化学自习室移动版

    十九世纪后半期，伴随着“生命力”论的动摇和消亡，大批的化学家情绪高昂地致力于有机合成的研究。他们的工作大致可以分为以下三个方面：一、在实验室中不仅合成了一系列的天然有机产物，而且还合成了一些在自然界没有找到的化合物，这尤其使化学家们欢欣鼓舞；二、为了研究有机化学理论，合成了一些特殊的化合物，例如探讨结构问题时合成了一些异构体；三、参与新兴的有机合成化学工业技术与工艺的研究（其中尤其是人工合成染料与有机药物的合成最为突出），参与各种天然资源（如煤焦油与石油）的综合利用。

　 窥一斑而见全豹，我们将通过几位突出人物来描述新生期的有机合成。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　贝特罗提出“合成”有机物

　　 1827年10月25日贝特罗生于巴黎。其父是一名医生，家庭生活不甚富裕，但父母竭尽全力，要把聪慧的儿子培育成才。

　　中学时代的贝特罗，初露天资，写得一些很好的哲学论文，有一篇文章曾获得了一等奖。他中学时就熟练地掌握了好几种外语：说一口流利的英语、德语，对拉丁语和希腊语运用自如。他笃信科学，反对迷信，是个无神论者。他认为上帝是人们臆造出来的，坚信“真理存在于科学之中”。1848年秋天，21岁的贝特罗考进了大学。开始时，他遵从父母的意愿去学医。然而，强烈的求知欲促使他对各门学科都很感兴趣。慢慢地他在学医之外，挤出时间去广泛地旁听历史、文学、考古学等许多课程，也研究语言学，尤其喜欢物理学，研究领域较宽。白天他长时间地呆在图书馆里，博览群书：晚上在实验室里常常工作到深夜。由于他勤奋刻苦，学习成绩优异，只用了一年时间，就成了一名物理硕士。

　　化学是医科学生的必修课程之一。因此，贝特罗在学习物理的同时，也开始学习和研究化学。为了得到进行化学实验的条件，他曾经每月交100法朗，在一间私人的化学实验室里，开展自己的研究工作。在那里，他很快就掌握了多种实验技术。最初，他研究一些带有物理性质的化学问题。例如，他对与气体液化有关的现象很感兴趣，曾研究过二氧化碳、氨以及其它气体液化的条件，并于1850年发表了他的研究成果。

　　19世纪中期开始，许多化学家都在研究有机化学问题，但他们多限于研究那些天然有机化合物，运用化学手段分离出纯净的有机物。由于“生命力”论对有机化学领域的统治，在这些化学家中几乎还没有人想到直接从无机物合成有机物。1828年，当德国化学家维勒首次宣布人工合成了尿素以后，尽管不少化学家还不承认被合成的尿素是真正的有机物，可是贝特罗却相信维勒的成果及其重大意义。他深信，在一定条件下，在试管中必定可能合成某些有机物。对乙醇和松节油的研究取得成果之后，更增强了他的这一信心。1854年，他成功地用硬脂酸以及油酸与甘油一起加热合成了油脂类物质。之后，他又利用乙烯同硫酸的反应合成了乙醇。这是人类第一次用非发酵手段制得乙醇。

　　 次年贝特罗想到，既然在浓硫酸作用下，乙醇能脱水生成乙烯，反过来乙烯与稀硫酸作用能生成乙醇，可见脱水反应有其可逆性。而甲酸在浓硫酸的作用下脱水生成一氧化碳，这一反应的逆反应也许能发生。于是他将一氧化碳与氢氧化钾一起加热三天合成了甲酸钾，进一步酸化和蒸馏得到了甲酸。他验证了自己的预言——不仅关于脱水反应，更验证了由无机物合成有机物的可能。

　　　1856年，他将二硫化碳蒸气与硫化氢的混和物通过红热的铜，制成了甲烷和乙烯。他认为是铜与硫结合而使高活性的碳与氢游离出来，化合为甲烷和乙烯。他进一步在日光照射下使甲烷氯化为CH₃Cl,再水解制得了甲醇。

　　　 CH₄ + Cl2 → CH₃Cl + HCl

　　　 CH₃Cl + H2O → CH₃OH + HCl

      后来，他用松节油制取了樟脑，进一步由樟脑再制成冰片。到了19世纪60年代，他先后由碳和氢制成乙炔，由乙炔又制成苯。1868年，他通过乙炔和氮制成了氢氰酸。贝特罗在有机合成领域的一系列成就，几乎成了神话。一方面他高产的科研成果令人惊异；另一方面，他合成出一系列典型的有机物，使有机化学领域的生命力论彻底破产。

