有機化學主要研究碳基化合物的性質與合成。傳統上，并非所有的碳化合物都被認爲是有機化合物。比如碳單質（石墨、金剛石和無定形碳）、二氧化碳、一氧化碳、碳酸、碳酸鹽和碳化物（電石、碳化鎂、碳化硅等）通常被歸類爲無機化合物。但是碳單質的另外一種同素異形體C60一般認爲是有機化合物。結構特別複雜的生物大分子不是有機化學的研究對象，比如蛋白質、核酸、多糖等等。這些物質各有其獨立研究領域，和其它有機化合物有不同的研究方法。因爲它們和生物學較接近，通常被認爲是生物化學的分支。但由於它們也是碳基化合物，因此藉鑒了大量有機化學的方法。
18世紀和19世紀初，研究者們從生物體中分離出了一些含碳的化合物。比如，從螞蟻分離出了甲酸（至今其別稱仍爲蟻酸），從柳樹皮中分離出水楊酸酯，尿素則是在人和動物的尿液中發現的。這似乎證實了一個從亞里士多德時代就存在于西方的論點：有機化合物是由生物體或者是通過生命過程創造的，因此它們含有一種僅在生物體中存在的「生命力」（Vitalism），這是它們和無機化合物最大的區別。這個理論意味著，沒有生命或生命過程，有機物便無法自然產生；另外它還意味著無機物只能來自非生命過程。出於這個原因，「有機」一詞在日耳曼語族和拉丁語族主要語言中均衍生自organi-，意爲「來自生物體的」。相對於「有機」則是「無機」inorgani-，意爲「非生物體的」。
但是在1828年，「有機」和「無機」世界的藩籬被打破了。德國化學家沃勒（Friedrich Wöhler，1800-1882）用無機化合物氰酸銨合成了尿素。這證明雖然有機物和無機物的性質千差萬別，但它們之間不存在不可逾越的屏障。研究者們認識到，有機化合物不需要生命或者生命過程也能合成，開啓了有機化學合成的大門。沃勒的實驗還證明，化合物是有内部結構的：氰酸銨和尿素化學組成一樣，但卻是兩種迥異的物質。
第一個用來解釋有機物組成的嘗試是極性基理論，[1]是由德國化學家李比希（Justus von Liebig，1803-1873）和法國化學家杜馬（Jean-Baptiste André Dumas，1800-1884）共同提出的。該理論認爲，極性基是一種穩定的分子砌塊，它們之間通過陰陽電荷吸引而形成穩定并且電中性的化合物。但很快這個理論就受到了挑戰。比如杜馬發現，一些化合物中用電負性的氯代替電正性的氫之後並沒有明顯改變產品的特性：乙酸轉化為三氯乙酸，而後者仍然是一種酸。杜馬的學生提出了類型論，其要點是有機物是由簡單分子通過置換而產生。比如類型之一是水型，醇類就屬於水型。1850年英國化學家威廉姆森（Alexander William Williamson，1824-1904）用乙醇的鉀鹽和碘乙烷合成了乙醚（這個反應後來被稱爲威廉姆森醚合成法），證明了乙醇確實是水型分子。其它類型包括氨、氫和氯化氫。據説，這四種類型能夠解釋很多有機物的產生，比如羧酸、醇、醚、有機氯化物和丙酮等等。但問題是，這些分子的反應揭示出它們無法被簡單歸於一個類型，而是經常體現出多類型的性質。以上理論均無法解決有機物的分類和反應性問題。
英國化學家弗蘭克蘭（Edward Frankland，1825-1899）曾是極性基理論的支持者。一次，他試圖通過碘乙烷和鋅反應來製備乙基。按照極性基理論，這個反應應當產生一個穩定的極性基——乙基。結果出乎所有人的預料：該反應生成丁烷和二乙基鋅。弗蘭克蘭發現，無論如何改變條件，二乙基鋅中乙基的數量都是鋅的兩倍。1852年弗蘭克蘭提出，所有元素都具有其它元素結合的能力；這種能力有極限，飽和之後便無法再結合更多。這種結合能力後來被稱為價（valence）。弗蘭克蘭發現，不同元素有不同的價，比如鋅通常是兩價，而磷卻可以是三價或者五價。弗蘭克蘭的價理論成爲後世價鍵理論的基礎。他也是合成有機金屬化合物的第一人。
