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有机化学的前世今生-从古希腊哲学到分子理论的诞生-【前篇】

本文来自Chem-Station日文版 有機化学を俯瞰する –古代ギリシャ哲学から分子説の誕生まで–【前編】 やぶ

翻译投稿 炸鸡 校对 HaoHu

本次连载讲述了随着把生命体区别于其它物质的生命力说被推翻,而起源的有机化学的故事。然后带大家鸟瞰一下人们如何完善化学理论,又是如何把绝大部分天然分子的人工合成变为可能。在最后,我们将跨越现代有机化学和现代无机化学之间的边界,看看优秀的合成化学者是怎么一个个地创造出自然界中不存在的新分子的。

说到有机化学,到底什么是有机(生命力)呢?

我们生活的周围充斥着各式各样的化学制品,比如医药农药,染料,香料还有塑料等。简之而言,这些物质都是依靠“通过烧瓶中的化学反应来创造分子”这一有机合成化学的独有的“力量”来被制造出来的。因为分子是物质性质和功能的最小单位,所以有机合成化学的定位是在原子级别构建分子和改变分子的结构。12

 解热镇痛药乙酰水杨酸的合成反应方程式。有机合成化学能在原子级别构建分子。

在先前所举的例子中,农药,医药,染料以及塑料在大多数情况下都被归类到有机化合物一类,这是基于“有机化合物指的是把碳元素或氢元素作为主要成分的一类化合物”这一基本定义。但历史上,有机化学一度是一门关于如何科学获取和使用来自生命体的物质和分子。不知从何时起人类对有机化学的认知冲破了“有机化学是关于来自生命体物质的化学”这一枷锁,人类开始人工合成有机化合物。

本连载将沿着历史时间轴讲述生命的科学——有机化学是如何一步步发展到今天的地步。本连载分为前篇和后篇,本次内容为前篇,会以化学发展史为时间线讲述分子理论的诞生和发展。在后篇里我们会用通俗易懂的方式向大家介绍大学有机化学和有机化学的前沿研究。

古人的看法一:来自生命体的物质具有一种神秘的力量1

尽管没有科学的依据,但是人类从古代开始就一直利用自然界中的化合物。比如从古代人们就知道的一种化学现象——“发酵”。白酒,啤酒和葡萄酒早在1万年前就已经深受人们喜爱。能带给人们“醉意”这种愉快情绪的酒精饮料对当时的人们来说是一种神秘的存在。医药品的开发也是人类利用自然界中的化合物的一个例子。约3500年前古埃及人就已经发现柳树的木头有解热镇痛的效果,所以流传有把柳树的树皮煎熬来制成药膏疗伤这样的药方。

 发酵时人类自古以来就利用的一种化学反应。古时认为酒带来的醉意非常地神秘。

基于以上的认知人们才会有“来自生命体的物质有一种神奇的力量”这一“生命说”。对“生命说”的探求也变成了有机化学研究的动力。但是有机化学真正被当作一门科学来研究还要等到18世纪以后原子理论的提出。综上,让我们试着追本溯源看看人类通过什么方式发现并研究肉眼无法看见的原子或分子的存在的吧。

古人的看法二:从自然哲学角度看有机化学3

古希腊的自然哲学志以较少的原理来解释世界。之后又自然哲学家提出“世界上存在万物的根源”。万物的根源称为元,到底发挥基本功能的元是个什么东东,自然哲学家们又各自都有自己的独特想法。比如泰勒斯主张“水是万物之源”,而阿那克西米尼主张“万物之间的差别是因为空气浓度的差异。”

在这些理论中,德谟克里特提出原子论。原子论主张所有的物质都是由几种叫做原子的最小要素构成世界可以分为原子和空虚,空虚是原子运动的空间。本来“原子(atom)”也有“不可分割”的意思,所以不可能有比原子还小的东西存在,即原子不可能被破坏。原子论的主张是“虽然世界上有着各种各样的物质,但是物质的变化是因为原子的组合发生了改变,而原子本身并不会发生变化”。

古希腊哲学家阿那克西米尼认为空气是万物的根源。阿那克西米尼图片来自维基百科,德谟克里特的肖像来自于这里

虽然在当时原子论并没有科学依据支持,但是以我们学到的知识来看原子论,它竟然是正确的。在原子论提出之前,人们都是通过神话来解释他们所生活的世界,但原子论诞生之后,用科学理论解释世界的萌芽诞生了。

中世纪:炼金术化学炼出金子吧!3

在中世纪埃及就已经开始研究炼金术了。炼金术是指把铁和铜等容易被氧化的金属(廉价金属)变成金和银的技术。这样的活动从7世纪后半叶开始经过阿拉伯、西班牙传到欧洲,一直持续到15世纪左右,但最终科学家还是没能从廉价金属中制造出金。

