官能团

官能团（functional group）又称功能基，是决定有机化合物主要性质和反应的原子或原子团。^[2][5]官能团是有机化合物结构的一部分^[4]，在有机化合物分子中比较活泼、容易发生反应并能反映着某类有机化合物的物理和化学共性。^[3]常见官能团碳碳双键、碳碳三键；羟基，存在于醇和酚中；羧基，存在于羧酸中；羰基，存在于醛、酮tóng和醌kūn中；硝基，存在于某些有机氮化合物中；以及氨基、卤素、硫基、磺酸基、氰基、醚键等。^[2][1]

在有机化学中，官能团的概念是根据其反应对大量化合物进行分类的基础。^[1]将有机化合物按官能团进行分类，便于对有机化合物的共性进行研究。^[2]大部分药物的生产、调制、保存、分析以及中草药的分离、提纯等与药物所含的官能团密切相关。^[4]

对于复杂有机化合物来说，应遵循IUPAC的系统命名法来命名，基本方法分四步：选择主要官能团；定主链位次；确定取代基并列出顺序；写出全称。^[6]

通常按官能团排列顺序来选择化合物中的主要官能团。官能团的顺序按下列序号排列：1.酸；2.酯zhǐ；3.酰胺；4.腈jīng；5.醛；6.酮；7.醇酚；8.胺；9.亚胺；10.氮杂环；11.磷杂环；12.氧杂环；13.硫杂环；14.碳环；15.烃；16.卤烃。习惯上把排在前面的官能团选做主要官能团，命名时称为某某化合物，排在后面的官能团看成取代基。例如：、和，主要官能团分别是，分别称为酸、酯和醇。^[6][7]

选择含有主要官能团、取代基多的最长碳链为主链，从靠近官能团的一端开始给主链编号，给定主链上取代基的位置。编号要遵循"最低系列原则”，即碳链以不同方向编号，得到两种或两种以上的不同编号系列，比较各系列不同位次，最先遇到的位次最小者，定为“最低系列”。例如：^[6]

主链上有多个取代基或官能团命名时，这些取代基或官能团列出顺序遵守“顺序规则”（sequence rule），较优基团后列出。顺序规则内容（用“>”表示优于）：^[6]

（1）各种取代基或官能团按其第一个原子的原子序数大小排列，原子序数大者为“较优”基团。若为同位素，则质量高的定为“较优”基团。例如：^[6]

I>Br>Cl>F>O>N>C>H

D>H

（2）如果两个基团的第一个原子相同，则比较与之相连的第二个原子，以此类推。比较时，按原子序数排列，先比较各组中原子序数最大者，若仍相同，再依次比较第二个、第三个。若仍然相同，则沿取代基链逐次比较。例如：^[6]

（3）含有双键或三键，可以分解为连有两个或三个相同原子，例如：^[6]

所以有三键优于双键

（4）写出化合物全名

写全名时，取代基的位次号写在取代基名称前面，用半字线“-”与取代基分开；相同取代基或官能团合并写，用二、三等表示相同取代基或官能团数目，位号数字间用逗号“，”分开；前一取代基名称与后一取代基位号间也用半字线“-”分开。在不会混淆时，可以省去位次号，多数情况下“1”可以省去，例如：^[6]

官能团决定了有机化合物的主要性质，包括化学性质和一些物理性质，利用这些性质往往可以对有机化合物的官能团进行鉴定。^[4]

化学方法有时可以迅速达到鉴定官能团的目的。例如，分子中的碳碳双键可以和溴水反应，迅速使溴水褪色，如不褪色，则分子不含碳碳双键。又如，分子中的醛基和酮基可以和2,4二硝基苯肼jǐng反应，迅速生成黄色沉淀，如无黄色沉淀生成，则分子不含醛基和酮基。常见官能团的鉴定反应见下表。^[4]

