阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第3部分
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
会按正极对负极、负极对正极的方式排列起来，因此就很容易测量
阿西莫夫最新科学指南
阿西莫夫最新科学指南
纪
30年代初期，测量偶极矩已成为一项
常规性工作。德拜由于这项成就及其他方面的贡献而获得了
1936年的诺贝尔化学奖。
有关分子结构的这个新看法阐明了早期观点所无法解释的一
系列现象。例如，它能说明物质沸点的某些反常现象。总的来说，
分子量越大，沸点就越高。不过，这条规则常被打破。分子量仅为
18的水在
100℃时沸腾，而分子量为
44（高出水分子量的两倍）的
丙烷却在低得多的温度（…42℃）下开始沸腾。为什么会有这种差
异？答案是：水是偶极矩很大的极性分子，而丙烷是非极性的——
它不具有电极。极性分子总是倾向于按正极对负极、负极对正极
的方式排列。由于相邻分子之间存在静电引力，要使这些分子彼
此分离是很困难的，因此，这样的物质具有较高的沸点。因而，虽
然乙醇与它的同分异构体二甲醚具有相同的分子量（
46），但乙醇
的沸点（
78℃）要比二甲醚的沸点（…24℃）高得多。乙醇具有很大
的偶极矩，而二甲醚的偶极矩却很小。水的偶极矩甚至比乙醇的
还要大。
自从德布罗意和薛定谔提出电子是波包而不是轮廓分明的粒
子这个新的电子观点（见第八章）之后，化学键的概念经历了一次更
深刻的变化。
1939年，美国化学家泡令在一本题为《化学键的本质》
的书中提出了分子键的量子力学概念。特别值得一提的是，他的理
论终于解释了苯分子具有极大稳定性这种自相矛盾的现象。
泡令将构成价键的电子描述为它所联结的两个原子之间的共
振。他证明，在一定条件下，必须认为电子占据着许多位置中的任
何一个位置（但概率不同）。由于电子具有类似波的性质，所以最
好是把电子想象为被泼散开的一摊墨迹，以代表这些位置的单概
率的加权平均值。电子散开得越均匀，该化合物就越稳定。如果
分子拥有数个位于同一平面内的共扼键，并且所具有的对称性能
第十一章 分 子
第十一章 分 子
够使电子（视为
1个粒子）拥有数个可供选择的位置，那么，这种共
振稳定性就最有可能发生。苯环是在一个平面上而且是对称的。
泡令证明，苯环的价键实际上并不是单、双键相间，而可以说是电
子泼散开来，形成一种均匀分布，从而使所有的价键都十分相像，
并且全都比普通的单键更牢固、更稳定。
共振结构虽然能圆满地解释化学键的性状，但却很难用画在纸
上的简单图形来表示。正因为如此，尽管用现代的观点来看，古老
的凯库勒结构只不过是对电子实际状况的近似描述，但它至今仍被
普遍应用，而且直到可预见到的将来，无疑还要被继续沿用下去。
有机合成
在科尔贝制成醋酸之后，有一位化学家在
19世纪
50年代对
有机物质的实验室合成开始进行全面系统的、有条有理的研究。
他就是法国人贝特洛。贝特洛首先利用一些像一氧化碳这样的更
为简单的无机物制成了一系列简单的有机化合物，然后逐步增加
后者的复杂性，最后得到相当复杂的有机化合物，如乙醇。当然，
这是合成乙醇，但它同
“真品
”毫无区别，因为它就是真品。
乙醇是大家都很熟悉的一种有机化合物，而且倍受许多人的
青睐。化学家们不必用水果或粮食作为原料，而仅用煤、空气和水
就能制造出乙醇（煤提供碳，空气提供氧，水提供氢），这个想法的
确非常迷人，从而使化学家们荣获了“奇迹创造者”这一新称号。
总而言之，有机合成被提上了重要议事日程。
然而，对于化学家们来说，贝特洛所做的甚至更有意义。他开
始合成自然界中并不存在的一些产物。他用甘油（舍勒于
1778年
阿西莫夫最新科学指南
阿西莫夫最新科学指南
发现的一种化合物，可从分解活机体的脂肪制取）和某些酸（虽然
知道它们天然地存在于别的地方，但当时并不知道它们天然地存
在于脂肪中）化合，结果获得了若干种与活机体中的脂肪不尽相同
的脂肪性物质。
于是，贝特洛为一种新的有机化学——自然界中所不存在的
分子的合成——奠定了基础。这意味着，人们不仅能制造一些也