近代:基于实验的化学3

上一节中提到的炼金术用我们现代人的眼光来看是注定不会成功的。但当时原子尚未被发现,并没有科学地提出化学的基本原理,所以我们不应该嘲笑当时苦心钻研炼金术的科学家们。其实,炼金术的研究并不是毫无用处,它确实为分析技术和实验技术的进步做出了贡献。作为一门科学的化学,其基本原理要想得到发展,得等到18世纪拉瓦锡发现“质量守恒定律”。下面让我们来瞅瞅18世纪的科学家是怎么奠定化学的基础的吧。

物质的变化只不过是原子组合的改变

1774年,法国化学家拉瓦锡通过在密封容器中加热空气和锡的实验,发现了“无论物质化合还是分解,物质整体质量的总和都不会改变”的事实。这就是化学反应的基本原理“质量守恒定律”。在这之后,又有几个化学法则相应地通过实验被发现了。

 质量守恒定律。拉瓦锡肖像来自维基百科

首先,1799年法国化学家普鲁斯特通过分析铁等矿物和化合物,发现“无论是天然物质还是人工物质,只要是相同的物质,其组成都是一定的(常数比例法则)”。这是对“物质都是由原子组合形成的”的原子论概念的肯定。而且,这一发现也提醒了人们人工合成天然化合物的可能

到了1803年,道尔顿进行了有关化合物组成的实验,发现“当存在由AB两种要素构成的两种以上不同化合物时,当A为一定量时,B的量与A成简单的整数比(倍数比例法则)”。

 倍数比例法则。道尔顿肖像来自维基百科

基于上面的3个基本化学定律,道尔顿提出了“基于实验事实”的原子理论:

  • 单体和化合物都是由原子构成的
  • 每个作为“元”的原子都有固定的质量和大小且不可分割(元是指万物的根源)
  • 化合物都是由一定数量的原子组合而成
  • 物质的变化实质上是原子组合的改变

由此道尔顿的原子概念席卷了化学界。

盖吕萨克随后提出了关于气体反应的法则以支持道尔顿的原子理论。即,在某两种以上气体参与的反应中,生成或消耗的气体的体积,在一定的压力和温度条件下成简单的整数比。道尔顿的倍数比例法则关注的是质量,而盖吕萨克提出倍数比例法则同样也适用于气体体积。

 气体反应的法则。盖吕萨克的肖像来自维基百科

原子理论解释不了水的诞生

但盖吕萨克的气体反应法则并未完全支持原子理论。比如水的生成反应,应是“氧气︰氢气︰水蒸气= 1 : 2 : 2”。如果要用原子理论来解释的话,原子就必须分割(a)或者增加一个(b)。水的生成反应事实与道尔顿的原子理论相悖。

盖吕萨克的气体反应法则和原子理论相悖。1体积的氧气和2体积的氢气生成了2体积的水蒸气,若从原子角度考虑,氧原子必须要分割(a)或是氧原子要增加一个(b)。

单体和化合物都是由分子构成的

解决这个矛盾的是意大利科学家阿伏伽德罗。阿伏伽德罗提出“氧气,氢气这样的单体和水这样的化合物都是由分子构成的。”他解释道:“分子是由几个原子结合而成的,发生反应的时候分子会被分割为原子。”也就是说,氧气分子和氢气分子是由两个原子构成的分子,水分子则是由一个氧原子和两个氢原子构成的,这样就能满足气体反应的规律。之后,阿伏伽德罗对盖吕萨克的假说进行了修正,整理成为分子理论“同温、同压、同体积的气体中含有相同数量的分子”,并于1811年发表。这就是我们今天的阿伏伽德罗法则。

修正气体反应法则后得到阿伏伽德罗分子理论。用分子理论考虑水的生成反应就无需分割或增添原子了,同时也肯定了道尔顿原子理论的正确性。阿伏伽德罗肖像来自维基百科

今天的内容到这里就结束了。我们带大家了解了以前依靠实验的情况下原子理论是如何慢慢形成的,之后分子理论如何形成的。在下一篇里,我们来聊聊人们是如何发现那些从有生机的生命体中得到的化合物也是由分子组成的,一起来瞅瞅现在有机化学的发展吧。

参考文献

  • [1] Nicolaou, K. C.: Montagnon, T., In MOLECULES THAT CHENGED THE WORLD -A BREIF HISTORY OF THE ART AND SCIENCE OF SYNTHESYS AND ITS IMPACT ON SOCIETY, WILEY-VCHVerlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2008, 366
  • [2] Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S,; Wother, P., 「ウォーレン有機化学 (上)(下)」, 野依良治ら訳, 東京化学同人, 2003.
  • [3] 星野達也, 「改訂版フォトサイエンス化学図録」, 増田達男ら編, 数研出版, 2013.
  • [4] 画像素材について特にことわりのないものは, 次の画像サイトから引用しています. (a) https://www.photo-ac.com/ (b) https://www.shutterstock.com/ja/home

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