官能团		化学试剂	反应现象	能产生相同现象的官能团或有机物	备注
名称	结构
不饱和键		Br2 / CCl4或溴水	褪色	酚	-
		KMnO4酸性溶液	褪色	伯醇、仲醇、甲醇、酚、甲酸、草酸、醛、含α—H的烷wán基苯	-
醇羟基	—OH	Na	无色气体（H2）	一COOH、酚羟基	-
		卢卡斯试剂	浑浊	-	伯醇、仲醇、叔醇出现浑浊的时间不同
酚羟基	—OH	FeCl3溶液	显色	具有烯醇式结的有机物	-
醛基	—CHO	2,4-二硝基苯肼	黄色沉淀	酮基	-
		斐林试剂	砖红色（Cu2O）沉淀	甲酸	①甲醛的反应现象是铜镜；②芳香族醛无此反应；③水浴加热
		托伦试剂	银镜	甲酸	水浴加热
		希夫试剂	溶液显紫红色	-	-
酮基	—CO—	2,4-二硝基苯肼	黄色沉淀	醛基（一CHO）	-
		次碘酸钠溶液或碘（I2）的碱溶液	黄色沉淀（碘仿）	乙醛、乙醇以及具有 下图中结构的醇	酮中，只有甲基酮才有此反应
羧基	—COOH	碳酸氢钠固体（或溶液）	无色气体（二氧化碳）	-	-

化合物经纯度检查和确定分子式后，需进一步进行官能团和分子骨架的确定。首先计算该化合物的不饱和度，准确计算出结构中可能含有的双键数或环数，再根据所测得的物理常数、化学定性试验、降解反应及紫外光谱、红外光谱、质谱、核磁共振谱等综合分析，以确定化合物所含官能团、母核类型等。^[8]

在化合物结构分析中，光谱技术具有用量少、可回收、省时省力等优点，克服了经典结构研究中耗时长、准确性差、消耗样品量大及不可回收等缺点。通过波谱解析，或与已知化合物的谱学数据对照，把各官能团或结构片段连接起来形成整体结构，再进一步通过X-Ray单晶衍射、旋光谱、圆二色谱或2D-NMR等方法进一步确定其立体结构。常用于结构鉴定的光谱技术有紫外吸收光谐（ultraviolet absorption spectrum，UV）、红外吸收光谱（infrared absorption spectrum，IR）、核磁共振谱（nuclear magnetic resonance，NMR）和质谱（mass spectrum，MS）。^[8]

烷烃分子的化学键均为σ键；碳碳双键、碳碳三键均由σ键和π键组成，只是π键的数目不同；在苯的结构中，存在一个闭合的π-π共辄体系，其中的π电子高度离域，π电子云密度完全平均化。^[9][4][10]

分类	官能团名称	化学式	英文前缀	英文后缀	举例
烷烃[注1]	烷基		alkyl-	-ane	乙烷
烯烃	烯基		alkenyl-	-ene	乙烯
炔烃	炔基		alkynyl-	-yne	乙炔
苯及衍生物	苯基		phenyl-	-benzene

卤代烷烃是一类由碳卤素键定义的分子。一般来说，除氟fú化合物外，卤代烷烃容易发生亲核取代反应或消除反应。^[9][4][10]

由于sp-杂化氧（羰基）的吸电子作用和sp2-杂化氧（醇基）的供体作用，含有C-O键的化合物各自具有不同的反应性，具体取决于C-O键的位置和杂化。^[9][4][10]