许在性能上稍差一些的合成物质，来替代某些因数量不足而很难
或不能满足需求的天然化合物，而且还能制造出性能比天然物质
还要好的合成物质。
自从贝特洛指明了道路之后，有机合成不仅能够弥补天然特
质之不足，而且还能以这种或那种方式使其性能得到改善，这种观
点在化学家们的心目中相当牢固地树立了起来。由这种新观点所
产生的第一批成果是在染料领域。
第一批合成物质
有机化学的研究始于德国。维勒和李比希都是德国人，继他
们之后，德国又出现了其他一些颇具才华的有机化学家。然而，在
19世纪中叶之前，英国甚至根本没有能同德国相提并论的有机化
学家。事实上，英国的学校当时对化学极不重视，只在午饭后的休
息时间教授这门课程，并不指望（也许根本就不愿意）许多学生对
化学产生兴趣。因此，第一个轰动世界的合成工艺竟出自英国，实
在令人惊奇。
事情的大致经过如下：1845年，伦敦皇家理科学院终于作出
认真开设化学课程的决定，并请来一位年轻的德国人执教。这个
人就是当时只有
27岁的
A。 W。霍夫曼。建议聘用
A。 W。霍夫曼
的是维多利亚女王的丈夫阿尔贝特亲王（亲王本人也是德国血
统）。
第十一章 分 子
第十一章 分 子
A。 W。霍夫曼感兴趣的课题很多，煤焦油即是其中之一，他曾
在李比希指导下从事的第一个研究项目中接触过这种物质。煤焦
油是在煤与空气隔绝条件下高温加热而产生的一种黑色粘稠物
质。它虽然不讨人喜欢，但却是有机化学药品的一个重要来源。
例如，在
19世纪
40年代，它是大量制取相当纯净的苯和一种称之
为苯胺的含氮化合物（与苯有关）的原料，以上两种化合物都是
A。 W。霍夫曼最先从煤焦油中提取出来的。
A。 W。霍夫曼来到英国
10年之后，偶然遇到一位名叫珀金的
17岁少年，他当时正在皇家理科学院学习化学。A。 W。霍夫曼慧
眼识英才，而且一旦发现人才，便热情扶持。他把这位少年提升为
助教，让他从事煤焦油化合物的研究工作。珀金对工作满腔热情，
从不懈怠。他在家里建立了一个实验室，从学校回来之后就在家
里的实验室里继续工作。
A。 W。霍夫曼对化学在医学上的应用也很感兴趣。
1856年
的一天，他在沉思中喃喃自语：能不能用化学方法合成奎宁（一种
治疗疟疾的天然物质）呢？这时结构式尚未盛行起来，人们只知道
奎宁的原子组成，至于它的结构有多么复杂，当时无人知晓。（直
到
1908年人们才正确地推导出奎宁的结构式。）
年仅
18岁的珀金，多亏他对奎宁的复杂结构一无所知，才敢
于去解决奎宁的合成问题。他开始用的原料是他从煤焦油中提取
的一种化合物烯丙基甲基苯胺。它的分子所含的各种原子的个数
似乎均为奎宁的一半。珀金猜想，如果使两个这样的分子合并在
一起，再把所缺的氧原子补足（比如说，混入一些重铬酸钾。它能
使与它混合的化合物增添氧原子，这在当时已为人所知），那么，或
许就能得到奎宁分子。
这种做法当然不会给珀金带来任何结果。他所得到的只是一
种肮脏的棕红色黏液，后来他改用苯胺进行试验，结果得到一种黑
阿西莫夫最新科学指南
阿西莫夫最新科学指南
色黏液。可是在这种黑色黏液中，他隐约看到了一种紫色闪光。
他加进一些酒精，那些无色的酒精便变成了美丽的紫色。珀金立
即意识到，他或许发现了一种可用作染料的物质。
染料一向是深为人们喜爱但价格昂贵的物质。在古代，色泽
鲜艳、耐洗耐晒的优质染料寥寥无几。这些染料有取自靛蓝植物
的靛蓝和与之关系密切的菘蓝（罗马时代初期，不列颠曾因菘蓝而
闻名于世）；有取自蜗牛类动物的推罗紫（得名于古代的推罗城
①，
该城曾靠此业致富。在罗马帝国后期，皇家的孩子都诞生在挂有
推罗紫壁毯的房间里，皇族“生于紫色之中”的说法即由此而来）；
还有取自茜草科植物的淡红色的茜素（茜素一词源于阿拉伯语，意
为“汁液”）。除以上几种从古代和中世纪传下来的染料之外，后来
的染匠又增添了几种热带染料和无机颜料（现在主要用于绘画）。
这就可以说明，当珀金意识到他的紫色物质有可能成为染料
时，他为什么会那么激动了。在一位朋友的建议下，他给苏格兰的
一家对染料感兴趣的公司寄去了一些样品，并很快得到回音：紫色
化合物性能良好。那么，能不能廉价供应呢？于是，珀金便着手申
请专利（对于一个
18岁的年轻人能否获得专利一事，人们争论不
