凯库勒:有机化学里的“建筑师”

2015-12-26 15:15
科学家 2015年10期
关键词:库勒拉尔化学家

许多人或许还记得中学化学课上,老师在讲台上喋喋不休地讲苯的结构时,所提到的那个科学家做梦的趣闻。而你或许还清晰地记得苯环的化学式,但却忘记了那个在梦中发现苯结构的科学家姓甚名谁。那个人就是德国著名化学家一一凯库勒。

从设计师到化学家

凯库勒原本是一个热爱建筑,且极具设计天分的建筑学高材生。在进入吉森大学成为其建筑学学生之前,他已经为自己的家乡德国达姆斯塔德市设计了三所房子。进入大学后的他更是如鱼得水,以惊人的速度修完了几何、数学、制图、绘画等十几门建筑专业的必修课。

如果事情按部就班地向前发展,或许世界上会多一个名为凯库勒的建筑家,在全球各地奉上他或前卫、或传统的建筑设计作品。但就是意外,令故事横生枝节,让凯库勒的人生道路发生了偏转。

而导致偏转发生的诱因便是一一赫尔利茨伯爵夫人的案件。

其实并不是案件的主人公让凯库勒的兴趣发生了变化,而是案件的“判决者”一一著名的李比希教授。

其实案件并不算复杂,不过是伯爵夫人侍从偷盗一枚价值连城的宝石戒指。不过,侍从的拒不认罪,让案件的侦破无从下手。而李比希教授运用自己的化学知识,通过确凿的实验结论,测定了宝石戒指的金属成分,并通过清晰的逻辑将自己的实验结果在法庭上予以阐释,让罪犯无处辩驳,最终只得对自己所犯罪行供认不讳。

这戏剧性的一幕,让前去旁听的凯库勒对李比希产生了由衷的敬佩,也自此一步步偏离了自己做建筑师的预定轨道,走向了化学研究的大门。

其实,在吉森大学时,凯库勒早就听闻了李比希的大名。不过,他对化学毫无兴趣,即使同学纷纷向他推荐李比希教授的课程,他也不为所动,不愿意浪费自己的时间。但在旁听了那次庭审之后,凯库勒主动走进了李比希教授的课堂。

李比希在课堂上的旁征博引、挥洒自如,让凯库勒看到了李比希教授所描绘的那个如梦般美丽的全新世界一一化学殿堂。他像着了魔一样,开始对化学产生浓厚的兴趣,并最终下定决心改弦易辙,放弃建筑学转学化学。 本身对建筑学颇有天赋的他,突然放弃建筑学的学习,这令家人十分不解,他们对凯库勒这一决定极力反对,甚至强迫他离开吉森大学,转入达姆施塔特市的高等工艺学校。不过,此时的凯库勒已经下定了决心,未来所从事的事业除化学外别无他路。即使离开了李比希教授的课堂,他还是在化学学习的道路上渐行渐远。

进入达姆施塔特市宫灯工艺学校之后,他便结交了该校因发明磷火柴而闻名的化学教师弗里德里希·莫登豪尔。在这位老师的帮助下,凯库勒掌握了多种化学分析实验方法。而此时,凯库勒研究化学的决心终于为家人所感知并接纳,他也获得了重返吉森大学求学的机会。

1849年,凯库勒回到了吉森大学,在李比希实验室继续分析化学实验,从此走上了化学研究的道路。

有机化学里建大厦

为了进一步深造,1851年,凯库勒在叔父的支持下,自费前往法国巴黎留学。为了节省开支,他在巴黎的生活可以说是节衣缩食。不过,好在对化学的热忱抵消了生活的艰辛所带来的沉重。

在法国学习期间,凯库勒获得了法国著名有机化学家查理·日拉尔的关注。那是日拉尔的一节化学哲学课,在场的凯库勒向日拉尔抛出了一系列很有分量的问题,立即引起了日拉尔的注意。日拉尔邀请凯库勒到自己的书房讨论问题,两人相言甚欢,谈论一直持续到深夜,甚至连饭都忘记吃。

也就是在法国学习的这段时间内,凯库勒依据研究硫酸氢戊酯的结果写就了自己的第一篇化学论文。这篇论文得到许多专家的高度评价,1852年,也就是凯库勒刚到法国的第二年,便获得了化学博士学位,不久,凯库勒便回国了。

在随后的研究中,凯库勒曾转战英国,但无论在哪儿,他始终对原子价问题十分关注。之后,他通过实验证明,含氧有机化合物中的氧能够被同样是二价的硫所取代。由此,凯库勒将元素的原子设想成极小的球,并认为“化合价”的概念,可以成为新理论的基础。

1855年,凯库勒离开英国返回德国。他希望能够在大学里做个讲师,为自己的科研腾出更多时间。不过,在走访了柏林、吉森、葛廷根和海德堡等城市的一些大学后,结果却未令他如愿,他并没有获得一份合适的工作。

不过,凯库勒有自己的办法。他在海德堡租了一套房子,将一间作为教室,一间改成实验室,开始以副教授的身份开授课程。

最初凯库勒的私人教室里的学生,只有寥寥数人,不过这种状况并没有持续多久,教室里便座无虚席了。随之而来的,是一笔客观的收入,这也支持他将自己的研究不断进行下去。

那个时代,有机化学正在蓬勃发展,逐渐成为化学研究的主流。但蓬勃发展的背后,也存在化学家们互相争执不下的混乱局面,例如为了描述醋酸的结构,化学界竟然有19种表达方式。

已经颇有建树的凯库勒成为根特大学的教师,他在自己的研究中搜集资料时,深深为化学界的混乱局面所困扰。而改变这一局面,提高化学理论的统一性,也成为了当时凯库勒的主要目标。

1859年,凯库勒与化学教授卡尔·魏尔青商讨了关于召开世界化学家会议的问题,目的就在于统一化学家们对于化学价、元素符号、原子、分子概念等方面的不同意见。

于是1860年9月3日,第一届世界化学家大会在德国卡尔斯鲁厄城拉开帷幕,来自十几个国家的150位化学家出席了这次会议,并在此次会议上成功解决了所有无机化学存在的混乱问题。

不过,凯库勒对此次会议所取得的成果显然还是很不满意。因为会议主要解决的是无机化学领域的问题,而他所倡导的有机化学结构问题却在讨论中被淹没。

不过,凯库勒并未放弃推动有机化学学说的发展。他曾提出有机物分子中碳原子为四价,而且可以互相结合为碳链。这一观点,也成为了现代化学结构理论的基础。

1865年,凯库勒发表的《论芳香族化合物的结构》一文,也是他对有机化学的另外一个重要贡献,因为在这篇论文中,第一次提出了苯的环状结构理论。

凯库勒对苯的结构的研究开始于1861年前后。对于这个奇妙的苯环结构,还有凯库勒科学灵感的一个趣闻。1864年冬天,凯库勒在写自己的教科书,工作似乎有些停滞不前。他坐在炉火旁的椅子上打起了瞌睡。据凯库勒记载,在他的梦里,原子跳跃起来,最终形成了一条咬着自己尾巴的蛇的形状。凯库勒形容这个梦“像是电光一闪”,醒来后,他花了一夜的时间,作出了苯环的假想,树立了有机化学发展史上的一块里程碑。

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