微观结构的探索：有机化学式的发展历史简述

  很多回答讲到这样的一个问题，不想自我抄袭，简单写写。“化学史导入”是一种化学课常见的导入方法其实，但是没头没尾的史料会令人更困惑。参考的是下面这种完整的化学史数据和文献资料，其中的恩恩怨怨还有人物的小故事都非常多，不过下面只是一个按人物为中心简述。

  讲这一段历史比较好的一本是下面这本《化学简史》，不过这本的整体内容有些过时了，这本书最后一版增订版是1957年的。

  （De Morveau，1737—1816），在1782年《欧洲化学史》中他提出需要一个概念描述多元素实体，比如有机酸和乙酸，于是他从拉丁语radix（根）中提出一个词radical，这个就是硫酸根、硝酸根中“根”说法的来源。

  （Antoine-Laurent de Lavoisier，1743—1794），推翻燃素论，氧和氢，元素的概念，近代化学的奠基人，发表第一个现代化学元素列表，1787年《化学命名法》。他接受了德莫尔韦的根的概念。

  （John Dalton，1766—1844），原子论。业余大气学家，色盲，《化学哲学的新体系》。1803年，道尔顿提出了一种化学符号体系，他用一个球表示某种元素的原子。他觉得这是巨大“革新”的，并对这些符号非常有信心，但出版商不愿意使用。单原子表示如下，当时限于分子量测试的精度，很多元素的分子量都有问题。

  其中的H原子个数经常测错，并且对原子如何组合的，即原子之间的亲和力没有很好的解释。其中，早期不区分元素和单质这两个概念。同时也因为“异性相吸”的观念，不认为存在双原子分子，导致以氢气为基准的分子量体系都不能自洽，这一问题要到1860s 阿伏伽德罗的分子假说复活才解决。

  （Jöns Jakob Berzelius，1779—1848），现代化学命名体系的建立者。使用元素拉丁名（很多继承了拉瓦锡的说法）的首字母表示元素：

  虽然有些西方中心论的论调，但在当时的化学家看来，拉丁语确实是世界的。其实汉弗里·戴维(Humphry Davy，1778—1829)和学生迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791—1867）对“化学组成”的理解和贝采利乌斯是不同的，法拉第的物理直觉远比另外两位好。法拉第还在1825年首先发现了苯，这个重碳化合物对有机化学的发展意义非凡，这里就不展开了。

  贝采利乌斯最早的符号体系是Cu+O这种，后来嫌麻烦，直接写成CuO，不过它提出重复的元素用上标，所以硫代硫酸是S²O³，分子和带电荷的基团是后来才有的概念。

  贝采利乌斯对原子之间亲和力的理解来自电化学，即“电化学二元论”，氧在所有原子中最负，所有金属都是正的，原子依靠静电力结合，电流会使原子分开。所以，他曾经提出在被氧原子结合的原子上表“·”表示带正电，但大家没有接受。所以

  2（K+）+（O-）→（K²O+）略带正极性，碱；（S+）+3（O-）→（SO³-）略带负极性，酸；两者可以再结合（K²O+）+（SO³-）→（K²O，SO³）。

  这套理论在当时备受质疑，原子量各家测定的都不一样，有的说氧的原子量是8，有的说是16，而且原子量没有本质性的解释。

  上图中的热拉尔Charles Gerhardt(1816-1856)后面会介绍，道尔顿和贝采利乌斯测出来乙酸都是四个碳，这和羧酸容易二聚有关。

  1832年李比希和另维勒在《关于安息香酸基的研究》提出基团理论Radical Theory。

  他们指出安息香酸、安息香酰氯、安息香酰胺等一系列化合物中有一个共同的结构安息香基（Benzoyl，现在译成苯甲酰基），其组成为(14C+10H+2O)，该基和2个H结合即构成苦杏仁油14C+10H+2O)+2H(现在称为苯甲醛）。苦杏仁油氧化得安息香酸(14C+10H+2O)+2H+2O，而在化学反应中基的组成不变。至于为什么认为是14个碳，还是因为有机酸容易二聚。（以前化学书上有李比希学到了燃烧法精确测定有机物的分子式的介绍，这是他发现基团的前提。）

  这是对德莫尔韦根/基团/基（radical）概念的复兴，基团这个概念曾经因为原子论备受冲击，而李比希复兴基团论，必然严重冲击了贝采利乌斯的“电化学二元论”，但这几位互相都认识，有一些时候还会一致对外。

