有机结构理论的奠基人凯库勒

Friedrich August KeKule 1829-1896


    弗里德里希·奥古斯特·凯库勒是近代化学史上的一位著名有机化学家。他1829年9月7日出生于德国达姆施塔特。中学时代的凯库勒已才华初露,,他能讲四门流利的外语。法语、拉丁语、意大利语和英语。他非常喜欢钻研问题,思想深刻而新颖,经常受到老师们的表扬,同学们总爱同他一起讨论问题,觉得他对别人的思想有启发。他几乎对一切科学现象都很感兴趣,在各方面都表现出独特的才能。写作方面他与众不同,经常独出心裁;在建筑方面,他表现了惊人的天资。有一位建筑师是他家的世交,他经常教凯库勒制图和绘画,这个学生的接受能力颇使他惊奇,当时,在达姆施塔特市有三幢新建的房子,人们想不到它竞是由一个中学生设计出来的,他的名字就叫凯库勒。他喜欢学自然科学,但当时对化学并无什么偏爱。考虑到将来会有更多的收入,父母都主张他将来学建筑。然而不幸的是,在他中学毕业以前,父亲就去世了,他只好边工作边读书。

    1847年,他考人古森大学学建筑学,在大学里,所学的课程有几何学、数学、制图和绘画。他口齿清楚,具有非凡的演说才能,他谈吐凤趣。善于很策略地提出重要建议。所以,入学不久他就成了人们普遍喜欢的活跃人物。

    李比希是当时吉森大学里颇受人的敬佩的化学家,凯库勒决定亲自去听听这位声里很高的科学家讲课。他听了课之后,感到果然名不虚传。他很快就被这门奇妙的、具有强大生命力的学科所吸引。于是,他立志转学化学。此举遭到了亲人们的坚决反对,为此,他曾一度被迫转入达姆施塔特市的高等工艺学校求学。但他仍坚信,自己未来的前途是从事化学,别无它路。进入工艺学校不久,他就同因发明磷火柴而闻名的化学教师弗里德里希·莫登豪尔接近起来。凯库勒在这位老师的指导下,进行分析化学实验,熟练地掌握了许多种分析方法。当亲人们了解到凯库勒决心不放弃化学时,只好同意他重返吉森大学继续学习。1849年秋天,他回到了李比希实验室,继续进行分析化学实验。李比希被这位学生的坚强意志深深地感动了。在他的指引下,凯库勒从此走上了研究化学的道路。

    为了在化学方面继续深造, 1851年,凯库勒在叔父的支助下,自费去法国巴黎留学。由于经济上紧张,他在巴黎只能维持很低的生活水平。但精力充沛的凯库勒,全然不顾这些困难,硬是顽强地刻苦学习着。他要利甩一切机会与每一分钟时间,充分吸收法国新的学术思想和学术风格。有一天:他从校园里的布告牌上得知,著名法国有机化学家查理·日拉尔正在讲授化学哲学课。他随即跑去听课,课后他向日拉尔提出了一些相当重要的问题,立刻引起了这位学者的注视。他被日拉尔请到自己的书房里,一起讨论。他们谈得很投机,竟忘记了吃饭。当他告别日拉尔慢慢走回家时,已经是深夜了。在巴黎,凯库勒过着清苦的生活。每天从早到晚,奔跑在教室与图书馆和宿舍之间。他的收获很大,掌握了不少新的实验事实和研究方法。他抓紧每一分钟时间,固为他深知,离1852年春天回国的日子越来越近了。

    凯库勒所写的第一篇化学论文,是他研究硫酸氢戊酯的成果。这篇学术论文,得到了威尔教授等专家的很高评价。论文发表后,1852年6月,大学的学术委员会决定授予凯库勒以化学博士学位。

    回国后不久,经李比希介绍,凯库勒到阿道夫·冯·普兰特的私人实验室工作过一段时间。后来到伦敦的约翰·施但豪斯的实验室工作。施但豪斯实验室的主要任务,是分析各种药物制剂,并研究从天然物(主要是植物)中制取各种新药的方法。这些工作单调乏味,每天累得精疲力竭,但凯库勒却毫无怨言,不知疲倦地研究着。晚上闲下来,就和同事们讨论有机化学中的理论问题和哲学问题。他们围坐在一起,进行着激烈的争论:象“化合价”、“原子量”、“分子”等概念,都是多次引起争论的话题。

    凯库勒对原子价问题特别关注。他反复设想着,二价的硫和氧是一样的,因此,如果具备适当的条件,某些含氧有机化合物中的氧应该能被硫原子所取代,不久。他的想法果然得到了实验证明,由此,凯库勒认为原子的“化合价”概念,可以作为新理论的基础。原子之间是按照某种简单的规律化合的。他把元素的原子设想为一个个极小的小球,它们之间的差别只是大小不同而已。每当他闭上眼睛时,就仿佛清晰地看到了这些小球,在不停地运动着。当它们相互接近时,就彼此化合在一起。在斯但豪斯的实验室里,紧张而单调的工作几乎占去了凯库勒的全部时间,他的许多科学思想、新的假说都无暇去深入思考和进行实验验证。因此,他渴望能回到德国去,即使在某大学当个讲师,也可以有进行自己科研工作的时间。在1855年春天,凯库勒离英回国。他先后访问了柏林、吉森、葛廷根和海德堡等城市的一些大学,但令他失望的是,这么多地方都未能使他找到一份合适的工作。于是,他决定在海德堡以副教授的身分私人开课。他的这个想法得到了海德堡大学的化学教授罗伯特·本生的支持。凯库勒租了一套房子,把其中的一间作为教室,将一间改装成实验室。经济上完全由叔父支助。

