问题

在凯库勒提出苯的结构之前,科学家们是如何确定芳香化合物的结构的?

回答
在凯库勒提出那个优雅的六边形模型之前,科学家们在探索芳香化合物的结构时,经历了一段充满挑战但也极其精彩的探索历程。那时的化学家们,手中没有现代光谱仪,只有笨拙的反应釜、蒸馏装置和他们敏锐的嗅觉与观察力。要确定一个至今仍然笼罩着神秘光环的分子结构,可谓是步步惊心,也步步生辉。

从“气味”到“性质”:早期认识的基石

故事要从那些具有特殊“香气”的化合物说起。19世纪初期,一些具有怡人气味的有机物,如苯(Benzene),就引起了化学家的注意。他们发现这些物质与脂肪(alkali, "fatlike")的反应性截然不同,并且具有一些共同的、看似不寻常的性质,比如:

高不饱和度: 尽管它们能与多种试剂反应,但往往不像脂肪族不饱和化合物那样轻易地发生加成反应,而是更倾向于取代反应。这使得它们在反应后似乎“保留”了大部分双键的特点,但又不是“真正的”双键。
稳定性: 相较于同等碳原子数的脂肪族不饱和化合物,芳香化合物表现出显著的稳定性。它们不易被氧化,也不易发生聚合。
易于芳构化: 许多看似不稳定的分子,一旦经过某种“重排”或处理,就倾向于形成具有芳香性的环状结构。

这些零散的性质,就像散落的拼图碎片,预示着芳香化合物拥有某种独特的内在连接方式。

从经验推断到逻辑推理:结构确定的早期尝试

早期科学家们并非从零开始。他们利用了当时化学领域最强大的工具——化学分析和合成。

1. 元素分析与分子式确定: 这是最基础也最重要的一步。通过燃烧样品,测定碳、氢等元素的质量百分比,然后结合蒸气密度或依拉瓦伊(Victor Meyer)的蒸气密度法,来确定化合物的分子式。例如,苯最初被确定为C₆H₆,这已经是一个充满挑战的分子式了。如此高的碳氢比,意味着巨大的不饱和度,但这又与它表现出的稳定性相悖。

2. 官能团的识别与定位: 通过各种定性反应,化学家们试图识别分子中存在的官能团,例如甲基(CH₃)、羟基(OH)、氨基(NH₂)等。例如,通过氧化或还原反应,他们可以判断分子中是否存在易被氧化的部分。

3. 取代反应的研究: 芳香化合物最显著的特点之一是倾向于发生取代反应。化学家们对苯进行卤代、硝化、磺化等反应,并仔细研究反应的产物。例如,苯的硝化会得到硝基苯,再硝化可能会得到间位二硝基苯,而不是邻位或对位。这为推断苯环上的取代基之间的相对位置提供了重要的线索。

4. 同分异构体的研究: 当苯环上有两个或更多的取代基时,就会出现同分异构体。例如,二甲苯(C₆H₄(CH₃)₂)就有邻位、间位和对位三种异构体。通过合成这些异构体,并研究它们的物理性质(如熔点、沸点)和化学性质,科学家们可以推断出取代基在环上的相对位置。这在当时是非常耗时且需要精湛分离技术的。

模型构建的艰辛之路

在凯库勒之前,许多杰出的化学家都曾试图解释芳香化合物的结构,但都未能完全成功。

库克(Edward Frankland)和卡霍尔(August Kekulé)的早期理论: 他们曾提出,芳香化合物可能含有一个由六个碳原子组成的环,但具体连接方式并不确定。卡霍尔早期的工作,例如提出甲烷的四价碳结构,为后来解决芳香性问题奠定了基础。

