中外科学家发明家丛书:肖莱马-第3部分

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学的研究，而有机合成、有机分析的发展又为有机化学提供了丰富的实际资　

料，所以新的发现接连不断。有机化学的发展所提供的这些丰富的实践资料　

逐渐增多，就要求人们从理论上加以概括，以便于从中找到规律性的东西，　

从而进一步指导有机化学的实践领域。而且也只有这样，有机化学这门新兴　

的学科才能成为一门真正的科学。　

　　　　　在这方面，早在19世纪前期就有许多化学家进行了初步的探索。一开始　

是贝采里乌斯把无机化学中的电化学理论照搬到有机化学方面，建立起所谓　

的“二元论”。他认为有机物象无机物一样，也可以分为正电与负电两部分，　

并以此解释了一些反应。但在实际应用中，这一理论与许多事实相矛盾，于　

是李比希继而提出“基团理论”，认为有机化学是研究一些原子所构成的“基　

团”的化学。用这一理论，他解释了一些事实，但同样存在着相当的缺陷。　

1834年，杜马关于卤素（如氯）对有机基团中氢的取代作用的发现，给予了　

以上两种理论以极大的冲击。　

　　　　　为克服先前理论的缺陷并吸收杜马的“取代理论”的成果，“类型论”　

进而出现在有机化学界。类型论从统一观点考察各种有机物，认为它们是从　

简单的氢、水、盐酸、氨以及沼气等物质中的氢原子被一个或几个其它有机　

基团所取代后而衍生出来的，并将有机物进而分为相应的几种类型。类型论　

成功地解释了有机物的一些典型反应，对有机化学理论的发展起到了很大的　

促进作用。但由于这种理论没有考虑到各种原子在有机分子中的排列及结合　

方式　（亦即其化学结构），所以随着有机化学现象的不断增加，这种理论开　

始显得狭窄起来。为了自圆其说，类型论的支持者们又引入了“混合类型”、　

　“稠密类型”等发展了的概念，却仍然无法对许多新的现象加以解释。　

　　　　　有机化学的进一步发展，要求将以前各自反映有机分子一个或几个单独　

侧面的种种理论联系起来，并把对原子基团的注意转向对有机分子中单独原　

子的注意，即要求转向对原子间的相互关系、排列方式的注意。与此同时，　

还要求对“分子”、“原子”、“分子量”、“原子量”、“当量”、“化　

合价”等概念作出明确区划，因为如果连某个分子含有多少个原子或某种元　

素以几价化合还搞不清楚，就更谈不上对原子排列的认识了。而只有满足这　

些起码的要求，才能对化合物的结构进行分析，这些条件是在19世纪60年　

代初期才具备的。　

　　　　　19世纪50年代，拉尔与罗兰特在区分原子、分子、原子量、分子量等　

概念方面提出了合理化建议，到了1860年被科学界所公认。几乎在同时，凯　

库勒与库帕在碳元素的化合价及碳原子结合成有机物方面提出了新的理论假　

说。他们提出的碳原子以四价结合成有机物分子链的假说，比以前的各种理　

论都有提高。但这种假说依然是不完备的，比如此时碳原子的四价是否等同　

还没有搞清；因此要将它应用于各种有机物的结构研究，还需要在实验上与　

理论上进行更大的努力。　

　　　　　以上就是肖莱马开始从事有机化学的结构理论研究时（1861）的现状。　


…　Page　12…

这时流行的各种旧理论已经千疮百孔，而新理论又还未成熟，在各种化学教　

科书与化学文献中充满着混乱的观念与术语；在混乱中完成理论上的突破，　

以新的统一的正确理论代替已经过时的旧理论，已如箭在弦上，蓄势待发了。　

　　　　　这时的首要任务，就是要突破类型论的束缚，将凯库勒…库帕的假说向前　

推进一步，建立起正确的化学结构理论。年轻的肖莱马正是在这个方向上开　

始了他的理论探索。　

　　　　　肖莱马以脂肪烃为研究对象，首先从寻找其异构现象的正确解释入手，　

这就抓住了解决问题的关健。因为有机物与无机物不同，其组成的同一性常　

常伴随着性质上的差异，而造成这种差异的根源就是异构现象；而要解释具　

有同一化学组成和分子量的那些有机物为什么会有如此大的差异，就只有从　

其分子内原子排列方式的不同中，才能寻找到正确的答案，这就需要化学结　

构理论的建立与发展。　

　　　　　在肖莱马之前，关于脂肪烃的异构物被似是而非地分成并列的两大类：　

一类是所谓游离的“醇基”，其通用分子式为CnH，如甲基（CH）、乙　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2n＋1　　　　　　　　　　　　　　3　



