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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 分子·有机物·化学结构
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日12:58:55 星期六), 站内信件



　　　　　　              有机物

          
          
    分子（源自拉丁语，意为“小的质量”）一词最初是指物质的基
本的、不可分割的单位；从某种意义上说，分子的确是一种基本微粒，
因为如不丧失其特性就不能将其再分割。诚然，糖或水的分子可以分
成单个的原子或原子团，但这样一来它们就不再是糖和水了。即使是
二个氢分子，一旦分解为2个氢原子，也会丧失其特有的化学性质。

    正如原子使20世纪的物理学获得了许多令人振奋的发现一样分子
也使化学获得了许多振奋人心的发现。现在，化学家们已经能够描绘
出甚至是极其复杂的分子的详细结构图，能够辨别特定分子在活的机
体中的作用，能够创造出复杂的新分子，并且能够以令人惊异的精确
度预测某种已知结构的分子的性状。

    到了20世纪中期，人们业已运用现代化学和物理学所能提供的各
种技术，对构成活组织的关键成分——蛋白质和核酸——的复杂分子
进行研究。生物化学（研究在活组织中进行的化学反应的学科）和生
物物理学（研究与生命过程有关的物理力和物理现象的学科）这两门
科学融为一体，形成了一门崭新的学科——分子生物学。由于分子生
物学方面的种种研究成果，仅仅经过一代人的努力，现代科学就几乎
消除了生命与非生命的界限。

    然而，在将近一个半世纪以前，人们却连甚至最简单的分子的结
构都搞不清楚。19世纪早期的化学家们所能做到的，就是把所有的物
质划分为两大类。他们早就知道（甚至在炼金术士的时代就已经知
道），物质可根据其受热时的反应而分为明显不同的两大类。其中一
类，如盐、铅和水，受热后基本保持原样。一经加热，盐会变得灼热，
铅会熔化，水会蒸发，但是，当它们冷却到原来的温度时，它们就又
恢复到原来的样子。显然，这番经历并没有使它们产生丝毫变化。但
是，另一类物质，如糖和橄榄油，一经加热就会发生永久性变化。经
加热，糖会变得焦黑，冷却之后依然是焦黑；橄榄油则被蒸发，烟雾
虽经冷却也不会凝结成液体。后来，化学家们终于认识到，抗热物质
一般来自由空气、海洋和土壤构成的无生物界，而可燃物质通常来自
生物界，即或直接来自活物质，或来自生物遗体。1807年，瑞典化学
家贝采利乌斯——他发明了化学符号并着手编制第一个名副其实的原
子重量图表（见第六章）——将可燃物质称为有机物（因为它们直接
或间接地来自活的机体），而将其余的所有物质称为无机物。

    早期的化学主要是研究无机物。正是对无机气体性状的研究，才
导致了原子论的发展。原子论一经建立，人们很快就弄清楚了无机分
子的性质。分析结果表明，无机分子一般是由为数不多的不同原子按
一定的比例组成的。例如，水分子含有2个氢原子和1个氧原子；盐分
子含有1个钠原子和1个氯原子；硫酸含有2个氢原子、1个硫原子和4
个氧原子，等等。

    当化学家们开始分析有机物时，情况就似乎大不相同了。两种物
质可以具有完全相同的成分，但却显示出截然不同的性质。（例如，
乙醇是由二个碳原子、1个氧原子和6个氢原子所组成，二甲醚也是如
此，但前者在室温条件下是液体，后者却是气体。）有机分子比简单
的无机分子含有更多的原子，而且这些原子的结合方式似乎也令人莫
名其妙。简单的化学定律能够非常圆满地解释无机物，但对有机化合
物却简直是无能为力。

    因此，贝采利乌斯断言，生命化学属于另外一种学科，它遵循自
己的一套神秘莫测的规律。他认为，只有活组织才能制造有机化合物。
他的这种观点就是生机论的范例。

    后来，在1828年，贝采利乌斯的学生、德国化学家维勒竟然在实
验室里制造出了一种有机物质！当时他正在加热一种叫做氰酸铵的化
合物，而当时普遍认为这种物质是无机物。维勒十分惊奇地发现，这
种物质在加热过程中变成一种在性质上与尿素（尿的一种成分）完全
相同的白色物质。按照贝采利乌斯的观点，只有活组织才能形成尿素，
然而维勒却由无机物将它制造了出来，而且仅仅是加了一下热。