價理論很快遇到了一個挑戰。當時人們已經瞭解苯的分子式，也知道它是一種高度不飽和的分子。奇怪的是，任何單取代的苯都只有一種異構體。這似乎暗示苯分子中所有的碳都是等價的。但是，如果該分子中含有單鍵和雙鍵，由於其鍵長不同，必然導致一些碳原子和另外一些不等價。1865年德國化學家凱庫勒（Friedrich August Kekulé，1829-1896）解決了這個問題。他在夢中看見一條蛇咬住自己的尾巴形成一個環。受到這個啓發，凱庫勒提出了苯擁有環形結構，並含有交替的單鍵和雙鍵。他進一步建議，苯環上的單雙鍵不停的流動，完滿地解釋了苯環碳原子等價的現象。這是現代共振態理論的雛形。
這時有機化學已經積纍了大量的數據和觀察。比如當時人們已經知道，碳可以形成單鍵和雙鍵；再比如1848年發現了兩種組成和物化性質完全一樣但旋光方向相反的酒石酸。不久後又發現了兩種不具旋光性的酒石酸。其中一種是新物質，另外一種是(+)-和(-)-酒石酸的等量混合物。前者被稱爲内消旋酒石酸，後者是外消旋酒石酸。因此天然酒石酸一共有三種不同的異構體。這説明，碳原子不但是多價的，而且一個碳原子連帶的基團可能有不同的空間分佈。正是這些不同的空間分佈導致了旋光異構體。1874年，荷蘭化學家范特霍夫（Jacobus Henricus van 't Hoff，1852-1911）和法國化學家勒貝爾（Joseph Achille Le Bel，1847-1930）獨立提出了四價碳的理論，能夠解釋旋光異構現象。因此，范特霍夫榮膺1901年首届諾貝爾化學獎。他們的理論宣告了現代有機化學的誕生。
有機化學的下一個里程碑是天然單糖結構的發現。德國化學家費歇爾（Emil Fischer，1852-1919）通過不懈努力，不但確定了天然葡萄糖的結構，還用關聯的方法向下到甘油醛（三碳糖）、向上到九碳糖並確定了其結構。他把右旋光的甘油醛作爲立體異構體的基準性分子，並規定其構型為D型，左旋甘油醛為L型。根據這個規則，當時已知的天然單糖都是D型，而天然氨基酸都是L型。這種構型記法至今仍在糖化學和蛋白質化學中廣泛使用。費歇爾其它的貢獻還包括對氨基酸和肽鍵的研究以及嘌呤和鎮靜藥巴比妥的合成。這些領域在當時都是令人望而生畏的，因爲缺乏研究方法和工具。費歇爾能夠成功，就在於他在探索研究方法上的敏銳。因爲這些貢獻，費歇爾被授予1902年諾貝爾化學獎。
20世紀初，價理論取得了相當的成功，當時的人們已經知道用短綫來代表兩個原子之間的價，并且能元素符號寫出化合物的結構式，甚至能標明某個元素的立體化學。但是有一個最關鍵的問題一直沒有得到解決，即價的本質。兩種不同的元素究竟是通過什麽作用結合在一起的？是某種作用力，還是某個基本粒子？這些問題在量子革命之前是無解的。1897年電子的發現和1911年原子核的發現讓化學家們意識到，原子核處於原子的中心，而電子分層居於原子的外層。那麽最外層的電子自然而然就擔負起了形成化學鍵的責任。一個元素的化學性質，某種程度上是由其最外層電子的多寡來決定的。這些電子被稱作價電子。