  之后的几年中，乙酰基，甲基，乙基，二甲胂基（Me₂As-），肉桂酰基（C₆H₅CH = CH-）和n-C₁₆H₃₃等。

  再之后Kolbe分离出了游离甲基（现在还有这个人名反应，得到的其实是乙烷），而Frankland则分离了游离乙基（其实是丁烷），Frankland（后面会介绍的）后来从二乙基锌出发提出了化合价的概念。

  （Adolph Wilhelm Hermann Kolbe，1818—1884）是维勒的学生，他是电解有机物第一人，也是从无机物合成乙酸的第一人（毕竟是维勒的学生），“合成”这个说法也是他引入化学的。如果介绍自由基化学，他将是重要人物，这里就不多介绍了。

  （Jean-Baptiste Dumas，1800—1884)一开始强烈反对基团理论，后来被李比希说服了（有说s不发音译成“杜马”的）。他俩1837年合写的书中指出

  基团论虽然有实验证据，但是背后的原子间亲和力是什么难以说清，这和贝采利乌斯理论中的阴阳相吸相比，总觉得差点什么。

  1839年，杜马斯提出了“取代理论”Substitution Theory和“类型理论”Theory of Types。他在1838年的文章中描述了乙酸的氯化，得到了三氯乙酸。

  也就是说氢被氯取代产生一个新的基团（乙酰基或甲基变成了三氯乙酰基或三氯甲基），但没改变分子类型。乙酸和三氯乙酸的化学性质非常相似，表明分子类型相同。在贝采利乌斯的体系中，H和Cl电性不可能相同，所以能得出一个结论，原子之间的“亲和力”中有一种非静电力的作用。

  （Auguste Laurent，1807—1853），法国有机化学家，发现了蒽、蒽醌、邻苯二甲酸、邻苯二甲酸酐、䓛、芘和靛红等多种物质。他最主要的贡献是和后面会讲的热拉尔一起更准确地说明了分子和原子的概念。

  罗朗通过研究氯萘的性质提出了“核取代理论”Substitution （Nucleus）Theory，基本上和杜马斯的理论类似。

  贝采利乌斯强烈反对以上的取代理论，认为他们违法了化学的原则，但有机化学家则希望找到一种更正确的化学哲学来解释这样的一个问题。李比希喜欢嘲讽别人而且自恋，一代泰斗贝采利乌斯也不容易屈服，取代论的几位也有自己的理论依照，因此这里提到的几位相互攻击得非常厉害。这也和当时盲人摸象的实验条件相关，不过这种相互攻击还是推动了理论发展的。

  之后，罗朗继续发展他的取代说，并提出了新的“类型说”如上图，这已经很接近现在的表达方式了。

  （Charles Wurtz，1817—1884），李比希和杜马斯的学生，他的武尔兹反应一些书现在还会介绍。他发现了从异氰酸酯合成胺的方法，发现各种烷基取代的胺性质接近。

  （August Wilhelm von Hofmann，1818—1892），也是李比希的学生，在化学理论方面，霍夫曼于1849年最先提出“氨型”的概念，成为后来“类型说”的基础。他提出胺类是由氨衍生而来的，是氨分子中氢原子被烃基取代而形成的。伯、仲、叔胺由此命名。他后来发现了季铵盐，指出氢氧化四乙铵为强碱性，还发现了霍夫曼消去反应。霍夫曼发表论文300多篇，著有《有机分析手册》和《现代化学导论》等书，他有一个得意弟子叫铂金Perkin。

  （Alexander William Williamson，1824—1904）是一位英国化学家，一些有机化学书上还有他的“威廉姆逊醚合成”。1850年-1852年，根据对醚的合成的研究成果，他也提出了“类型论”。他把水写作以氧为中心的形式（H-O-H），也把乙醇（Et-O-H）(Et-O-Et)写成类似的形式，认为乙醇是水中的一个氢被乙基取代，是两个氢都被乙基取代的产物，从而把一些有机物归结为水的类型，认为其两端取代的基团不同导致了其化学性质不同，他们之间的转化就是组成有机物的基团的互相交换。