    维勒将这个试验重复做了许多次，最后才敢公布他的发现。贝采
利乌斯和其他一些人起初根本不相信这是事实。然而，另外一些化学
家却证实了这一结果。不仅如此，他们还陆续由无机原料合成了许多
其他的有机化合物。第一位将元素合成有机化合物的是德国化学家科
尔贝，他于1845年按这种方式制造出了醋酸（使醋产生味道的物质）。
正是这项成就才真正地摧毁了贝采利乌斯的生机论。事情变得越来越
清楚，适用于无机分子的化学定律，也同样适用于类似的有机分子。
最后，人们对有机物和无机物之间的区别下了一个定义：凡是含有碳
的物质（个别简单的化合物如二氧化碳例外）统称为有机物；其余的
则称为无机物。


                     化学结构


    要研究这门复杂的新化学，化学家们需要有一套表示化合物的简
洁符号。幸运的是，贝采利乌斯已经提出了一个简便而合理的符号系
统，即各元素都用它的拉丁文名称的缩写来表示。这样，C就代表碳，
O就代表氧，H就代表氢，N就代表氮，S就代表硫，P就代表磷，等等。
如果两种元素的名称的第一个字母相同，则再用第二个字母，以资区
别，例如Ca代表钙,Cl代表氯,Cd代表镉，Co代表钴，Cr代表铬，等等。
仅在少数情况下，拉丁文或拉丁化名称（和首字母）不同于英文，例
如：铁用Fe表示，银用Ag表示，金用Au表示，钢用Cu表示，锡用Sn表
示，汞用Hg表示，锑用Sb表示，钠用Na表示，钾用K表示。

    有了这个符号系统，很容易表示出某种分子的组成。水写作H2O
（由此表明该分子由2个氢原子和1个氧原子组成）；盐写作NaCl；硫
酸写作H2SO4，等等。这就是化合物的经验式，它能告诉我们该化合
物是由什么物质组成的，但却没有说出它的结构，即没有说明分子中
的各个原子是以何种方式结合的。

    1831年，维勒的一位合作者李比希进一步研究出一系列有机化学
制品的成分，从而将化学分析应用到了有机化学领域。他小心地燃烧
少量的有机物，并用适当的化学制品来捕获燃烧时生成的气体（主要
是CO2和水蒸气H2O）。然后，他称出用于捕获该燃烧产物的化学制
品的重量，看它在捕获了燃烧产物之后增加了多少重量。根据这一重
量，他就能测定出原有机物的碳、氢和氧的重量。这样，根据各元素
的原子量，就很容易计算出原有机物分子中各种原子的数目。例如，
他用这种方法确定乙醇的分子式为C2H6O 。

    李比希的这种方法无法测量出有机化合物中氮的含量。1833年，
法国化学家杜马发明的一种燃烧方法却能收集由物质释放出来的气态
氮。1841年，他用这种方法以空前的精度对大气的成分进行了分析。

    有机分析方法变得日益精密，后来，奥地利化学家普列格尔发明
的微量分析方法更是精益求精，可算是真正的奇迹。普列格尔于1909年
开始研制一项能够精确分析肉眼勉强能看见的微量有机化合物的技术，
并因此而获得了1923年的诺贝尔化学奖。

    令人遗憾的是，仅仅确定有机化合物的分子式对于阐明它们的化
学性质并没有多大帮助。同一般仅由两三个、至多也不过十几个原子
构成的无机化合物相反，有机分子的原子数目却往往大得惊人。李比
希发现，吗啡的分子式是C17H19O3N，马钱子碱是C21H22O2N2。

    要研究如此大的分子，或者搞清楚它们的分子式，化学家们无不
感到一筹莫展。维勒和李比希试图将原子归并成较小的集合即原子团，
并试图创立一种理论，以证明不同的化合物是由数目不等、组合方式
不同的特定原子团组成的。他们的有些方案是极为巧妙的，但没有一
种方案能真正说明问题。尤其难以解释清楚的是，为什么分子式相同
的两种化合物，如乙醇和二甲醚，竟会具有不同的性质。