基（CH）、丙基（CH）等，它们被视为沼气的真正同系物；另一类是所谓　

　　　　　　25　　　　　　　　　　　　　37　



的“氢化醇基”，它们通用分子式为CnH　·H，如氢化乙基（CH·H）氢　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2n＋1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　25　



化丙基（CH·H）等，它们被视为相应醇基的异构物。　

　　　　　　　　　　37　



　　　　　以含2个碳原子的烃　（即乙烷）为例，类型论的拥护者以为CH这个分　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　26　



子式反映了两种异构烃：一种是柯尔贝从电解醋酸与弗兰克兰加热碘甲烷与　

锌时得到的被称为“甲基”（CH）的游离基，后来日拉尔与罗朗按照阿弗加　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3　



德罗定律将此分子式增加了一倍，改成CH·CH，或被称为“二甲基”；另　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3　　　　　3　



一种是弗兰克兰从乙腈CH·CN中得到的产物，被称为“氢化乙基”（CH·H）。　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　25　



类型论将这两种“异构物”分别纳入了两种不同的类型之中：　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　H　　　　　　　　　　　　　　　　　　　CH　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
…　Page　13…

…CN的价，后者如CH…的化合价。他认为CH…CN以及从其中衍生的醋酸　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3　



CH…COH和氢化乙基CH…H等乙基化合物，均是以一个伯价和一个仲价相联　

　　3　　2　　　　　　　　　　　　　　　　　25　



而成的。而二甲基CH…CH则是以两个仲价相联而成的。因此，氢化乙基与　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3　　3　



二甲基是不同的。　

　　　　　但经过推论，布特列洛夫的假说本身有着很大的矛盾，正如布朗所指出　

的那样，草酸、醋酸等也可以从NC…CN中衍生出来；那么按布特列洛夫的说　

法，NC—CN中含有两个伯价，则草酸、醋酸就应如此，这岂不是与他自己所　

说的醋酸中含伯—仲价相互矛盾了吗？所以，布特列洛夫的假说没能站住　

脚。　

　　　　　1863年艾伦迈又提出另一种假说：碳的四个价彼此都不相同，有a、b、　

c、d四种价；而碳化合价的不同是因为各价受不同的“力”的影响；他以下　

列化学结构方式来解释二甲基与氢化乙基的异构现象（式中C=4c）：　



　　　　　在艾伦迈看来，二甲基中的两个碳原子各以2个d价相联；氢化乙基中　

的两个碳原子则以1个a价和1个d价相联。从实质上分析，艾伦迈的这种　

假说不过是布特列洛夫翻版，也无法解决实际问题。　

　　　　　此时的肖莱马，还只是欧文斯学院化学实验室里的一名普通的实验助　

手。但是面对有机化学理论的这种混乱的局面，他并没有被化学权威们的理　

论所吓倒，并开始向那些似是而非的假说进行了挑战。他一分为二地对待了　

前人的见解，此时他已经对煤焦油与石油馏份中的醇基氧化物进行过研究，　

对醇基氧化物和醇基的物理、化学性质都了然于胸，所以他提出了与前人截　

然不同的见解。　

　　　　　如前所述，在肖莱马以前，关于脂肪烃的异构物被化学家们按其形成过　

程而分为并列的两大族异构的系列：醇基与醇基氢化物。根据阿佛加德罗定　

律，它们的通用分子为CH　。但化学家所注意的，只是醇基与醇基氢化物　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n2n＋2　



之间在物理性质上的差异；对于两者的化学性质，却很少有人研究过。这无　

疑是本末倒置，因为从根本上反映物质性状的，是物质的化学性质。肖莱马　

认识到了这一点。他认为判断两种有机物的异同，不应只着眼于它们的物理　

性质，因为有时样品不纯会直接影响所测物理性质的准确性；他主张应着眼　

于它们的化学性质，两种有机物在同一试剂，同一条件作用后是否得出同一　

产物，才是最终判断两者是否相同的准则。因此，肖莱马对CH　系列烷　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n2n＋2　


…　Page　14…

烃的化学性质第一个作了详细的系统研究。　

　　　　　肖莱马首先以CH　系列的较高级成员为研究对象。在考察了直链烷烃　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n2n＋2　



