碳的奥秘有机化学的崛起 [复制链接]

有机化学，改变世界的合成科学，让我们扮上帝的角色。

——美国有机化学家PhilS.Baran（菲尔·巴兰）

如果要评选19世纪化学哪一门分支最引人注目的话，答案肯定是有机化学。它的历史可追溯到古代的酿酒、染色、制药等生产活动。人类很早就知道脂肪、糖类、树胶等有机物，毕竟这与填饱肚子有关。虽然人们长年累月地从天然动植物提取和使用有机物，由于有机物本身的复杂性，除了酒精、醋酸等少数有机物外，光提纯就足够麻烦，更逞论研究其性质和结构了。这无形中增加了有机物的神秘感，使得有机化学的研究远远落后于无机化学。直到19世纪初期，有机化学仅仅是一些零碎知识的积累，与初具规模的无机化学（拉瓦锡的氧化理论与道尔顿的原子论以及一套规范的实验分析）相去甚远。

18世纪末，以英国为首的欧洲各国相继掀起了以蒸汽动力的广泛应用为标志的第一次工业革命，纺织、香料、印染、食品等与有机化学相关的工业部门迅猛发展。如此一来，有机物的提纯、分析和合成等问题就提上了日程。用马克思的理论说，生产实践的发展是促进有机化学诞生的社会因素，或者说是外部条件。另一方面，无机化学经过拉瓦锡、贝托雷、普劳斯特、盖·吕萨克，特别是道尔顿的努力，理论和实验方法已成为化学的领头羊。化学家开始尝试用无机化学的理论和实验方法探索有机物，这是有机化学诞生的内部因素。

瑞典和法国是有机化学的两个早期发源地。在瑞典，药剂师出身的清贫化学家舍勒揭开了有机化学的序幕，首先分离出草酸、苹果酸、安息香酸、乳酸、尿酸等多种有机酸，在舍勒辉煌的研究以前，人们只知道四种有机酸：由醋和蚂蚁分别蒸镏而得的醋酸和蚁酸，由安息香树胶和琥珀分别升华得到的安息香酸和琥珀酸。贝采里乌斯紧随其后，不仅提纯了多种有机物，还对其进行了化学分析，写出了一些有机物的化学式，更重要的是，他提出了同分异构等一系列有机化学专用术语。在法国，拉瓦锡首先分析有机物的组成，发现有机物都含碳、氢元素，一部分还有氧、氮、硫等元素，盖·吕萨克则发展了拉瓦锡的有机物分析方法。然而，这两个发源地都没有让孕育中的有机化学破茧而出，使有机化学成为一门科学并走上发展的康庄大道的重大转变，要归功于在这两地学习的两位德国化学家——维勒和李比希。

维勒和李比希合称化学历史上的双子星。他们在研究安息香酸系列有机物的基础上，首先提出了基团理论，这是有机物结构理论的第一步。随着有机物反应的取代现象的发现，以二元论为基础的基团理论暴露出致命缺陷，新的有机结构理论——取代学说建立，随后又出现了“核团论”、“类型论”等以“一元论”为基础的有机物结构理论，它们在解释有机物的性质与分类方面发挥过积极作用。19世纪中期，被誉为“化学建筑师”的德国化学家凯库勒以原子价（化合价）为起点，逐步建立了碳四价学说、碳链学说和苯环理论，这是有机化学发展历程的里程碑，俄国化学家布特列洛夫几乎同时提出了有机机构理论，成功预测了一系列有机物反应。19世纪70年代，为了解释有机物的旋光性质，荷兰化学家范特霍夫提出了碳的四面体理论，促使有机化学从平面结构迈向了立体结构的研究道路。至此有机物结构理论的框架已经搭建成型。这一过程，除了简单计量以外，几乎没有用到任何数学工具，仅仅依靠类比推理就建立起有机物结构理论，这是经典有机化学时期的显著特色。

有机化学自诞生以来，其一大特点是认识与分离提纯的有机物持续不断快速增加，这一趋势直到今天仍然有效。据国际纯粹应用化学会估计，现在认识的有机物大约有多万种，而每年新报道的有机物高达20万种。这些有机物，一部分是从天然动植物、微生物提取的，一部分则是通过人工合成方法制造而得的。化学家不仅在实验室合成了天然存在的有机物，更合成创造了一大批自然界没有找到的有机物，“有机物”这一名词已失去了原来的含义，只因历史和习惯的原仍然沿用这个名称而已。化学家扮演了上帝的角色，用上帝之手将世界妆扮得五彩缤纷。

19世纪中期，工业革命的领头羊产业——纺织业获得了爆炸性发展，各式各样的服装涌现出来，不同颜色的染料需求与日俱增，而天然染料的小作坊式的生产远远不能满足社会需求，借助工业化起飞的风口，寻找大规模生产染料的方法就显得尤为迫切了。煤炭能源工业的兴起，为城市照明、工业炼钢提供了煤气和焦炭，同时产生了大量污染环境的黑色的煤焦油，如何将煤焦油变废为宝成为化学工业的大问题。化学家在实验室不懈努力，终于发现利用煤焦油合成染料的有效途径。合成染料从实验室走向现代化工厂，预示着新的工业部门——有机合成工业的诞生。到19世纪末，有机合成工业已才成为各国工业的重要组成部分，有机合成工业改变了欧洲各国（主要是英、法、德三国）的*治格局，其影响不亚于以电力的广泛应用为标志的第二次工业革命。

有机化学的历史大致可以分为三个时期：第一阶段是萌芽时期，由19世纪初贝采利乌斯提出“有机化学”相关概念到年提出价键概念之前。这一时期，化学家已经分离提纯了许多有机物，也制备出了一些衍生物，建立了一套有机物化学分析方法，并开始探索有机物的结构。第二阶段是经典有机化学时期，由年价键学说的建立到年价键的电子理论的引入。这一时期，提出了碳链与苯环理论，进而又创立了碳的四面体学说，打开了有机立体化学的大门。第三阶段是现代有机化学时期，德国化学家柯塞尔和美国化学家路易斯提出了价键的电子理论至今，他们根据稀有气体原子的最外层电子结构特别稳定这一事实，提出各元素原子总是通过得失电子或共用电子对，趋向使其最外层具有８电子的稳定结构而形成各种单质或化合物，区分了离子键和共价键（后来又发现了不同于二者的金属键）。量子理论建立以后，德国化学家海特勒和伦敦在年用量子力学处理氢分子的结构问题，解释了氢分子稳定存在的原因，建立了现代价键理论，简称VB理论（电子配对法）。经过美国化学家鲍林和马利肯的工作，化学键理论（杂化轨道和分子轨道理论）解释日趋完善。

接下来的要说的就是有机化学前两个阶段的那点事。