　　贝特罗对合成工作的进一步研究，是试验电在合成反应中的作用。起初，他用电火花作用于反应过程，没有效果，改用电弧后产生了明显效果。他设法在充满氢气的器皿中，安装两个碳电极，通电使两电极间产生电弧，制得了乙炔。这项实验的成功，使贝特罗受到极大鼓舞，由此开始了一系列新的合成实验。他由乙炔加氢制成乙烯，乙烯再加氢而得到乙烷。

　　1860年，贝特罗发表了他的《有机合成化学》，陈述了有机合成的一般原则和方法，提出有机化学家有责任用无机物去设法合成有机物，而不需要动、植物活体做媒介。他在书中首次使用“合成（synthesis）”这个词表达他的主张，概括他已经和将要实现的反应过程。打破无机物与有机物间的界限，“合成”一词带给人们的震动，不亚于我们现在听到“克隆”时惊心动魄的感觉。这本专著的出版标志着“生命力”论的终结和“有机合成”学科的诞生，预示着大规模有机合成时代的来临——不仅在实验室，更具意义的是有机合成的工业化。

　　贝特罗研究烃、糖类和醇的发酵问题，也获得了许多成果。由于在有机合成方面的卓越成就，贝特罗曾于1860年和1867年，先后两次获得“雅克”奖。

　　在法兰西学院的实验室里，贝特罗为自己的化学研究又提出了新的方向，开始研究热化学问题。他测定了燃烧热、中和热、溶解热以及异构化热等等，他企图从中寻找出规律性的东西。“放热和吸热反应”的概念就是他首先引入科学领域的。他还对爆炸问题进行过认真研究，普法战争爆发后，巴黎不幸被包围，法国政府紧急动员，号召所有科学家都来参加巴黎保卫战。1870年9月底，政府要求贝特罗在最短期间内制造出火药。结果只用了几天时间，他就向当局交出了一份关于火药制备工艺过程的报告。从此他一直关心与爆炸现象有关的各种过程。1881年，他发明了一种弹式量热计，并测定了一系列有机化合物的燃烧热。他首创的那种量热计一直沿用至今。

　　贝特罗还同其他科学家合作，在化学领域的其它方面开展研究，作出了突出的贡献。在1861——1863年间，贝特罗和圣·吉尔研究了醋酸和酒精的酯化反应及其逆向的皂化反应，他们发现这两种反应都不能进行完全，而是最后达到平衡。当达到平衡时，各种物质（醋酸、酒精、水和乙酸乙酯）的比例，无论是皂化还是酯化，都是相同的。他们还发现，在任何一瞬间，酯形成的量与反应物质量之乘积成比例，与反应的溶液体积成反比。

    精力充沛、能力惊人的贝特罗，除了从事繁忙的科学研究工作外，还是个著名的社会活动家。他作为参议员，要经常参与国务活动。他是最高美术委员会委员、火药及硝石咨询委员会委员。担任过法国科学院秘书长工作。1886年贝特罗开始在政府任公职，他先被任命为教育部部长和艺术部部长，1895年又出任外交部部长。国内外许多科学院和研究所都曾选他为名誉成员。到1900年，世界上几乎所有的大学或科学院的名誉成员名单中，无一例外地都有他的名字。贝特罗十分关爱青年科学家的成长。我们在第七讲曾提到，当莫瓦桑以最细心的准备迎接三人审查委员会，却没想到不含氟化钾的纯净氟化氢不导电，致使实验失败时，只有贝特罗真诚地安慰和鼓励了尴尬的莫瓦桑。

　  即使到了暮年，贝特罗对科学事业的热爱和献身精神仍旺盛不衰。他继续渴求创造性的劳动，撰写大量的文章和专著，直到生命的最后一刻。

　　贝特罗曾有过一个美满幸福的家庭。1861年，他与妻子索菲组成了家庭，婚后夫妻一直互敬互爱。为了支持他专心致志地从事科学研究，妻子承担起几乎全部家务。他们共有6个子女。他们的长女结婚后有了一个独生子， 1907年，这个深受外公外婆宠爱的19岁外孙在一次车祸中不幸丧生。这一突然事件，使贝特罗夫妇深受打击，贝特罗太太一病未起即与世长辞。连续的冲击，终于使顽强的贝特罗，在80岁高龄的生活中难以承受。妻亡之日也成了贝特罗寿终之时。法国伟大的科学家和社会活动家于1907年3月18日结束了他科学的一生。

　　举国上下为失去这一科学巨星而感到痛惜，法国政府为这位卓越的科学家和思想家举行了隆重的非宗教式葬礼。贝特罗与其爱妻索菲被合葬于潘堤昂名人公墓。礼炮齐鸣，在一片哀乐声中、法国向她伟大的儿子表示了最后的敬意。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一些典型的有机合成方法的建立