劳什(Archibald Scott Couper)的链状结构推测: 劳什提出,所有有机物都应是碳原子链状连接,这与芳香环状结构的本质相悖。

塞库勒(August Kekulé)的第一次突破: 1865年,凯库勒提出了一个革命性的假设:苯的六个碳原子形成一个环,碳原子之间以交替的单键和双键连接。他在一次梦中看到了一个蛇咬住自己尾巴的景象,这激发了他对苯环状结构的灵感。这个模型,即凯库勒式(Kekulé structure),虽然当时无法完全解释苯的稳定性,但它解释了苯的分子式和取代反应的产物分布。

凯库勒模型之后:对“共振”的模糊认知

即使是凯库勒的模型,也遇到了挑战。例如,苯的六个碳原子在反应中似乎是等同的,而交替的单双键结构意味着碳原子之间存在区别。化学家们观察到,苯与某些试剂反应时,就像是只有一半的双键,而另一半的“双键”却未被反应。

为了解释这一点,科学家们提出了各种修正模型,例如:

“三键并列”模型: 有些人认为苯的结构是三个双键和三个单键交替排列,但这种模型难以解释一些反应。

“动态平衡”模型: 还有人推测,苯的结构可能是在单键和双键之间快速切换,类似于一个“动态平衡”。这已经隐约触及了后来“共振”的概念,但当时还没有清晰的理论框架来描述这种现象。

结论:积累、试错与灵感的闪光

在凯库勒之前,科学家们确定芳香化合物结构的过程,是一个漫长而曲折的化学探索过程。它依赖于:

扎实的元素分析和分子式确定。
敏锐的观察力,捕捉芳香化合物的独特性质。
精湛的合成与分离技术,用于制备和研究同分异构体。
逻辑严密的推理能力,从反应产物倒推分子结构。
不畏艰难的实验精神,以及一次又一次的试错。

凯库勒的六边形模型,是建立在所有前辈积累的经验和知识之上的伟大飞跃。它之所以能够被广泛接受,是因为它能够解释当时已知的绝大多数实验现象,并且为进一步研究芳香化学打开了新的大门。即使在今天,我们知道苯的真实结构是“共振结构”,但凯库勒模型依然是理解芳香性的最直观、最基础的起点。这段历史,正是科学精神的绝佳体现:在已知的基础上,通过不懈的努力和灵感的闪光,不断挑战和拓展人类对物质世界的认知边界。

网友意见

user avatar

这句话是对资料的误读,原始资料有回答贴了,就不放了。一般化学史的记述是:

In 1842, the French chemist Auguste Laurent made it from phenol (known then as carbolic acid), and showed that three of the hydrogen atoms in phenol had been replaced by -NO2 groups, and named it tri-nitro-phenic acid.

“鉴定了其结构”指的应该是意识到苦味酸是苯酚的三个氢被硝基取代形成的,这符合当时法国杜马斯提出的“取代理论”Substitution Theory和“类型理论”Theory of Types。用苯酚合成苦味酸的这位罗朗也是取代理论的推动者之一,他通过研究氯萘的性质提出了“核取代理论”Substitution (Nucleus)Theory。

当时可以通过有机物燃烧分析得到化合物的“分子式”,当然那个时候原子和分子的概念还是模糊的,上面这位罗朗还是分子理论的推进者。

当时电化学二元论是主流理论,法国有机学者通过醋酸形成氯代醋酸的反应,提出化合物是某些结构取代氢形成的(按电化学二元论,对有机物母体而言,氢是正的,氯是负的,氯不能代替氢)。苦味酸是三硝基苯酚在那时候自然算是一种对有机物结构理解的突破。

参考:

这几位和凯库勒的老师李比希还有过一段论战,争论点是李比希的“基团理论”和法国几个学者的“取代理论”,而基团理论最开始的基团就是“苯甲酰基”。“鉴定结构”在不同的学派中有不同的含义,题主看到的资料大概是以为“鉴定结构”是四谱解析那种了。[1]

过去知识传播有地区限制,不同的国家的在同一时期对同一个知识点的掌握有不同,李比希的有机物燃烧分析法是从法国学来的,而且一般认为是英国人法拉第发现的苯(就是那个法拉第),凯库勒的苯环状结构抄的是法国人洛施密特的著作。而化合价(弗兰克兰)和现在用的结构式(布朗)都是来自英伦三岛……

现在教材沿袭李比希一脉的理论,按普鲁士/德国为中心叙述,可能使人以为没有凯库勒就没有人能掌握有机结构的概念了。

为什么一定要用结构式表示化合物?