  威廉姆逊还是日本近代化先驱群体“长州五杰”的导师。五位日本学生（伊藤博文、山尾庸三、井上胜、井上馨、远藤谨助）经中国上海偷渡来到英国伦敦，在伦敦大学学院学习近代科学技术。威廉姆逊是他们的导师。这个伊藤博文就是历史书上那个伊藤博文，讲化学反应的时候可能没有人会想到这位和历史书上的人还有关联。

  （Charles Gerhardt，1816—1856)，1853年，他总结出可以用四个无机物的模型可以概况所有有机物，即水、氨、氢和氯化氢。

  这个化合价和现在理解的化合价不同，更接近成键数的概念，详细的介绍参考上面的回答。

  （Friedrich·Kekule,1829—1896），当时在德国或者说普鲁士的李比希一派还在坚持着类型说。1859年，也是李比希学生的凯库勒接受了价的理论，并和下面介绍的库帕几乎同时提出了“碳四价”论，不过他使用的是香肠表达式Sausage Formulae。本来立志于学习建筑学的凯库勒对构造非常了解，下图是香肠式中乙酸的画法。

  （ Jacobus Henricus Vant Hoff，1852—1911）他因为物化上的范特霍夫方程而出名，同时是第一届诺贝尔化学奖的得主。他曾经做过凯库勒和武尔兹的学生，1874年他提出了碳原子正四面体理论，并解释了手性的问题。有机物立体结构中最常见的透视式画法就这么来了。

  因为李比希学派影响力巨大，早期大部分有机化学史都围绕着该学派展开，导致很多概念仿佛是凭空出现的，该学派中的一些学者也喜欢强调“做梦”，弄出来很多“顿悟”的趣谈，而随着科技史专家的发掘，藏在阴影中的化学家面们目逐渐清晰了起来……

  当时各个国家之间，很少相互交流最新的科学进展，当时各国测得的分子量和使用的分子量都不同，最有名的例子就是凯库勒1850s出版的一本有机化学教材上乙酸有十几种分子式，有机化学家们对贝采利乌斯理论的质疑也慢慢变得多。为此，1860年在德国召开了卡尔斯鲁厄国际化学会议上，意大利化学家康尼查罗（Stanislao Cannizzaro，1826—1910)发表了关于利用阿伏加德罗（意大利人，Amedeo Avogadro，1776—1856）假说（1811年提出的）和原子热容定律测定原子量、分子量的论文小册子，分子论立刻引起了讨论，沉寂了近50年的阿伏伽德罗理论就这样复活了。在经受众多德法物理化学家、有机化学家的实验验证后，分子论逐渐被接受。（后来因为原子论受到了马赫等唯能论支持者的猛烈攻击，一些有机化学家会强调“分子式”“结构式”只是一种建立在等比定律、定比定律上的假说，没有更多的物理意义。）

  不难发现上面的化学家基本都是普鲁士、法国和英国的，而且看完本文会发现有许许多多李比希学派的人，这就涉及强势和弱势学派/国家话语权的问题了，阿伏伽德罗理论长期不被接受就和意大当时的化学科研水平不高有关，而1860年康尼查罗复活分子论的时候，阿伏伽德罗已经去世了。

  这位康尼查罗除了留下了著名的“康尼查罗反应”外，还是一位革命家，经历非常传奇。

  （Archibald Scott Couper，1831—1892），苏格兰人，在他的著名论文《论新的化学理论》中，他提出碳是四价的，有机物中存在着碳 - 碳键，Bonds这个概念就这样提出了。很自然的，他和凯库勒为谁更先提出碳四价的概念而争论过，可惜库帕因为论文（1858年左右）实际付印时间比凯库勒晚而失去了“首创者”的名号。据说他因此埋怨自己的导师武尔兹（前面提过这位），以至被逐出实验室（也有说是因为武尔兹认为库帕的工作脱离实验，而且伍尔兹也不是法兰西科学院，导致了论文付印被拖延）。

  1858年12月，库帕回到苏格兰工作，几个月后（1859年5月）精神彻底崩溃，确诊精神病，两个月后出院，出院后立刻复发，直到1862年11月才再次接受专业的治疗。他之后30年在他母亲的照顾下度过。直到库帕去世后，化学史学者研究现在这种化学结构式的起源时才重新发现了他的贡献。下图是他的有机物表示方法，已经很接近现代的写法了。

