研究有機化合物的來源、製備、結構、性質、應用以及有關理論的化學分支學科。又稱碳化合物化學。一些簡單的碳化合物，如一氧化碳、二氧化碳、碳酸鹽、碳化物和氰化物，習慣上仍歸無機化學領域。

　　詞源　“有機化學”這一名詞於1806年首次由J.J.貝采利烏斯提出。當時是作為“無機化學”的對立物而命名的。19世紀初，許多化學傢相信，在生物體內由由於存在所謂“生命力”，才能產生有機化合物，它們不能由無機化合物在實驗室裡合成。1824年，德國化學傢F.維勒從氰經水解制得草酸；1828年他無意中用加熱的方法又使氰酸銨轉化為尿素。氰和氰酸銨都是無機化合物，而草酸和尿素都是有機化合物。維勒的實驗結果給予生命力學說第一次沖擊。此後，乙酸等有機化合物相繼由碳、氫等元素合成，生命力學說才逐漸被拋棄。由於合成方法的改進和發展，越來越多的有機化合物在實驗室中合成出來，其中，絕大部分是在與生物體內迥然不同的條件下合成出來的。雖然生命力學說已被否定，但“有機化學”這一名詞卻沿用至今。

　　簡史　有機化學的歷史大致可以劃分為三個時期。

　　有機化學的萌芽時期　從19世紀初到1858年提出價鍵概念之前。在這個時期，已經分離出許多有機化合物，制備瞭一些衍生物，並對它們作瞭定性描述。當時的主要問題是如何表現有機化合物分子中各原子間的關系和建立有機化學體系。法國化學傢A.-L.拉瓦錫發現，有機化合物燃燒產物有二氧化碳和水。他的研究工作為有機化合物元素定量分析奠定瞭基礎。1830年德國化學傢J.von李比希發展瞭碳、氫分析法。1833年法國化學傢J.-B.-A.杜馬建立瞭氮的分析法。以上有機定量分析法的建立使得有機化合物的實驗式的測定成為可能。

　　有機化合物分子中原子的排列和結合問題的探索曾經遇到過很大的困難。最初的二元說認為，一個化合物的分子可分為帶正電荷的部分和帶負電荷的部分，二者靠靜電力結合在一起。因而認為有機化合物分子是由在反應中保持不變的基團和在反應中起變化的基團按異性電荷的靜電力結合而成的。但這個學說帶來很大的矛盾，例如那時把苯甲醛寫成(C7H5O)H，把苯甲酰氯寫成(C7H5O)Cl，其中(C7H5O)是共同的不變部分。但是，如果H是帶正電的，怎麼會被帶負電的Cl所取代？如果(C7H5O)在苯甲醛中是帶負電的，在苯甲酰氯中卻變成帶正電的瞭。

　　類型說1839年由杜馬創立。1853年法國化學傢C.-F.熱拉爾和A.洛朗進一步發展瞭類型說，認為有機化合物是由一些可以發生取代的母體化合物衍生的，因而可以按這些母體化合物來分類。例如，乙烷

屬於 氫型 ；醇 和醚 屬於 水型 ；胺 屬於 氨型 等。類型說可以解釋化合物的一些性質，而且能夠預言一些新化合物。但類型說未能回答有機化合物的結構問題。

　　經典有機化學時期　從1858年價鍵學說的建立到1916年價鍵的電子理論引入。1858年德國化學傢F.A.凱庫勒和英國化學傢A.S.庫珀等提出價鍵概念，並首次用短劃“—”表示“鍵”。他們認為有機化合物分子是由其組成的原子通過鍵結合而成的。由於在所有已知的化合物中，一個氫原子隻能與一個別的元素的原子結合，氫就被選作價的單位。一種元素的價數就是它的一個原子所能結合的氫原子數目。例如，1個氧原子能夠與2個氫原子結合，因此氧是2價的；1個碳原子能結合4個氫原子，因此碳是4價的。凱庫勒還提出在一個分子中碳原子之間可以互相結合這一重要的概念。按照價鍵學說，甲烷和乙烷的結構式如下：