    到他这里来听课的人,最初只有6人;但没过多久,教室里就座无虚席了。这使凯库勒获得一笔可观的收入。而预约登记到他的实验室来工作的实习生还在与日俱增。他一边讲课,一边带实习生做实验,并用所有的空闲时间继续自己的研究。主要课题还是在伦敦时开始的有机物的“类型论”和原子的“化合价”。资金虽不充足,但尚可维持研究能不断进行下去。凯库勒用弄到的各种化学试剂合成了许多新物质,研究了它们的性质。他特别集中精力研究了雷酸及其盐类,期望搞清它们的结构。

    凯库勒的研究,使原有的几种基本类型的有机化合物中,又补充了一种新的类型——甲烷类型。例如把甲烷的四个氢原子由一价的基团所取代,则可以得到甲烷类型的化合物。在《论雷酸汞的结构》一文中,他阐述了上述结论。在当时的德国,能理解和赞同日拉尔和欧德林等人的科学思想的化学家甚少,而凯库勒却补充和发展了他的类型论。

    关于原子价理论,凯库勒曾发表了《关于多原子基团的理论》一文,他提出了一些基本原理。并对弗兰克兰、威廉逊、欧德林等人的某些结论加以概括总结,深入地研究了原子间的化合能力问题,他认为,一种元素究竟以几个原子与另一种元素的一个原子相结合。这个数目取决于化合价,即取决于各组分之间亲合力的大小。他把元素分为三类:

    一价元素——氢、氯、澳、钾和钠;

    二价元素——氧和硫;

    三价元素一一氮、磷和砷。

    这样,凯库勒就阐明了他对化合价的观点。在该文中,他还指出在所有的化学元素中,碳是占有特殊地位的。在有机化合物中碳是四价,因为它与四个一价的氢或氯相结合而形成CH4、CC14。但是,碳还能生成别的碳氢化合物。因此,对于含碳的化合物需要特别加以研究。他的《论含碳化合物的组成和转化,兼论碳的化学性质》一文,不仅论证了碳在有机物中呈四价这一特点,还指出日拉尔曾试图用一个普遍原理——“双置换”(或称”二元置换”)来概括所有的化学反应。实践证明,日拉尔的理论是错误的,因为有“些反应是由几个分子直接化合成一个分子。文中凯库勒还用他崭新的思想考察了有机基团的组成。他写道,对于那些含有若干个碳原子的物质来说,应认为,个别种元素的原子是依靠了碳对它们的亲合力(即化合价)才能存在于有机物中。碳原碳与碳原子之间也相互化合,这时,一个碳原子的部分亲合力(化合价)被另一个碳原子的等量亲合力(化合价)所饱合。这在当时大多数化学家还不理解化合价的本质时、凯库勒的上述思想,也就是关于碳链的新思想的出现是有机化合物理论的一次革命。

    凯库勒不仅表述了关于碳链的见解,还陆续地提出了有机化合物的结构理论,指出饱和碳氢化合物的组成通式为CnH2n+2 。他还指出,如果用简单转化的方法从一种物质中制取另一种物质,那么,可以认为在这类化合物中,碳原子的排列是不变的。发生转化时,所改变的仅仅是除碳原子外的别种原子的位置和它们的类型。

    1861年起,凯库勒编著的《有机化学教程》一书,分册陆续出版问世。1862年33岁的凯库勒与照明用煤气厂厂长的女儿斯特凡尼娅结了婚。美满的婚姻使凯库勒力量倍增,他以更大的热情投入了工作。但可惜的是幸福的时光转瞬即逝。怀孕后的妻子健康状况令人担扰,使凯库勒非常焦虑。结果,由于儿子的诞生却牺牲了母亲的生命。凯库勒沉浸在无限悲痛之一。多少亲朋好友的劝慰,都未能使他从痛苦中解脱。唯有研究工作,使他在紧张中暂时忘却不幸,他集中精力研究起苯及其衍生物。

    凯库勒关于苯环结构的假说,在有机化学发展史上作出了卓越贡献。他早年受到建筑师的训练,具有一定的形象思维能力,他善于运用模型方法,把化合物的性能与结构联系起来,他的苦心研究终于有了结果,1864年冬天,他的科学灵感导致他获得了重大的突破。他曾记载道:“我坐下来写我的教科书,但工作没有进展;我的思想开小差了。我把椅子转向炉火,打起瞌睡来了。原子又在我眼前跳跃起来,这时较小的基团谦逊地退到后面。我的思想因这类幻觉的不断出现变得更敏锐了,现在能分辨出多种形状的大结构,也能分辨出有时紧密地靠近在一起的长行分子,它竹滋绕、旋转,象蛇一样地动着。看!那是什么?有一条蛇咬住了自己的尾巴,这个形状虚幻地在我的眼前旋转着。象是电光一闪,我醒了。我花了这一夜的剩余时间,作出了这个假想。”于是,凯库勒首次满意地写出了苯的结构式。指出芳香族化合物的结构含有封闭的碳原子环。它不同于具有开链结构的脂肪族化合物。

    苯环结构的诞生。是有机化学发展史上的一块里程碑,凯库勒认为苯环中六个碳原子是由单键与双键交替相连的,以保持碳原子为四价。1866年,他画出一个单、双键的空间模型,与现代结构式完全等价。 1896年春天,在柏林发生了严重的流行性感冒,早已患慢性气管炎的凯库勒被感染后,病情日益恶化。同年6月13日他与世长辞了。

    作为一个杰出的科学家,凯库勒的成就得到了全世界的普遍公认。许多国家的科学院曾选他为名誉院士。他的意见不仅受到科学家的重视,而且也常为工业家们所采纳,成为19世纪以来。有机化学界的真正权威。