分类	官能团名称	化学式	英文前缀	英文后缀	举例
醇	羟基	ROH	hydroxy-	-ol	酒精CH₃CH₂OH
酮	羰基	RCOR'	-oyl- (-COR') oroxo-(=O)	-one	丙酮CH₃COCH₃
醛	醛基	RCHO	formyl-(-COH) oroxo-(=O)	-al	甲醛CH₂O
酰卤	卤代甲酰基		carbonofluoridoyl-	-oyl fluoride	氟乙酰C₂H₃FO
			carbonochloridoyl-	-oyl chloride	氯乙酰C₂H₃ClO
			carbonobromidoyl-	-oyl bromide	溴乙酰xiānC₂H₃BrO
			carbonoiodidoyl-	-oyl iodide	乙酰碘C₂H₃IO
碳酸酯	碳酸酯	ROCOOR	(alkoxycarbonyl)oxy-	alkylcarbonate
羧酸盐	羧酸根		carboxy-	-oate	醋酸钠CH₃COONa
羧酸	羧基	RCOOH	carboxy-	-oic acid	甲酸HCOOH
酯	酯基	RCOOR'	alkanoyloxy-alkoxycarbonyl	alkyl alkanoate	甲酸甲酯HCOOCH₃
氢过氧化物	氢过氧基	ROOH	hydroperoxy-	alkyl hydroperoxide
过氧化物	过氧基	ROOR	peroxy-	alkyl peroxide
醚	醚	ROR'	alkoxy-	alkyl alkylether

该类别中含有氮的化合物可能含有C-O键。^[10]

分类	官能团名称	化学式	英文前缀	英文后缀	举例
酰胺	酰胺		carboxamido-	-amide
胺	伯胺		amino-	-amine	一甲胺CH₃NH₂
	仲胺		amino-	-amine
	叔胺		amino-	-amine
	季铵ǎn盐 季铵阳离子		ammonio-	-ammonium
亚胺	一级酮亚胺		imino-	-imine
	二级酮亚胺		imino-	-imine	-
	一级醛亚胺		imino-	-imine
	二级醛亚胺		imino-	-imine	-
酰亚胺	酰亚胺		imido-	-imide
叠氮化物	叠氮根		azido-	alkyl azide
偶氮化合物	偶氮基		azo-	-diazene
氰qíng酸酯	氰酸酯		cyanato-	alkyl cyanate
	异氰酸酯		isocyanato-	alkyl isocyanate
硝酸酯	硝酸酯		nitrooxy- nitroxy-	alkylnitrate	硝酸甲酯CH₃NO₃
腈	氰基		cyano-	alkanenitrile alkyl cyanide
	异腈		isocyano-	alkaneisonitrile alkyl isocyanide
亚硝酸酯	亚硝酸酯		nitrosooxy-	alkyl nitrite
硝基化合物	硝基		nitro-	-
亚硝基化合物	亚硝基		nitroso-	-
肟wò	肟		-	Oxime
吡啶及衍生物	吡啶dìng基		4-pyridyl (pyridin-4-yl) 3-pyridyl (pyridin-3-yl) 2-pyridyl (pyridin-2-yl)	-pyridine
氨基甲酸酯	氨基甲酸酯		(-carbamoyl)oxy-	-carbamate

含有硫的化合物表现出独特的化学性质，因为硫能够形成比氧更多的键。^[10]

分类	官能团名称	化学式	英文前缀	英文后缀	举例
硫醇	巯基		mercapto- sulfanyl-	-thiol	甲硫醇CH₃SH
硫醚	硫醚		substituent sulfanyl-	di(substituent) sulfide	二甲硫醚CH₃SCH₃
二硫化物	二硫键		substituent disulfanyl-	alkyl alkyl disulfide	二甲二硫醚CH₃SSCH₃
亚砜	亚磺酰基		-sulfinyl-	di(substituent) sulfoxide
砜fēng	磺酰基		-sulfonyl-	di(substituent) sulfone
亚磺酸	磺胺基		sulfino-	-sulfinic acid
磺酸	磺酸基		sulfo-	substituentsulfonic acid
磺酸酯	磺胺基		(-sulfonyl)oxy- alkoxysulfonyl-	R'R-sulfonate
硫氰酸酯	硫氰酸基		thiocyanato-	substituent thiocyanate
	异硫氰酸基		isothiocyanato-	substituent isothiocyanate