為瞭解釋乙烯 C 2 H 4和乙炔 C 2 H 2的結構，還提出碳原子之間不僅以單鍵，還可以通過雙鍵、三鍵互相結合： 通過單鍵結合的稱為 飽和化合物，通過雙鍵、三鍵結合的則稱為 不飽和化合物。因此，乙烷是飽和化合物，乙烯和乙炔是不飽和化合物。凱庫勒還提出苯的結構為 。

　　由於碳原子之間的結合可以采取多種形式，因此同一個實驗式所代表的有機化合物可以不止一種，這種現象稱為異構現象。化學組成相同但結構不同的化合物互為異構體。含碳原子越多的分子，其異構體數目也越多。異構現象是有機化合物數目如此眾多的重要因素。例如符合實驗式C5H12的有三種化合物，它們分別稱為正戊烷、異戊烷和新戊烷，結構式分別為：

　　1848年L.巴斯德分離到兩種酒石酸結晶，一種半面晶向左，一種半面晶向右。前者能使平面偏振光向左旋轉，後者則使之向右旋轉，角度則相同。在對乳酸的研究中也遇到類似現象。為此，1874年法國化學傢J.-A.勒貝爾和荷蘭化學傢J.H.范托夫分別提出一個新的概念，圓滿地解釋瞭這種異構現象。他們認為：分子是個三維實體，碳的四個價鍵在空間是對稱的，分別指向一個正四面體的四個頂點，碳原子則位於正四面體的中心（圖1）。當碳原子與四個不同的原子或基團(R1、R2、R3、R4)連接時，就產生一對異構體，它們互為實物和鏡像，或左手和右手的手性關系（圖2）。這個碳原子稱為不對稱碳原子（或稱手性碳原子），這一對化合物互為對映體。

圖1　碳原子的正四面體結構

圖2　一對對映體

　　1900年發現瞭第一個自由基（三苯甲基自由基），這是個長壽命的自由基。不穩定自由基H3C·的存在也於1929年得到瞭證實。

　　在這個時期，有機化合物在結構測定以及反應和分類方面都取得很大進展。但價鍵的本質問題尚有待解決。

　　現代有機化學時期　在物理學傢發現電子並闡明原子結構的基礎上，G.N.路易斯等人於1916年提出價鍵電子理論。他們認為，原子外層電子的相互作用是原子能夠結合在一起的原因。如果原子的外層電子轉移到另一個原子，則形成離子鍵；如果兩個原子依靠共用外層電子而結合，則形成共價鍵。轉移或共用的電子數以相互作用的原子外層都獲得惰性氣體的電子組態為限。因此甲烷的結構式應寫成左式，右式為傳統的表示方式，兩者可以通用：

　　1927年以後，W.H.海特勒和F.倫敦等用量子力學處理分子結構問題，建立瞭價鍵理論，為化學鍵提出一個數學模型。後來R.S.馬利肯用分子軌道理論處理分子結構，其結果與價鍵電子理論所得的大體一致，但計算更為簡便，例如E.休克爾關於共軛體系中π電子體系可以單獨處理的近似方法；60年代R.B.伍德沃德和R.霍夫曼在研究電環化反應、σ鍵遷移重排和環加成反應等（過去統稱為協同反應）一系列反應的基礎上，提出分子軌道對稱守恒原理；以及福井謙一提出前線軌道理論等。

