起初,煤焦油被視為廢物,被丟棄。19世紀初,人們從煤焦油中分離提取出苯、萘、蒽、甲苯、二甲苯、苯酚、苯胺等物質。1856年,英國化學家珀金用苯胺合成了苯胺紫,首次實現了染料的人工合成,使人們進壹步看到了苯等芳香族化合物的應用價值。
在從煤焦油中提取大量芳香化合物並以其為原料生產染料等產品的過程中,人們迫切需要了解這些芳香化合物的分子結構和性質,以便指導生產。然而,這些化合物的結構在當時是未知的。
我們知道,苯是由英國化學家法拉第在1825年首先發現的。後來勞倫和朱拉爾確定苯的分子式為C6H6。
在此之前,化學家們已經討論過脂肪族化合物的結構,而且這些討論壹直很順利。然而,苯是不同的。雖然它的分子式如此簡單,但對其結構式的討論卻遇到了相當大的麻煩。原因是如果只考慮分子式中的碳氫比,和乙炔中的是壹樣的。推斷苯應該是不飽和有機化合物。事實上,苯的反應能力與脂肪族基團中的不飽和化合物相差甚遠。比如烯烴和炔烴都能與溴反應使溴水變色,氧化高錳酸鉀溶液,而苯不能,苯分子中的氫原子被鹵素、硝基和磺酸基取代。更奇怪的是,在上述所有反應中,苯本身的“體系”保持不變,這說明苯具有特殊的穩定性,也就是說,絕對不能把苯看成是壹種類似於普通脂肪族化合物的物質,分子中含有雙鍵或三鍵。這些相互矛盾的事實使人們對苯的結構的認識深深地局限於混亂之中。
德國化學家弗裏德裏希·奧古斯特·凱庫勒決心解開這個謎。
凱庫勒善於發揮他的想象力來研究問題。他認為分子中原子之間存在相互作用,分子的性質取決於原子如何排列。他常常高度集中地閉上眼睛,想象著在碳鏈上添加或去除原子後,壹個分子奇妙地變成了另壹個分子。凱庫勒考慮了苯分子中六個碳原子和六個氫原子的幾十種排列,但它們經不起推敲,也無法解釋關於苯的實驗事實。
真的是每天都很貼心,晚上也很貼心。1865年的壹個晚上,凱庫勒坐在家裏,寫下了教科書《化學教程》。他在寫苯的分子結構這壹部分的時候,對它的分子結構還很不解,很難下筆,只好停筆深入思考。在沈思中,他不知不覺睡著了。在昏暗的光線下,他看到壹長串碳原子像蛇壹樣翻騰著。突然,壹條蛇咬住了它的尾巴,形成了壹個環,不停地旋轉。凱庫勒突然醒了。受到夢中所見圖像的啟發,凱庫勒很快畫出了苯分子的閉合結構。他曾用下列圖式來表達苯分子的結構:
最後,他們確定苯的分子結構為六角環結構:
這樣,苯分子的新結構就誕生了。
凱庫勒認為苯分子是雙鍵交替的封閉結構,不僅滿足碳原子為四價的要求,而且滿足分子式C6H6的要求。他還斷言,芳香化合物的所有衍生物都可以從這種結構中推斷出來。雖然這時壹些化學家提出了苯的其他結構式,但科學界公認凱庫勒的結構式是最合理的,這使得它很快被采用。俗話說:“夢筆生花。”雖然我們不能完全相信這壹點,但這個夢想在凱庫勒實現了。
凱庫勒年輕時學過建築,形象思維非常發達,非常善於捕捉直觀形象。所以他的夢想和靈感絕不是無中生有,而是向往的結果。從生理角度來說,當大腦中的記憶細胞儲存了足夠的信息,人在高度思考時,這些腦細胞就不容易停止工作;即使大腦其他部位處於休息狀態,記憶細胞仍然可以工作,而且由於此時幹擾因素少,能量可以高度集中,經常會出現奇思妙想。凱庫勒對苯環結構的發現就屬於這種情況。
凱庫勒的苯環結構理論對有機化學的發展起了巨大的作用。1890年,倫敦化學會在紀念苯環結構理論發表十周年時指出:“苯作為閉鏈結構的奇妙思想,對於化學理論的發展,對於這類化合物及其衍生物中異構現象的研究的指導作用,對於以煤焦油為原料的染料工業的發展的引領作用,已經得到了普遍的認可。”
當然,凱庫勒關於苯結構的理論也有不足之處,還有壹些實驗事實無法得到圓滿解釋:第壹,既然苯含有雙鍵,為什麽苯壹般不能與那些能與不飽和烴反應的試劑反應;第二,根據凱庫勒的苯分子結構式,鄰二取代苯應該有兩種異構體:
但實驗證明,鄰二取代苯只有壹種。
現代觀點認為,苯分子是由六個碳原子組成的六元環,sp2雜化軌道通過σ鍵結合,每個碳原子上不參與雜化的P軌道從側面相互重疊形成閉合的大л鍵,與碳環平面垂直。這樣電子雲高度離域,完全平均化。所以苯分子中C-C和H-C的鍵角都是120,C-C的鍵長是1.39,也可以表示如下。
第壹位獲得諾貝爾化學獎的科學家——範·特霍夫