含有磷的化合物表现出独特的化学性质，因为磷能够比氮形成更多的键。^[10]

分类	官能团名称	化学式	英文前缀	英文后缀	举例
膦	膦		phosphino-	-phosphane
亚磷酸酯	亚磷酸酯		phosphono-	substituent phosphonic acid
磷酸酯	磷酸酯		phosphonooxy-或O-phosphono- (phospho-)	substituent phosphate
磷酸二酯	磷酸酯		[(alkoxy)hydroxyphosphoryl]oxy- 或 O-[(alkoxy)hydroxyphosphoryl]-	di(substituent) hydrogen phosphate 或phosphoric acid di(substituent) ester

含有硼的化合物表现出独特的化学性质，因为它们具有部分填充的八隅体，因此起到路易斯酸的作用。^[10]

分类	官能团名称	化学式	英文前缀	英文后缀	举例
硼酸	二羟硼基		Borono-	substituent boronic acid
硼酸酯	O-[双（烷氧基）烷基硼基]		O-[bis(alkoxy)alkylboronyl]-	substituent boronic acid di(substituent) ester
硼酸	羟基硼		Hydroxyborino-	di(substituent) borinic acid	-
硼酸酯	O-[烷氧基二烷基硼基]		O-[alkoxydialkylboronyl]-	di(substituent) borinic acid substituent ester

在有机合成中，反应物分子常常为多官能团化合物，在某一反应条件下，往往存在多个反应部位，从而产物构成复杂，甚至得不到目标分子。为了使目标反应顺利进行，可利用一些特定反应将分子中对反应条件敏感的官能团保护起来，当目标反应完成后，再将保护基去除。显然官能团保护具有三个优点：①提高反应区域选择性；②提高反应立体选择性；③有利于反应产物分离。^[13]

官能团保护基应具备的条件：官能团保护的最主要的问题就是寻找合适保护基。大量实验结果表明，一个理想的保护基应具备下列四个条件：①保护基引入条件温和；保护基在目标分子形成过程中稳定；③基团在温和条件下应可以选择性地除去；④去保护过程产生的副产物应容易离去。^[13]

醇羟基易氧化（如伯醇和仲醇），易脱水（如叔醇），可分解各种试剂和其他有机金属化合物。因此，在某些化合物的合成中，为阻止上述反应的发生，就需要将羟基保护起来。醇羟基常用的保护方法为转换为醚类、缩醛或缩酮类及其酯衍生物。^[13]

酚羟基的两类常用保护方法是形成醚类和酯类。^[13]

羰tāng基是最容易发生反应的活泼官能团之一，可与多种亲核试剂发生亲核加成，因此在许多反应中需要保护羰基。常用生成缩醛和缩酮来保护羰基。^[13]

伯胺和仲胺很容易氧化，且易发生烃基化、酰基化以及与醛、酮羰基的亲核加成反应。在合成中常采用氨基质子化，转变为酰基衍生物和烃基衍生物等方法保护氨基。^[13]

羧基通常用形成酯的方法保护。常见的有转变为甲酯、乙酯、叔丁酯、苄biàn酯等。^[13]

现在已经广泛用于防治疾病的药物中，极大多数是有机化合物；而且目前大量涌现的新药中，也几乎全是有机化合物。对新药的寻找、构效关系的研究、合成药物生产中的工艺改进、质量检查、剂型加工以及使用、保管等，都需要借助官能团。^[14]

药物合成反应，官能团影响药物的活性和作用机制。化学上存在大量的官能团，仅有一部分在药物结构中更为常见，例如醇、酚、胺、酰胺和芳环较为常见。例如吗啡和茚地那韦的结构中就出现了这样的官能团。不同的药物所含的官能团数目和种类不同，一般地，药物中存在的官能团越多，合成的挑战可能越大。^[15]