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化学史话——苯环的传说

化学史话——苯环的传说
2018年03月16日 17:33 作者
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科学纸老虎

  一、有机化学的起源.

  有机化学萌发于17世纪,创立并成熟于18和19世纪。

  19世纪初期,瑞典化学家贝采里乌斯提出有机化学概念,有机化学逐渐发展成为化学的一个重要分支。

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  二、苯分子的分子式发现的年代.

  1825年,英国科学家法拉第首次发现了苯。

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  他将制备煤气后剩余的油状液体蒸馏,在80℃左右时分离得到了一种新的液体物质——“氢的重碳化合物”。这项工作持续了五年。

  该物质有特殊气味,有毒,液体。密度比水小,难溶于水,易溶于有机溶剂。熔沸点较低,易挥发,无色。

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  1834年,德国科学家米希尔里希通过蒸馏苯甲酸和石灰的混合物,得到了与法拉第所制液体相同的一种液体,并命名为苯。

  经过法国化学家日拉尔等人的精确测定,发现苯的相对分子质量为78,分子式确立为C6H6。

  苯分子发现在有机化学的初期,当时对有机物的结构并没有非常先进的测量方法,虽然可以通过燃烧法确定有机物的元素组成并确立化学式,但是分子内部的结构很难推断。

  当时比较成熟的理论只有“碳四价学说”和“碳链学说”。

  根据当时的理论,可以推断到苯分子的结构为:

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  然而,在对已有推测进行验证的时候,出现了不可思议的事情:

  1 苯与酸性高锰酸钾溶液混合不褪色

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  如果分子中存在碳碳双键这样的不饱和键,与高锰酸钾混,不饱和键会被氧化而褪色。

  然而苯酚子 没有褪色。

  2 苯与溴水混合不褪色

  如果存在碳碳双键或叁键,苯会与溴水加成而褪色。

  然而苯没有褪色。

  诡异的结论令人们百思不得其解:苯的碳、氢比值如此之大,表明苯是高度不饱和的化合物。但它又不具有典型的不饱和化合物应具有的易发生加成反应的性质。

  三、凯库勒对苯分子结构的贡献。

  光阴似箭,岁月如梭,一转眼四十年过去了。苯分子的结构始终象一团迷雾,笼罩在有机化学界得上空,不觉流水年长。

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  1865年,忽然晴空一声炸雷,有个叫凯库勒的人提出了苯的全新的结构,他认为苯是环状的。

  具体情况是这样的:

  36岁的德国化学家凯库勒在进行多少次了苯分子是链状的假设实验研究,屡战屡败,心灰意冷的时候,带着问题疲惫的进入了梦乡。在梦里,是另一种天堂,奇幻瑰丽,仙乐飘飘,梦里不知身是客,凯库勒像个孩子一样徜徉在仙境中。忽然,画风一转,一条蟒蛇程现在眼前!

  蟒蛇扭动着身躯悉索前行,凯库勒无处可逃,只好屏住呼吸观望,就在此时,蟒蛇扬起脖子,向凯库勒张开血盆大口!

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  下一刻,待凯库勒睁开眼睛,发现,蟒蛇只是张开嘴巴转而咬住了它自己的尾巴,形成了一个环。

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  梦醒时分,凯库勒走到窗前,此时,夜风吹过窗台,漫天星斗半明半昧。凯库勒想起刚才做的梦,在这如水的夜色中,竟有些恍如隔世的迷离。人生此去经年,从少不经事时当建筑大师的梦想,到成年后对科学事业的执着,真是人生如梦。

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  忽然,仿佛电光火石般的,凯库勒想起自己一直不能攻克的苯分子的真实结构!那条蛇是一条链,它咬住自己的尾巴就变成了环~会不会苯分子也是一个环呢?

  凯库勒重新抖擞精神进入了实验室,开始研究苯分子是否是环状结构。

  凯库勒提出了两个假说:苯的6个碳原子形成环状闭链,即平面六角闭链各碳原子之间存在单双键交替形式

  从来没有人会认为有机物是环状。

  这个设想在有机化学界是绝无仅有的。人们从之前未想到过有机物分子可以有环状的结构。

  仿佛一缕清风吹进湖面,泛起千层涟漪。学术界就像开了一扇封闭的窗,吹进来新鲜的空气,看见漫天璀璨的星斗。

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  四、继被猜想是环状结构以后,苯分子渐渐向世人揭开了它神秘的面纱。

  凯库勒的这种结构依然不能够解释苯和酸性KMnO 4 溶液、溴水均不反应的事实。它的意义只是在于开辟了一个新的思路,让人们的思想有了新的方向。这在当时的学术界有划时代的意义,为人们开启了芳香烃研究的大门。

  1872,凯库勒年又提出互变振动假说来补充说明自己的观点。

  1935年,科学家詹斯用X射线衍射证实:苯分子结构是平面正六角形,苯分子里6个C原子之间的键完全相同,是一种介于单键和双键之间的特殊(独特)的键。

  现代化学认为,苯环主链上的碳原子之间并不是由以往所认识的单键和双键排列(凯库勒提出),每两个碳原子之间的键均相同,是由一个既非双键也非单键的键(大π键)连接。

  相当于多出的三根键平均地分配在苯分子的六元环上。

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  凯库勒提出的六元环中碳碳之间的单双键交替结构,在我们今天看来,是错误的,为了纪念凯库勒,我们今天依然在书写中习惯性的沿用凯库勒式。

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  科学的历程,是人们踩着一步一步错误的脚步,探索着正确的方向。

  我们今天漫不经心的用到的每一个理论,实际上都是踩在巨人肩膀上,看到我们自己看不到的远方。没有他们前赴后继的探索,和夜以继日的研究,我们就没有今天繁花似锦的文明。

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