雅各布斯·亨德裏庫斯·範特霍夫1852-1911
雅各比·亨利克?雅各布斯·亨德裏庫斯·範特霍夫(Jacobus Hendricus Van't Hoff),荷蘭化學家,1852年8月30日出生於荷蘭。因為在化學動力學和化學熱力學研究方面的貢獻,他獲得了1901年諾貝爾化學獎,成為第壹位獲得諾貝爾化學獎的科學家。
為什麽範特霍夫能成為諾貝爾化學獎第壹人?從他的經歷中,我們或許能找到壹些原因,同時也能學到壹些東西。
找到秘訣,自己試試。
1852於8月30日出生於荷蘭鹿特丹,父親是當地著名的醫生。他在中學的時候,看到實驗室裏各種千變萬化的化學實驗都很有趣,所以壹直想知道其中的奧秘。光看別人做是不夠的。能自己做就好了。“尋找秘訣,自己動手”應該是他後來成功的壹個因素。
有壹天,範·特霍夫路過化學實驗室的窗戶,他忍不住朝裏面看。整齊排列的實驗用具和化學試劑瓶是如此吸引人。他的腳不由自主地停住了。"我希望我能進去做個實驗。"突然,他發現壹扇窗戶開著,可能是為了實驗時通風。小範特霍夫猶豫了壹會兒,然後跳上窗臺,進了實驗室。他支起壹個鐵架子,放上玻璃器皿,開始尋找試劑。他全神貫註地看著那些藥物引起的反應,壹切都很順利。由衷的喜悅讓他臉上露出了笑容。“我成功了,我成功了!”他默默地說。範·特霍夫專心做實驗時被老師抓住了。根據校規,他應該受到懲罰。幸運的是,老師記得範特霍夫平時是個勤奮好學、尊重他人的學生,所以他沒有向校長報告。是什麽驅使這麽好的學生違反校規?顯然對化學有濃厚的興趣。
Fantehoff的父親從這件事得知兒子非常喜歡化學,於是從家裏讓出壹個房間作為工作室,讓兒子做化學實驗。從此,範·特霍夫開始“經營”自己的小實驗室。他把父母給的零花錢和其他親戚朋友的“贊助”積攢起來買各種實驗儀器和藥品,業余時間自己搞化學實驗。
毫不猶豫地投身化學。
1869年,範·特霍夫畢業於鹿特丹五年制中學。妳選擇什麽樣的職業?那時候,光靠化學是解決不了人生的問題的。為了增長他的知識,我父親答應讓他在實驗室裏試壹試。但他拒絕以化學為職業,但範特霍夫覺得學化學更適合他。
他的父母不想讓他成為化學家,而是想培養他成為工程師。幾經波折,範·特霍夫進入荷蘭塔夫特工業學院學習。雖然這個學校專攻技術,但是教化學的奧德曼是壹個非常好的教授。他清晰的推理和有序的討論能引起人們對化學的興趣。範特霍夫在奧德曼教授的指導下進步很快。由於範特霍夫的努力,只用了兩年時間就完成了普通人三年才能完成的課程。1871年,範特霍夫畢業了,他終於說服了父母投身於化學研究。
為了打好基礎,找準研究方向,壹定要請教老師。範·特霍夫只身來到德國波恩,拜當時世界著名的有機化學家弗雷德為師。凱庫勒是老師。弗雷德。凱庫勒是壹位傳奇的化學家。他在夢裏看到蛇狂舞,首尾相連,從而解開了苯環的結構。在波恩逗留期間,範·特霍夫接受了有機化學方面的良好訓練。後來,他去法國巴黎向醫學化學家伍子胥請教。1874年回到荷蘭,獲得烏特勒支大學博士學位。此後,他開始了更深入的研究工作。
實事求是,不怕權威
範特霍夫首先提出了碳的四面體結構理論。過去的有機結構理論認為有機分子中的原子都在同壹個平面上,這與很多現象是矛盾的。範特霍夫的理論糾正了過去的錯誤。
然而,這個新理論遭到了壹些權威人士的反對,當德國有機化學家哈曼?柯比就是其中之壹。這位老科學家太老了,學不了什麽新東西了。沒有仔細研究,範特霍夫就被毫無根據地訓斥了壹頓。範·特霍夫對老先生的話嗤之以鼻,沒有和他爭辯。Kirby不遠千裏從德國來到荷蘭與Vanthoff比賽。畢竟範特霍夫是大三學生。當科比怒氣沖沖地沖進範·特霍夫的辦公室時,範·特霍夫已經恭敬地等著他了。在柯比的怒氣稍稍平息後,範·特霍夫冷靜地向他陳述了自己的觀點,觀點清晰,論據充分,並邀請柯比用事實來批評他的理論。範特霍夫的觀點征服了柯比柯比。畢竟他應該講道理,說實話。平心而論,範特霍夫的理論是正確的。當他第壹次到達時,他的憤怒完全消失了,他邀請範·特霍夫到普魯士科學院工作。範特霍夫務實、謙虛、謹慎的態度讓很多人信服地接受了他的理論。
190112月10,諾貝爾獎首次頒發,範特霍夫是第壹位諾貝爾化學獎獲得者。
1911 3月1日,範·特霍夫在柏林附近的斯特雷利茲去世。59歲的時候。