　 1855年，李比希的学生、范霍夫的老师，法国有机化学家武兹利用金属钠和卤代烷制取对称的烷烃。

　　　 2RBr + 2Na → R-R + 2NaBr

　  1864年德国化学家费蒂希将武兹反应扩展到芳香族化合物的合成。他利用金属钠将氯苯与碘甲烷缩和为甲苯：

　　　 C6H5-Cl + CH3I +2Na → C6H5-CH3 + NaCl + NaI

    他还通过这一路线合成了二甲苯和乙基苯。

　  李比希和维勒首先发现了苯甲酰氯，后来发现由酰氯很容易合成酰胺、酯和氰化物：

　　　 RCOCl + 2NH₃ → RCONH₂+ NH4Cl

　　　 RCOCl + R‘OH → RCOOR’ + HCl

    日拉尔则提出利用酰氯合成羧酸酐：

　　　 RCOONa + R‘COCl → RCOOCOR’ + NaCl

　 1877年两位法国化学家傅里德尔和克拉夫兹首先利用无水氯化铝为催化剂促成了芳香烃与卤代烷之间的缩和反应，苯环上的氢被烷基取代：

　　　 C₆H₆+ RX → C₆H₅-R + HX

    这就是所谓的傅里德尔-克拉夫兹反应，它也适用于芳香族酮、醛和酰胺化合物的合成，有着广泛的使用价值。例如：

　　　 C₆H₆+ CH₃COCl → C₆H₅COCH₃+ HCl

　   挣脱了往日束缚思想的枷锁，创造的活力汹涌激荡。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　格林尼亚与格氏试剂

　　 提起维克多·格林尼亚教授，人们自然就会联想到以他的名字命名的格氏试剂。无论哪一本有机化学课本和化学史著作都有着关于格林尼亚的名字和格氏试剂的论述。
　　1871年5月6日，维克多·格林尼亚出生在法国瑟儿堡一个有名望的家庭。他的父亲经营一家船舶制造厂，有着万贯资财。在格林尼亚青少年时代，由于家境的优裕，加上父母的溺爱和娇生惯养，使得他在瑟儿堡整天游荡，盛气凌人。他没有理想，没有志气，根本不把学业放在心上，倒是整天梦想当上一位王公大人。由于他长相英俊，生活奢侈，瑟儿堡好些年轻美貌的姑娘，都愿意和他谈情说爱。

　　　 没想到格林尼亚二十一岁时，一个刺激改变了他的生活。在一次午宴上，格林尼亚邀请一位刚从巴黎来瑟儿堡的波多丽女伯爵跳舞，这位美丽的姑娘竟然不客气地对他说：“……请站远一点。我最讨厌被你这样的花花公子挡住了视线！”这话如同针扎一般刺痛了他的心。他猛然醒悟，开始悔恨过去，产生了羞愧和苦涩之感。他离开了家庭，留下的信中写道：“请不要探询我的下落，容我刻苦努力地学习，我相信自己将来会创造出一些成就来的。”
　　格林尼亚来到里昂，想进大学读书，但他学业荒废得太多，根本不够入学的资格。正在他为难之时，拜路易·波韦尔教授收留了他。经过两年刻苦学习，格林尼亚终于补上了过去所耽误的全部课程，进入里昂大学插班就读。
　　在大学学习期间，他苦学的态度赢得了有机化学权威菲利普·巴比埃的器重。在巴比埃的指导下，他把老师所有著名的化学实验重新做了一遍。在师徒二人大量的实验中格氏试剂诞生了。这是一种烷基卤化镁，由卤代烷和金属镁在无水乙醚中作用而制得：

　　　 RX + Mg → RMgX

　　 准确地说，这种试剂首先是由巴比埃制得并注意到它的活泼性，他指导格林尼亚继续研究它的各种反应。1901年格林尼亚以此作为他的博士论文课题，证实了这种试剂有极为广泛的用途。它能发生加成-水解反应，使甲醛、其它醛类、酮类或羧酸酯等分别还原为一级、二级、三级醇。它能与大部分含有极性双键、叁键的有机物发生加成反应。它还能与含有活泼氢的有机物发生取代反应以制取烷烃。利用格氏试剂可以合成许多有机化学基本原料，如醇、醛、酮、酸和烃类，尤其是各种醇类。这些反应最初被称为巴比埃-格林尼亚反应，但巴比埃坚持认为这一试剂得以发展和广泛的应用，主要归功于格林尼亚大量艰苦的工作。后来便把 RMgX 称为格氏试剂。由此我们看到，一个新的发现固然重要，然而将这一发现推广，找到它广泛的应用领域，同样意义重大。