　　特點　有機化合物和無機化合物之間沒有絕對的分界。有機化學之所以成為化學中的一個獨立學科，是因為有機化合物確有其內在的聯系和特性。碳元素一般是通過與別的元素的原子共用外層電子而達到惰性氣體的電子組態的。例如甲烷分子CH4是由1個碳原子和4個氫原子共用它們的外層電子而形成的。這種共價鍵的結合方式決定瞭有機化合物的特性。碳原子互相結合形成分子的骨架，別的元素的原子就連接在該骨架上。沒有一種別的元素能像碳那樣以多種方式彼此牢固地結合。由碳原子形成的分子骨架有直鏈、支鏈、環狀等多種形式，其構成的碳原子數可從2（乙烷）到幾十萬（橡膠）。以含5個碳原子的化合物為例，其分子骨架可有以下幾種形式：

分子中含碳原子數越多，結合方式的變化也越大。因此，為數不多的幾種元素，卻構成瞭數目驚人的有機化合物。

　　研究對象和有機化工原料　在有機化學發展的初期，有機化學工業的主要原料是動植物，有機化學主要研究從動植物體中分離有機化合物。19世紀中葉到20世紀初，煤焦油逐漸成為主要原料。合成染料的發現，使染料、制藥工業蓬勃發展，推動瞭對芳香族化合物和雜環化合物的研究。30年代以後，以乙炔為原料的有機合成興起。40年代前後，石油和天然氣成為主要原料，形成瞭巨大的合成橡膠、合成塑料和合成纖維工業；其中，乙烯已成為重要的聚合物工業和有機合成工業的最重要的原料。但是天然的動植物和微生物仍是有機化學的重要的研究對象。在有機化學工業的研究中，尋求和保持發展的可持續性和對於生態環境的保護是今後必須註意的問題。

　　主要分支學科　有機化學主要有有機合成、物理有機化學和有機分離分析三個領域，分支學科有天然有機化學和生物有機化學、金屬有機化學和元素（或稱雜原子）有機化學等。

　　有機合成化學　主要研究從較簡單的化合物或元素合成有機化合物的化學方法。其合成對象包括在自然界已經存在的和人工制造的有機化合物。19世紀30年代合成瞭尿素，40年代合成瞭乙酸，隨後陸續合成瞭葡萄糖酸、檸檬酸、琥珀酸、蘋果酸等一系列有機酸，19世紀後半葉合成瞭多種染料。20世紀初合成瞭606藥劑，30～40年代合成瞭一千多種磺胺類化合物，其中有些可用作藥物；20世紀40年代合成瞭滴滴涕和有機磷殺蟲劑、有機硫殺菌劑、2,4–滴除草劑等農藥。在以後的年代中，在自然界中發現的有機化合物（如維生素、抗生素、生物堿、甾體、萜類、糖類、多肽、核酸等）沒有被合成出來的很少。至今，人類已掌握瞭兩千多萬種化合物，其中的大多數是人工合成的有機化合物（包括自然界存在的和不存在的化合物）。20世紀80年代以來，有機合成化學的方法學有瞭很大的進步，先後創立瞭固相合成、組合化學、手性不對稱合成等方法，使得有機合成更快速、更有選擇性和更加對環境有益。

　　物理有機化學　定量地研究有機化合物結構、反應性和反應機理的學科。它以價鍵電子理論為基礎，在發展過程中，不斷從現代物理學、物理化學所提供的新概念、新技術和新方法獲得新的進展。20世紀20～30年代，通過反應機理的研究，建立瞭有機化學的新體系；50年代的構象分析和哈米特方程開始半定量估算反應性與結構的關系；60年代出現瞭分子軌道對稱守恒原理和前線軌道理論；此後，又產生出瞭分子識別和超分子化學等新分支。20世紀末計算機技術的飛躍發展，通過分子力學、半經驗量子力學乃至從頭計算的方法，處理復雜有機分子的能力不斷增長，對於一般有機分子的結構、構型和構象，分子間的相互作用、分子識別和反應的過程的認識已趨於精確。