  （Alexander Crum Brown，1838—1922），也是苏格兰人，虽然关于他的介绍很少，但在这篇短文中却很重要，因为他是现在通行的有机结构式的“发明人”。库帕被逐出武尔兹实验室之后，精神崩溃之前，曾在苏格兰人Lyon Playfair (1818-1898)的实验室做助手，期间认识了布朗。可能是受库帕的影响，1864年布朗提出了下面这种图示方法，他强调这种表示没任何物理意义。1866年，前面提过的弗兰克兰将这种表示方法写进了教科书中。

  （Johann Josef Loschmidt，1821—1895），这位物理学家及化学家最早测定了阿伏伽德罗常量，并且是不饱和度概念的提出者之一，他比凯库勒早四年给出六元环苯的示意图，可惜他不知道碳四价理论。他更出名的是物理上的洛施密特悖论，又称可反演性悖论。

  上图是他1861年出版的《化学方法》一书中画的乙酸、苯和苯的衍生物。凯库勒将六元环的观点说成是做梦做出来的，其实碳四价和六元环都不是他最早提出的，但他毕竟是李比希的学生，有着“李比希年鉴”的宣传优势，其他几个国家的人比不了。

  1865年，李比希学派的A. W. 霍夫曼（上面提过了）总结出了有机物的物理模型。在当时没有核磁、没有红外、没有围观表征技术的条件下，吸收了布朗的结构表示方法，制作了一组有机物的模型，并在大会上多次展示。

  但注意上面的结构中碳是平面的，这个模型就会有化学书上一个经典的问题，二氯甲烷为什么只有一种？

  （Hermann Emil Fischer，1852—1919），他也是凯库勒的学生，后来称为拜尔的助手，他因为研究糖和卟啉类化合物获得了第二届诺贝尔化学奖。受上面Vant Hoff的影响，他提出了费舍尔结构式（Fischer Projection）。李比希派还有一个叫费舍尔，汉斯·菲舍尔(Hans Fischer，1881–1945)拿了1930年的诺贝尔奖，最搞人心态的是两个费舍尔都研究过卟啉。前面的E. Fischer非常地不幸，1919年他两个儿子都死于一战，他不久后自杀了。

  费舍尔式有一个巨大的“槽点”，就是上下颠倒后结构会变成原来结构的镜像，那么谁在上谁在下成为费舍尔式的一个关键，然而对这个的规定并不清晰，一般会说“近似氧化态高的基团在上”，这导致很多问题，所以现在基本只有糖和蛋白会用费舍尔式。

  （Gilbert Newton Lewis，1875—1946），美国物理化学家。上面的理论还有一个核心问题没解决，既然“电化学二元论”是错误的，那么原子是如何组织起来的呢？路易斯提出了著名的“八隅律”。

  这个理论对有机化学帮助极大，到现在路易斯结构式也是被广泛接受和应用的，不过路易斯这种“静态”的原子模型，物理学家必然不会接受。他把原子化成立方体，库帕提出的“键”就是“共用电子对”。八隅律和形式电荷的问题至今还是基础化学教科书必谈的问题，很多人尝试直接从量子力学、分子轨道理论教学，但都不算成功。

  （Norman Haworth，1883—1950），因为对碳水化合物和维生素C的研究成果而荣获1937年诺贝尔化学奖。他也是从糖的结构出发，提出了Haworth结构式。他是霍夫曼学生铂金的儿子小铂金的学生，因此也被认为是李比希派传人。

  （Linus Carl Pauling，1901—1994），鲍林提出的杂化论、共振论和电负性对有机结构式的贡献也是非常大的。鲍林在欧洲认真学习过量子力学，理论基础也是极其雄厚的，不过为了推广自己的理论，他对自己的理论体系等做了一定简化。导致很多人对他的杂化理论有一种“凑出来”的感觉，总喜欢拿分子轨道理论说事。分子轨道理论算有机分子限于计算技术，一度发展很慢，鲍林的简化总的来时推进了有机化学的发展。

  (Melvin Spencer Newman，1908—1993），美国化学家，他1952年命名了Newman投影式，这个也和计算化学物理化学的发展有关，有机化学要关心键的转动和构象的问题了。如此，学习有机化学、生物化学时的一个难点，透视式、费舍尔式和纽曼式之间的相互转化的问题，就这么出现了。

  能发现20世纪初，费舍尔等人就已经转向了生物体系，复杂结构，不明白他们当时是不是已经梦到过蛋白、超分子等后有机时代的结构了呢？