　　 格林尼亚出色地完成了关于格氏试剂的研究而获得里昂大学的博士学位。这个消息传到瑟儿堡，引起他家乡人民很大的震动。昔日纨绔子弟，经过八年的艰苦努力，居然成了杰出的科学家，瑟儿堡为此举行了庆祝大会。

     格林尼亚一旦进入了科学的大门，他的科研成果就像泉水般涌了出来。仅从1901至1905年，他就发表了200篇左右有关有机金属镁的论文。鉴于他的重大贡献，瑞典皇家科学院1912年授予他诺贝尔化学奖。对此殊荣，他认为自己应该与老师巴比埃同享。

　 这年，他突然收到了波多丽女伯爵的贺信，信中只有寥寥一句：“我永远敬爱你！”

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　合成染料开出绚烂之花

　　 100多年前，生活的色彩还没有今天这样丰富多样，因为那时染色还非常困难。谁要想把布料染成自己喜爱的颜色，只能用茜草、郁金、靛蓝、大黄、红花等植物的根、叶和皮之类的汁儿来染色。这些天然染料种类不多，数量也少，而且染出来的东西色泽不够明亮，还容易褪色。

　　直到化学合成染料出现后，才解决了人们对色彩的需求。而这项化学上重要的发明，是由英国人帕琴在偶然中首先完成的。

　　19世纪40年代，非洲的英国殖民地曾流行疟疾。奎宁是治疗疟疾的特效药。但是天然的奎宁产量少，满足不了需要。

　　当时任英国皇家化学院院长的霍夫曼为了用人工方法合成奎宁，开始研究从煤焦油中提取奎宁的办法。1856年，霍夫曼收了一个积极热情的18岁研究生，这就是帕琴。

　　帕琴在自家庭院角落的一间小屋里夜以继日地进行实验，连节假日也不休息。他从煤焦油中制取了一种苯的化合物——甲苯胺，想使它再通过一些化学变化变成奎宁，但失败却接踵而至。

　　于是，他又从煤焦油的另一个成份——苯胺盐想办法。在合成的最后阶段加重铬酸钾进行氧化时，他没得到所希望的白色奎宁结晶，却得到了一种黑色的粘稠液体！

　　帕琴没有灰心丧气，他想看看这种黑色沉淀物到底是什么。于是，他向瓶子里加了点酒精。顿时，黑色液体沉淀溶解成了鲜艳的紫红色。这一来，更证明它不会是奎宁。

　　试验失败了，但聪明的帕琴却注意到了那鲜艳漂亮的紫红色。他想：能不能用它来作染料呢？于是，帕琴拿块布片放进去进行试验。结果，布片被染成了同样的色彩，而且美观鲜艳，这就是第一种合成染料——苯胺紫。

　　帕琴获得合成染料的发明专利后，就说服他的父亲，在哈罗附近建起了一个印染厂。经过改进，生产出一种淡紫色染料，深受女士们的欢迎。就连当时的英国女王维多利亚也非常喜欢这种颜色，有一次她穿了这种颜色的裙子出席一个集会，不料产生了强烈的广告效应，人们竞相模仿，风靡一时。

　　帕琴35岁时，就因生产这种染料而成为巨富。后来他不愿再继续经营染料工厂，便重操旧业，开始从事化学研究工作。
 　苯胺紫的发现虽具偶然性，但这一发现却是人工合成染料的一个重大突破，它开辟了新的研究道路和新的化学工业，为人类生活增添了绚丽的色彩。

　   当时苯分子的环状结构还没有提出，苯胺紫的结构当然无从确定。理论的滞后使帕琴不能合成出更多更好的染料。

　　 到了1868年，在新的有机结构理论指导下，德国化学家格雷贝和里贝曼合作，对茜草中的茜素进行研究，发现它是蒽的衍生物——二羟基蒽醌。

于是他们以煤焦油中的蒽为原料，合成了茜素。第二年，茜素就投入工业化生产，并得到迅速发展，很快取代了茜草的种植园生产。茜素的人工合成，反过来证明了凯库勒有关苯分子结构理论的正确性；它鼓舞了更多的化学家进一步有计划、有步骤地合成有机物。另一种重要的染料靛蓝，原来也是从植物中提取的。在合成茜素十年后，凯库勒的学生、德国化学家拜耶尔初步判明了靛蓝的结构，并在实验室中合成了它。在对染料的研究过程中，拜耶尔提出了著名的碳环张力学说——五元环和六元环的内角接近109o28′而稳定。他因此获得了1905年的诺贝尔化学奖。

　 许多德国的有机化学家们和德国的化工企业合作，合成了大量天然的以及自然界原来没有的染料，使德国的染料工业在十九世纪后期赶上并超过了英国。这些成就得益于德国化学大师李比希开创的吉森学派对有机物结构理论的深入研究。