中被化学家们当成互为异构的乙基…戊基（CH…CH）与氢化庚基（CH·H）　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　25　511　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　75　



以及二戊基（CH…CH）与氢化癸基（CH　·H）这两对氢化物和基的化　

　　　　　　　　　　　　　　　511511　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1021　



学反应及其衍生物特征，发现经过氯处理后，氢化庚基与乙基…戊基都得出同　

样的氯化庚基；而氢化癸基与二戊基都得出同样的氯化癸基。再以硫氢化钾　

　（KSH）处理氢化庚基与乙基…戊基后，二者都得出同一产物：CHSH它表现　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　715　



出硫醇的全部性质，具有同样的沸点。　

　　　　　经过反复实验后，肖莱马得到了同样的实验结果。于是他在论文中写道：　

　“从这项研究的上述结果中，我大胆地作出结论说，在氢化物与基之间，至　

少在这个系列的较高级成员间，不存在化学上的区别”。同时他指出，至于　

两者在沸点上的差异，是由于分离技术所面临的暂时困难所造成的。　

　　　　　肖莱马在作出上述结论后，接着指出：“如果以上的这些观点是正确的，　

那有些重要问题就急需研究了。正如我已说过的，曾有人认为甲基与氢化乙　

基有不同的化学性状。那么CH以及CH之间化合物的性状又是如何的呢？　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　26　　　　　　　　716　



只是这个系列的两个最低级的异构物得出的不同衍生物，还是另一些成员也　

表现出一种类似的异点，而哪一些成员没有这种区别，或者是否只是系列中　

的高级成员的这种区别开始逐渐变小呢？”　

　　　　　为了解释这些不清楚的问题，肖莱马又开始专心致力于研究二甲基与氢　

化乙基的化学性质了。在1864年，他发表了《氯对甲基的作用》与《论甲基　

与氢化乙基的同一性》这两篇具有历史意义的论文。他精心地制备了纯度很　

高的试剂，严格地重复了以前弗兰克兰与柯贝尔所进行的氯对二甲基和氢化　

乙基的作用的实验，仔细地观察了实验中遇到的所有现象并予以详细的记　

录，又对实验产物进行了精密的分析，但却得出了与前两个人不同的结果。　

而高纯度的试剂、熟练的实验技巧、严格的实验步骤，证明了肖莱马所得结　

论的正确性。用肖莱马自己的话来说，他得出了“既是出人意料的，又是决　

定性的研究成果”。通过实验，他证明先前弗兰克兰与柯贝尔等人确认下来　

的所谓甲基（或二甲基）的氯化产物与氢化乙基的氯化产物，成分都同样主　

要是氯乙烷　（CHCI），一种沸点为11℃的无色液体；此外，还含有少量的　

　　　　　　　　　　　　　　　25　



沸点为64℃的二氯乙烷（CHCl）。　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　24　2　



　　　　　得到了正确的实验结果后，肖莱马充满信心地在论文中得出结论说：“从　

这些实验中显而易见，就CH　系列烃的较高级成员而言，在氢化物与基　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n2n＋2　



之间我先前证明的它们没有化学上的区别的理论，就是对这个族的低级异构　

物而言，也是有效。至于说到二甲基与氢化乙基在物理性质　（如溶度）上的　

　‘差异’，则可用所取原料之不纯来解释。如果用纯品，则他们将表现有严　

格的一致性。”　

　　　　　由于肖莱马的这项研究成果的发表，就从根本上推翻了在他之前关于　

CH　系列烃异构现象的全部假说，那些碳原子化合价互异的理论也就随之　

　n2n＋2　


…　Page　15…

破产了。所以肖莱马的研究成果的重要意义就在于：他第一个从实验中证实　

了碳的四个化合价的同一性；排除了以前假想的苦干系列异构烷烃的存在，　

使异构系列得以简化。　

　　　　　在肖莱马看来，CH　通式所反映的烃只有一个系列，那么在这个系列　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n2n＋2　



各成员间的异构现象，就只能从碳的四个价等同原理出发，从碳、氢原子的　

不同排列方式中去寻求答案了。通过这一思路，经研究后肖莱马认为乙烷　

　（CH）、丙烷（CH）没有异构现象，只是从丁烷（CH）开始才产生了　

　　　26　　　　　　　　　　　　　　38　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　410　



异构物：　



　　　　　而戊烷（CH）则有三种异构物。随着碳原子数的递增，异构物数目剧