiǎn)便，解決了許多當(dāng)時(shí)不能回答的問(wèn)題。
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