受到這些進展的啓發，美國化學家路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875-1946）在1916年提出了共價鍵理論。他指出，很多元素都有和其它元素（包括其自身）形成共用電子對的傾向。這些共用電子對就是共價鍵；共價鍵生成的結果就是使成鍵原子彼此都能達到外層八電子穩定結構。在此基礎上，美國化學家鮑林（Linus Pauling，1901-1994）運用量子理論進一步闡釋了共價鍵的本質。他指出，共價鍵并不是簡單的兩個原子共用電子對。比如甲烷中的四個碳氫鍵完全等價，但是碳的四個價層電子卻分佈在兩個亞層裏，每個亞層能量不同。這似乎前後矛盾。鮑林發現，爲了達到最佳成鍵效果和能量最低的狀態，碳的四個價層電子需要經過雜化並和四個氫原子生成四個完全等同的共價鍵。整個甲烷分子的幾何形狀是正四面體。量子化學計算的結果和他的預測相符合。鮑林的理論深化了我們對共價鍵本質的認知，並給後世的理論化學和計算化學奠定了基礎。至此，由凱庫勒最先倡議的苯環結構和所謂「芳香性」終於有了一個最終的解釋。
這時的有機化學已經變成了一個相當龐大的研究體系，各種化合物、合成方法、純化方法層出不窮。有機化學的學科分野日益明顯，研究者們開始術業有專攻。最先自成體系的當屬有機合成化學。1860年代，英國化學家珀金（William Henry Perkin，1838-1907）開啓了用苯胺製造廉價合成染料的先河。1899年，德國拜耳公司開始銷售合成阿司匹林（乙酰水楊酸）。這種合成藥物和天然提取的水楊酸衍生物一樣有效，但是沒有刺激性。但這些合成化學品都很簡單，并不是有意識人工設計的結果。現代合成路綫設計的發端當屬德國化學家維爾施泰特（Richard Martin Willstätter，1872-1942）合成托品酮，即後世藥物阿托品的前體。英國化學家羅賓遜（Robert Robinson，1838-1907）對托品酮的合成法進行了重大改進。他的方法不僅僅是縮短了合成路綫，而是通過分析產物的結構，正確的推測出了反應物應該具有的結構和基團。他的反應只有一步，產率從維爾施泰特的不到1%達到了超過90%。羅賓遜是現代逆向合成分析的鼻祖。
20世紀中後期，有機合成碩果纍纍，名家輩出。其目標分子結構之複雜、精妙均是前代所不曾見到的。美國化學家伍德沃德（Robert Burns Woodward，1917-1979）帶領來自14個國家的100多名研究者歷時11年，終於在1973年合成了維生素B12。由於其結構過於複雜，有些同行一度質疑伍德沃德是否真的得到了這個分子。迄今維生素B12的合成仍是有機合成中的王冠，無人能夠超越。美國化學家EJ 科里（Elias James Corey，1928-）在羅賓遜合成法的基礎上把逆向合成分析從經驗和直覺理性化、系統化，給合成複雜分子提供了一個有力的工具。從此之後，全合成不再是少數人的專利，而是成爲一門人人可以學習並掌握的學科。後來抗癌藥物紫杉醇和岩沙海葵毒素的合成都受益於逆向合成分析。但即使如此，自然界仍有一些天然產物超越我們現在的合成能力，只能等到將來去解決，比如刺尾魚毒素等。
藥物化學和天然有機化學受益於有機合成的突飛猛進。目前世界範圍内使用的西藥几乎都是化學合成的結果。這些合成藥確實起到了救死扶傷的作用，但是歷史上也出現了一些慘痛的教訓。如何合成安全、有效的藥物仍然是藥物化學的重心之一。自然界仍然是我們學習藥物分子設計最大的靈感來源。很多常用藥，遠的比如抗生素（青黴素等），近的有抗瘧疾藥青蒿素、抗癌藥紫杉醇、抗膽固醇藥物他汀（包括立普妥Lipitor）等等，全部都歸功於源自自然的啓發。至今，天然產物仍然是新藥發現的最佳選擇和起點。[2] 天然有機化學仍是一個很有活力的領域。
