【元素家族——連載26】有機物中的明星(三)「芳香」的苯
法拉第在物理界是位大牛,但是在化學界他只能是戴維的助手和學生,是個配角。如果說戴維是天賦異稟,高調倜儻,那麼法拉第就是平凡低調,踏實勤勉。慢工出細活,他在化學上也有一些很重要的發現。
1825年的英國號稱「日不落」帝國,無數的戰艦將世界各地的財富滿載而歸,各種新的發現在刺激著商人的心機。這一切都不斷改變著這個國家的方方面面,當時的帝國之都倫敦已經用上了煤氣。身為皇家科學院員工的法拉第發現,在生產煤氣之後總會有一些油狀物殘留,他從這種油狀物中分離出一種無色液體物質,有淡淡的甜味和香味,他還不太明白這種物質的具體結構,只能根據它的成分命名為:「雙碳化氫」。
【法拉第無疑在物理學上的成就更大,在化學史上也會經常露面,後面還會有一些他的故事。】
1833年,德國化學家米希爾里希用蒸餾苯甲酸和石灰的方法,得到了和法拉第發現的物質一樣的東西,由於帶有一些芳香味,他用歷史上有名的「安息香」(benzoin)來命名它,這就是我們到現在一直用的名字「苯」(benzene)。
【苯的詞源來自「安息香」,這導致後來苯系化合物被稱為芳香族化合物。】
後來人們確定了苯的分子量為78,分子式為C6H6,碳的含量如此之高,是之前發現的烴類化合物中聞所未聞的,這讓當時的化學家們感到震驚。前面我們說過了,研究有機化學,不是只得到分子式就完了,還必須研究它的分子結構。有人指出,苯是高度不飽和的烴類化合物,所以其中肯定含有很多雙鍵和環,但是無論化學家們如何排列組合,但是都沒有得到實驗的驗證。
【關於苯分子結構的各種猜想,最後兩個是對的。】
這個排列組合的密碼只有到了凱庫勒這裡,才終於被破解。
凱庫勒是一個德國人,從小就是一個天才,中學時候就會四門語言,他當時的理想是成為一個建築師,在他上大學以前,他已經成功設計了三套房子了。1847年他考上了吉森大學,如願以償進入了建築系,學習幾何學、數學、製圖和繪畫等,這和希特勒的經歷非常相似,不同的是希特勒沒有遇到優秀的化學老師,而凱庫勒遇到了,這個老師就是李比希——另一個有機化學之父。
一次很偶然的機會,凱庫勒走進了李比希的教室,立馬被這個神奇的教授吸引住了,從李比希的口裡流出的,並不是生硬的術語,而是神奇的發現;不是枯燥的理論,而是生動的故事。李比希的講台兩旁還放有各種各樣的實驗設備和儀器,這位大師不時的從講台走向實驗台展示他剛剛述說的各種神奇。就這樣,凱庫勒完全被老師傾倒,愛上了化學。從此以後,世界上少了一個偉大的建築師,多了一個偉大的化學家!
【凱庫勒和他的老師李比希,如果能多一些像李比希這樣的老師,世界上可以少一些希特勒那樣的戰爭狂人。】
天才不管做什麼,只要是自己感興趣的,總能有所成就。凱庫勒就是這樣一個天才,他進入化學界迅速嶄露頭角,他研究了雷酸及其鹽的性質,還發表了論文《關於多原子基團的理論》,這篇論文里,他總結了之前的化合價理論,並提出碳在所有的元素裡面,是最特殊的,因為它可以體現出最高化合價:4價,比如二氧化碳、甲烷、四氯化碳等,但是在其他碳化合物中,又體現出其他化合價,甚至分數化合價,比如丙烷等。所以他認為含碳化合物真是一個神秘的池沼,值得投入精力。
在接下來的研究中,他首先提出了「碳鏈」的見解。可能我們現在一目十行的看化學教科書的時候覺得這是理所當然,然而在100多年前凱庫勒的時代里,率先從眾多有機物的迷霧中發現這一點很難得!