已，但他还是终于获得了专利），并退学转入了实业界。
要实现他的这个计划，可不是轻而易举的事。珀金必须白手
起家，用自行设计的设备从煤焦油中制取他自己的原料。然而，他
在
6个月之内就制取了他称之为苯胺紫的物质，这是一种自然界
中所没有的化合物，其色度范围超过任何天然染料。
法国染匠比保守的英国染匠更快地采用了这种新染料，他们
把这种由锦葵属植物制取的颜色称之为锦葵紫，而将这种染料称
①现在译为提尔（今改名为苏尔），黎巴嫩南部省沿海城镇。该城在中文《圣经》
中称为推罗。曾以丝制品和推罗紫染料而闻名。——译注
第十一章 分 子
第十一章 分 子
之为锦葵紫染料。不久，这种染料便风行于整个世界（这个时期有
所谓“苯胺紫十年”之称）。珀金因此而致富，
23岁时就成了染料
方面的世界权威。
就这样，大坝被冲垮了。在珀金的惊人成就的鼓舞下，许多化
学家都转到了合成染料的研究上来，而且有不少人获得了成功。
珀金的老师
A。 W。霍夫曼也转向这一新领域，并在
1858年合成了
紫红色染料。后来法国染匠（迄今仍是时髦式样的主宰）给它取
名叫马真塔，这是意大利一个城市的名字，法军曾于
1859年在此
大败奥军。
1865年，A。 W。霍夫曼怀着对染料的新的兴趣返回德国。他
发现了一批至今仍被称之为霍夫曼紫的紫色染料。到了
20世纪
中叶，商用合成染料的数目已不下
3 500种。
另一方面，化学家们在实验室中还成功地合成了天然染料。
珀金和德国人格雷贝分别独立地于
1869年合成了茜素（格雷贝先
于珀金一天申请专利）。德国化学家拜耳于
1880年研制了靛蓝的
合成方法（由于在染料领域的成就，拜耳获得了
1905年的诺贝尔
化学奖）。
珀金在他
35岁那一年，即
1874年，退出实业界，重新回到他
当初所喜爱的研究工作上。1875年，他设法合成了香豆素（一种
天然物质，具有令人愉快的新收割的牧草的香味），这便是香料合
成工业的开端。
面对德国有机化学的巨大发展，珀金一个人并不能使英国在
这方面保持优势；在上世纪末和本世纪初，“化学合成物质”几乎为
德国所垄断。继承珀金所开创的合成香料事业的，是一位名叫瓦
拉赫的德国化学家。1910年，瓦拉赫因其研究成果而获得了诺贝
尔化学奖。在瑞士执教的克罗地亚化学家卢齐卡首次合成了一种
重要的香料——麝香。他分享了
1938年的诺贝尔化学奖。然而，
阿西莫夫最新科学指南
阿西莫夫最新科学指南
在第一次世界大战期间，英国和美国由于无法进口德国化学实验
室的产品，被迫发展他们自己的化学工业。
生物碱和止痛药
如果化学家们真的只能像珀金那样靠碰运气行事，那么，要想
在有机化学领域取得成就那就只有靠摸索了。幸运的是，在珀金
发现苯胺紫后不过
3年，就出现了凯库勒的结构式，从而使描绘有
机分子的蓝图成为可能。化学家们不再仅凭猜测和愿望来制备奎
宁了，他们已拥有能够一步步攀登上分子结构高峰的种种方法，而
且能够预见前进的方向和可望得到的结果。
化学家们已经知道如何把
1个原子团替换成另
1个原子团，
如何把原子环打开和如何把开放的链围成闭合的环，如何把一些
原子团分成两部分，以及如何把碳原子一个挨着一个地连接成链。
完成有机分子内某一特定结构的特殊方法，往往仍以首先描述这
种方法的化学家的姓氏来命名。例如，珀金发现，把某些物质与醋
酸酐或醋酸钠一起加热，能使这些物质增加
1个含有
2个碳原子
的原子团。这种方法迄今仍称之为珀金反应。珀金的老师
A。 W。
霍夫曼发现，在有一种银化合物存在的情况下，含氮的原子环在用
一种被称为甲基碘的物质进行处理时，这个环最终会断裂并释放
出氮原子。这就是霍夫曼降解反应。1877年，法国化学家弗里德
与美国化学家克拉夫茨合作，发现使用氯化铝并加热，可以给苯环
添加
1个短碳链。这种方法现在称之为弗里德…克拉夫茨反应。
1900年，法国化学家格利雅发现，如果能够正确地使用金属
镁，就能够造成大量具有不同结合方式的碳链。他在他的博士论
文中提出了这个发现。由于对这些格利雅反应的研究，格利雅分
享了
1912年的诺贝尔化学奖。与格利雅分享诺贝尔化学奖的是
法国化学家萨巴蒂埃，他（与桑德仑一起）发现，利用细镍粉能够使
第十�
