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化學結構學說

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化學結構學說是包括1857年,凱庫勒提出了「原子數」的概念,以及1858年,凱庫勒重申了碳是四價的學說等等一步步建立而成的。

  18世紀,歐洲的一些國家相繼爆發了資產階級革命,生產力得到了解放,工業發展速度極快,隨之而來的是工業中所謂的「廢料」的利用問題日益亟待解決,近代有機化學就是在這樣的歷史背景下得以創立和發展的。


  在有機化學中,原子價概念的形成和確立,是有機化合物結構理論建立的先決條件。早在1850年左右,英國化學家弗蘭克蘭研究了金屬有機化合物,他在研究中發現,在一些金屬有機化合物的分子中,有機基團的數目與金屬原子的數目之間有著一定的比例關係,因而提出,金屬與其他元素化合時,具有一種特殊的結合力。


  1857年,凱庫勒提出了「原子數」的概念,他指出,化合物的分子由不同原子結合而成,與某一元素相化合的其他元素的原子的數目,取決於各成分的親合務值。這裡所謂的親合力值即相當於現在所說的原子價。凱庫勒指出了一些元素的原子價,其中碳的原子價為四價。凱庫勒在這裡形成起了重要作用。


  1858年,凱庫勒重申了碳是四價的學說,並且進一步提出了碳原子間以價相邊成鏈狀的學說。他在實驗中考察了幾種最簡單的碳的化合物,如:沼氣、氯甲烷、四氯化碳、氯仿等。他發現,化學上認為最小量的一原子的碳,總是和四個原子的一價元素或兩個原子的二價元素相結合。這使他得出了碳是四價的概念。


  對於碳原子間可以相連成鏈狀的學說,凱庫勒是這樣解釋的:「對於含有幾個碳原子的物質,我們必須假定硫原子的親合力不僅有一部分與其他種類原子結合,而且各碳原子彼此之間也可以結合而排成一線。」,由以上這種假設,他認為,在兩個碳原子的2*4個親合力單位中,最可能的是一個碳原子的一個單位親合力用在兩個碳原子的結合上,就只剩下6個單位親合力通夠用在兩個碳原子結合上,就只剩下6個單位親合力能夠用於其他元素的結合上了。換言之即,兩個碳原子組成的基團c2是具有6個親合力的單位的,可以和一價元素的6個原子結合形成化合物。1861年,凱庫勒在《有機化學教程》一書中運用了「香腸式」結構式來描繪有機化合物。


  無獨有偶,英國化學家庫帕於1858年,也獨立地提出了碳是四價和碳原子之間可以相連成蓮狀的學說。他採取以下的式子來描繪有機化合物結構。


  c{o…ohc{o…ohc{o…oh


  …h2h2h2}c


  c…h3c…h3h3…c


  甲醇乙醇乙醚


  庫帕那時採用的原子量o=8,如果o=16,上圖式中所有相連的兩個氧原子都應改為一上氧原子,這就與我們現在用的有機化合物結構式相當接近了。


  凱庫勒和庫帕的學說,為有機化學結構理論的建立奠定了基礎。關於「化學結構」這一概念,在19世紀上半葉就已為化學家所採用了,到60年代,又得到了新的發展。1861年,俄國化學家布特洛夫在《論物質的化學結構》這一報告中,強調了「化學結構」這個概念。他指出,假設任一化學元素都有化學親合力值,這一值可能無限亦可能有限,化學原子借這種力來形成物質。布特列洛夫建議將這種化學關係,用「化學結構」一詞來表示。並且,他認為,有機化合物的化學性質與其化學結構之間存在著一定的依賴關係。因此,一方面可以依據分子的化學性質;另一方面則可以根據性質和化學反應而推測分子的化學結構。由此,人們就可能用化學方法來認識和確定有機化合物的化學結構。在此後的十幾年中,布特洛夫曾預測併合成了一些有機化合物。如異丁烷。


  在1860年前後,雖然弗蘭克蘭、凱庫勒、庫帕和布特列洛夫等人在化學結構理論的建設上做出了卓越的貢獻,但是在這時,這種新理論和概念還很不完備,甚至有一些漏洞。擺在面前的攔路虎有兩個:其一是具有cnh2n+2代數式的烷烴是否存在著兩大異物系列:一是碳原子的四個價鍵是否相異。


  這兩大難題在1864年得到了圓滿的解決,「擒虎人」是德國的有機化學家肖萊馬。肖萊馬是馬克思和恩格斯的革命戰友,在自然科學方面,他自覺運用了辯證唯物主義作為指導,在科研方面取得了很大成就。恩格斯評價肖萊馬為「現代的科學的有機化學的奠基人之一」。


  肖萊馬批判地繼承了布特列洛夫等人的見解,並加以嚴格聽分析篩選。在實驗中,他採用了純度較高的樣品。經過認真審慎地研究,肖萊馬發表了《論二甲基和氫化乙基的同一性》這篇著名的論文,肯定地指出所謂「二甲基」和「氫化乙基」實為一物,即c2h6,從而排除了一個假想的烷烴系列,並證實了碳原子的四個化合物的等同性。


  至此,近代有機化學中的化學結構學說的創立過程圓滿結了。

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