    19世纪20年代，李比希和维勒率先使这一问题的解决展现出一道
曙光。当时，李比希正在研究一组叫做雷酸盐的化合物，维勒则正在
研究一组叫做异氰酸盐的化合物，结果他们发现，这两组化合物具有
完全相同的分子式，也就是说，它们的元素的数目是相同的。当时的
化学界权威贝采利乌斯得知这一消息后。竟不相信这一发现。直到
1830年他本人也发现了一些这样的实例，才不再怀疑。贝采利乌斯把
这些元素组成相同但性质各异的化合物命名为同分异构体。在那个年
代，有机分子的结构的确是一个难解之谜。

    19世纪50年代，陷入有机化学这个迷宫中的化学家们开始看到一
线光明。他们发现，每种原子都只能同一定数目的其他原子相结合。
例如，氢原子显然只能与一个原子结合：它可以形成氯化氢HCl，但
永远形不成HCl2。同样，氯和钠各自都只能有一个伙伴，因而它们形
成的是NaCl。可是，一个氧原子却能够同两个原子作伴，如 H2O。
氮能够同3个原子结合在一起，如 NH3（氨）。碳能够同多达4个原子
结合，如CCl4（四氯化碳）。

    总之，每种原子好像都有一定数目的钩子来钩住其他原子。1852
年，英国化学家弗兰克兰首次清楚地阐述了这一理论，他将这些钩子
称为价键（为一拉丁词，意思为“力”），用于表示各种元素的结合
能力。

    德国化学家凯库勒发现，如果假定碳的价键是4，并假定碳原子
能够利用这些价键（至少是部分价键）彼此相连成链，那么就可以走
出有机化学这个迷宫，绘制出分子的结构图。苏格兰化学家库珀提议
将原子间的这种结合力（通常称之为键）画成短线的形状，从而使凯
库勒的描述方法变得更加直观。这样有机分子就可以建立起犹如“结
构玩具”①所组成的许许多多的结构。

    1861年，凯库勒编著的一本教科书问世，其中就有许多这样的图
例，证明既方便又实用。从此，结构式就成了有机化学家的印记。

    例如，甲烷（CH4）、氨（NH3）和水（H2O）的结构式可分别写做：

                  

    有机分子可以用两侧各连接若干个氢原子的碳链来表示。例如，
丁烷（C4H10）具有如下结构：

                  

    以甲醇（CH4O）和甲胺（CH5N）为例，氧和氮可以以如下方式进
入碳链中：

                  

    有些原子不止拥有1个钩子，如碳原子有4个钩子，每一个钩子不
一定都要与1个不同的原子相连；它还可以同相邻的原子形成双键或
三键，例如，在乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2）中：

         H—C≡C—H （乙炔）

    现在很容易明白，为什么两种分子所含的各种元素的原子数目可
以完全相同，而二者的性质却不相同。这两种同分异构体必定具有不
同的原子排列方式。

    例如，乙醇和二甲醚的结构式可分别写做：

             

    分子中的原子越多，可能的排列方式就越多，同分异构体也就越
多，例如，庚烷分子是由7个碳原子和16个氢原子组成的，它可以有9
种不同的排列方式，换句话说，可能有9种不同的、各具特性的庚烷。
这9种同分异构体彼此十分相像，但仅仅是种族上的相像而已。化学
家们已制出所有这9种物质，但从未发现第10种。这是支持凯库勒系
统的一个很好的证据。

    一种含有 40个碳原子和 82个氢原子的化合物约有 62.5 X1012 
种可能的排列方式或同样数目的同分异构体。而这样大的有机分子并
不罕见。

    只有碳原子能够互相连接形成很长的链，其他原子若能形成含有
五六个原子的链就算不错了。因此，无机分子一般都很简单，也很少
有同分异构体。有机分子的高度复杂性使之出现众多的同分异构现象，
目前已知的有机化合物已达数百万种，而且每天都有新的化合物形成，
还有不计其数的化合物有待人们去发现。

    现在，人们普遍应用结构式作为探索有机分子性质的必不可少的
向导。作为一种捷径，化学家们常常以构成分子的原子团或基，如甲
基（CH3）和亚甲基（CH2），来书写分子的结构式。因此，丁烷的结
构式可以简写成CH3CH2CH2CH3。

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①一套各种形状的零件，儿童可用螺栓等自由地组合成车辆、房子等结构。



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