【碳原子的最外層有4個電子,這種性質讓它和其他碳原子之間可以用很多方式結合在一起,並進而形成碳鏈。碳鏈的結構可以是線性的,也可以接枝、分叉、成環、交聯等等。就因此有機物的種類會有那麼多。】
1864年冬天,凱庫勒開始思考最棘手的碳氫化合物:苯的結構。有一天他在書房工作,過度的勞累讓他打起了瞌睡,在半夢半醒之際,他腦海里浮現出了他的老朋友:碳鏈。這根碳鏈飛舞旋轉,盤旋彎曲,宛如一條神秘的蛇,突然,這條蛇咬住了自己的尾巴,頭尾相接。
凱庫勒得到了靈感,好像被神諭電擊了一下自己的靈魂,猛醒了過來。他繼續工作了一夜,按照他夢中的啟示做了各種推理,並和之前的數據、記錄對應起來互相驗證。終於,他發現神諭是對的,在次年他發表了論文《論芳香族化合物的結構》,其中提到了苯的環狀結構,單雙鍵交替排列,舉世震驚。
【一條長蛇首尾相連,在古印度傳說中也有體現。如果凱庫勒早點接觸古印度思想,估計早就能想到苯結構了。】
凱庫勒的苯結構公布以後,各方面和實驗都符合的很完美,唯有一條不符合化學家們的經驗:含有雙鍵,卻不能被高錳酸鉀氧化。
這個缺陷讓化學家們糾結了很久,一直到20世紀量子力學出現以後,化學家們建立了分子軌道理論,原來,當一個原子和其他原子結合成分子以後,這個原子的核外電子就不再屬於這個原子本身了,它的分布概率可以充斥到整個分子。化學家們回過頭來重新看苯的分子結構,才發現,6個碳原子和6個氫原子都在一個平面上,組成了一個完美的六邊形,所有的碳碳鍵長都相等,既不是單鍵也不是雙鍵,而是一個覆蓋著6個碳原子的大π鍵。從此以後,苯的結構又改了,中間的雙鍵被刪除,取而代之的是一個象徵「大π鍵」的圓。
直到現在,我們各種化學讀物和教科書上,有些地方印刷的仍然是凱庫勒的單雙鍵交替排列的結構,有些地方畫的是象徵「大π鍵」的圓。這是歷史遺留問題,大家理解其中的意義就可以了。
【苯分子如同一個魔盒,人類對於苯分子的認識不斷進步,不斷從這個魔盒中得到新的理論工具。】
後來科學家們發明了掃描隧道顯微鏡,拍攝到了苯分子的照片,發現和理論完全一致,是一個完美的六邊形,苯分子模型被照片證實了!
【苯分子的電流密度圖,是一個很完美的六邊形。】
苯是一種很有用的化學物質,在各種化學化工領域都是非常有用的原材料。它又是非常好的溶劑,可以溶解大部分有機物,所以很多的油漆都採用苯、甲苯、二甲苯作為溶劑。十幾年前,在刷油漆的時候,總是會聞到一股香而微甜的氣味,那就是苯的氣味。
但苯又是一種強烈的致癌物質,因此在油漆塗料中已經被禁用!如果在木器塗料中你還是聞到濃郁的香而甜的氣味,一定要舉報!
【牆面乳膠漆已經水性化,但木器塗料還得依靠溶劑,一定要選擇不含苯的木器漆!】
苯的結構很特殊,它很雖然極度不飽和,但是結構非常穩定。它還可以接枝不同基團,或者自己和其他苯環連在一起、靠在一起,把含有苯環的碳氫化合物稱為「芳香族化合物」。大家千萬不要被他的名字所蒙蔽,有些確實是有香味的,有些則奇臭無比。而更多的含苯環的化合物在我們的生活中也發揮著巨大的作用,我們簡單列舉幾種,在後面的篇章里,我們還會經常看到「苯」的身影。
【萘,曾經用作衛生球,現在由於致癌已經被禁用。但是萘的衍生物仍然有很多在用作醫藥用途。】
【阿司匹林,學名:乙醯水楊酸,結構也含有苯環,這是最經典的藥物之一,也是西方很多家庭的常備葯。】
【TNT,三硝基甲苯,也稱黃色炸藥,號稱「炸藥之王」,直到現在,它還作為炸藥的爆炸當量,甚至核武器的當量也用它來計量。】
小測試:
1, 凱庫勒的老師是:
A) 法拉第
B) 戴維
C) 李比希
D) 維勒
2, 苯分子是什麼形狀?
A) 三角形
B) 正方形
C) 圓形
D) 六邊形
3, 下列哪些物質是含有苯環的?(多選)
A) TNT
B) 萘
C) 阿司匹林
D) 四氯甲烷
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