　　有機分離分析化學　即有機化合物的分離和定性、定量分析。20世紀40年代前，大多采用傳統的蒸餾、結晶、升華等方法來分離純化產品，用化學降解和衍生物制備的方法測定結構。後來，各種色譜法、電泳技術的應用，特別是高壓液相色譜和毛細管電泳的應用改變瞭分離技術的面貌，可以實現復雜體系中微量、超微量組分的分離、檢出。

　　有機化合物中各種元素的常量分析法在19世紀末基本上已經齊全。20世紀20年代建立瞭有機微量定量分析法；從50年代開始，譜學技術迅速發展逐步接替瞭傳統的化學手段而成為有機分析中的主要方法；20世紀後期紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜和質譜已成為有機分析和結構測定的常規手段。由於傅裡葉變換技術和高性能計算機在上述譜儀中的普遍應用，再加上X射線結構分析儀等其他分析技術的應用推廣，有機樣品的化學結構測定已達到微克量級的水平。

　　天然有機化學和生物有機化學　主要研究天然（生物體內）有機化合物的組成、結構、合成和性能。20世紀初至30年代，先後確定瞭單糖、氨基酸、核苷酸、牛膽酸、膽固醇和某些萜類的結構，肽和蛋白質的組成；30～40年代，確定瞭一些維生素、甾族激素、多聚糖的結構，完成瞭一些甾族激素和維生素的結構和合成的研究；40～50年代前後，發現青黴素等一些抗生素，完成瞭結構測定和合成；50年代完成瞭某些甾族化合物和嗎啡等生物堿的全合成，催產素等生物活性小肽的合成，確定瞭胰島素的化學結構，發現瞭蛋白質的α–螺旋結構、脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結構；60年代完成瞭胰島素人工合成和低聚核苷酸的合成；70年代至80年代初，進行瞭前列腺素、維生素B12、昆蟲信息素激素的全合成，確定瞭核酸和美登素、喜樹堿的結構並完成瞭它們的全合成等。這個時期又先後從不同的植物中發現瞭青蒿素、紫杉醇等結構獨特且具有強烈生物活性的化合物並合成瞭它們。

　　金屬有機化學和元素有機化學　主要研究金屬、半金屬和非金屬的有機化合物。20世紀40年代前，主要是對有機堿金屬、堿土金屬化合物和有機砷、汞、鉛、錫化合物的研究。40年代後，發展到有機硼、磷、氟、矽和稀土金屬化合物。50年代以來，發現瞭零價過渡金屬與芳烴、烯烴和炔烴的π鍵配位化合物。由於對固氮過程的研究，60年代以來又開辟瞭有機鐵鉬硫和鐵硫簇狀有機化合物的研究，還發現瞭一些烴基過渡金屬化合物，它們在有機合成中表現出選擇性、定向性等特點。一些金屬有機化合物是不對稱合成和聚合反應的優良催化劑。有機合成導向的金屬有機化學是20世紀80～90年代以來有機化學研究的熱點。

　　發展趨勢　21世紀科學發展的特點是各學科間的相互滲透和促進。有機化學也不例外地進入到更寬廣的大科學領域，尤其是生命科學、材料科學以及與生態環境的保護和可持續發展相關的環境和能源等科學。

　　能源和資源的開發和深層利用始終是有機化學的重要課題。對現有的天然原材料（如煤、石油、動植物和微生物）要提高利用效率和深度，開發具有特殊性能的新型有機材料。深入研究光合作用，開發高效的有機催化劑催化固定二氧化碳。增加與生態環境有關的有機化學研究，發展綠色化學。

　　研究開發新型高效高選擇性有機催化劑，實現更多的化學、區域、立體選擇性的有機合成反應，並使之能應用於工業規模的生產。

　　加強和生命科學的結合與交叉，利用自身的特點解決生命科學中的化學問題，在後基因組學的研究階段中發展本學科。

　　此外，微環境體系中的有機合成技術、更精確的分子設計、反應過程的計算機模擬、分子識別和分子間弱相互作用力的本質等理論研究也日益受到重視。