有機合成的發展離不開分離手段和鑒定方法的進步。多步合成的每一步都要運用這二者，方能確保最終得到目標產物。有機化學主要的分離手段是蒸餾、重結晶和色譜。蒸餾和重結晶有悠久的歷史，但是這些方法適合分離較大量樣品。現代稍複雜的有機合成，在實驗室階段，有多步的樣品量可能都是毫克量級。這樣麽小的樣品基本只能使用色譜方法分離。俄籍意大利裔化學家茨維特（Mikhail Semyonovich Tsvet，1872-1919）首先探索了色譜方法。1901年，他發現使用溶劑淋洗吸附在粉狀石灰石上的綠葉提取物可以將其分離成幾個顔色迥異的部分，這就是「色譜」一詞的由來。後世所有的色譜法都是基於茨維特的發現，但是分離對象已經不限於有顏色的物質；分離媒介非常多樣化；分離效率也大大提高。
鑒定方法（或稱表徵方法）則是推動有機化學發展的另一大動力。初期的有機化學只能靠元素分析、熔點、沸點和其它物理性質（比如旋光）來確認一個化合物。這些方法把化合物當作黑箱，無法確認其結構，但是可以根據其形狀大小來區別它們。波譜技術則完全不同，可以讓研究者洞察分子的内部結構。它們讓有機化學局面爲之一新。有機化學研究者通常說「四大譜」包括核磁共振、質譜、紅外和紫外。這些研究方法已經是有機化學的基本武器，其原理和使用在大學基礎化學課中廣泛教授。
在學科分野加深、隔行如隔山的同時，有機化學和其它一些化學學科的傳統領地卻在逐漸彌合。現在嚴格區分有機物和無機物已經沒有實質的意義。比如C60。它和石墨化學成分一致，就是純碳，但通常被認爲是有機化合物。再如有機金屬化學就是介於有機化學和無機化學之間的一個新興學科。如果一個化合物含有至少一個碳-金屬鍵（單鍵或多鍵; σ鍵或π鍵），它就是一個有機金屬化合物。這些新物質極大地豐富了我們對化學鍵的認識，使共價鍵理論更加完善。同時，現代化學工業中使用的大量催化劑都是有機金屬化合物。比較著名的包括生產聚乙烯和聚丙烯的齊格勒-納塔催化劑和茂金屬催化劑，孟山都過程中的銠催化劑用甲醇羰基化製備乙酸等等。最後，半導體工業大量使用有機金屬化合物。可以説，有機金屬化合物是我們現代文明的支柱之一。
高分子化學是研究有機大分子的學科。我們日常遇到的塑料就是高分子。它們給消費者提供了極大的便利：塑料製品和包裝輕便、結實、耐用、價廉，因此很快傳遍了世界，但也製造出了一個困局，即塑料廢物的處理。從長遠來看，重新利用和循環塑料可能是解決這個問題的策略之一。高分子化學也已經產生了一些子學科，比如合成高分子化學專注於合成各類新型大分子、控制其分子量分佈、改進其化學性能（耐熱、耐酸鹼等等）；高分子物理側重於研究高分子形態、機械性能以及熱力學等等；高分子材料學則聚焦在發展新材料和尋找高分子的新應用。
題圖爲抗癌藥物紫杉醇的結構。（來源：wikicommons， CC BY-SA 4.0）
引用與注釋
[1] 這個理論的英文名是radical theory。但是其中的「radical」一詞和後世的「自由基」含義不同，不可混同。
[2] Natural Products as Sources of New Drugs over the Nearly Four Decades from 01/1981 to 09/2019, Newman, D. J. et al J. Nat. Prod. 2020, 83, 3, 770–803. DOI: 10.1021/acs.jnatprod.9b01285
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