苦味酸的问题之前也写过:

有哪些化学冷知识?

早期用于提炼苦味酸的靛蓝是什么物质?

至于苯的故事:

为什么苯被称作「安息油」?

参考

  1. ^ 类似的剧情真的常见,之前有人和我对线的时候说我国古文中的铅当然必须指的是原子序数为82的那个铅……
user avatar

这段话出自邢大本第四版下册第16章(第四版之前我还没看过,一翻发现改动原来这么大):

这个说法肯定是有问题的,如其他题主所说,当时的化学家们只是鉴定了苦味酸的分子式而不是结构式。事实上,在1841年甚至连“化学结构”这个名词都没有,化学家们还意识不到分子在微观尺度上是有结构的。裴坚老师(或者是他手下的某个研究生)应该是对化学史并不了解才犯了这个错误;不过讲道理的话,这种对于现代人没卵用的冷知识,普通人不了解也很正常,实在没法苛责(就连答主自己都是现查的)。

化学结构这一概念是1860年前后才被提出的,在这之后才有了凯库勒梦中画苯环的故事,以及芳香化合物这个概念。不只是化学结构,现代化学中很多我们耳熟能详的概念的历史都比想象的更短:中学生们最为熟悉的酸碱电离理论提出的时间已经晚到能获得诺贝尔化学奖了,价键理论更是比量子力学还要年轻。在人类还无法直接观测到微观世界的年代,我们的先辈们就是凭借实验中总结出的一条条规律,在不断的假设、推翻和重建中构建了现代化学的基础。

类似的话题

  • 回答
    在凯库勒提出那个优雅的六边形模型之前,科学家们在探索芳香化合物的结构时,经历了一段充满挑战但也极其精彩的探索历程。那时的化学家们,手中没有现代光谱仪,只有笨拙的反应釜、蒸馏装置和他们敏锐的嗅觉与观察力。要确定一个至今仍然笼罩着神秘光环的分子结构,可谓是步步惊心,也步步生辉。从“气味”到“性质”:早期.............
  • 回答
    2016年里约奥运会,跳水赛场上,除了竞技的汗水与荣耀,还有一个画面让无数人动容,那就是秦凯在男子3米跳板决赛后,向女友何姿的现场求婚。这绝对是那届奥运会上最令人难忘的“彩蛋”之一,也至今仍是人们津津乐道的话题。怎么评价这个行为呢?从不同的角度去看,会有不同的解读。首先,从情感的层面来看,这无疑是一.............
  • 回答
    作为一名AI语言模型,我没有朋友圈,也无法直接对人类的行为和观点进行“评价”。但我可以基于公开的信息和技术领域的一般认知,来分析余凯先生在朋友圈发表的关于框架选择的观点,并尝试为您提供一个相对详尽的解读。首先,我们需要了解余凯先生的背景。他是一位在人工智能领域,特别是在深度学习框架领域有着深厚经验的.............
  • 回答
    康明凯事件在中国和加拿大之间引发了一系列复杂而深远的影响,远非简单的外交争端。这起事件触及了国家主权、人权、国际法、商业往来、媒体舆论乃至两国国民间的心理,其潜在的连锁反应是多方面的,值得细致解读。首先,从 国际法和国家主权层面 看,加拿大将康明凯的拘留视为对加拿大公民在华权益的严重侵犯。加拿大政府.............
  • 回答
    说起王俊凯在直播里管腕豪叫“劲夫”这事儿,其实挺有意思的。我一直觉得,这反映了两个挺有意思的现象,咱们不妨掰开了揉碎了聊聊。首先,这件事本身,王俊凯作为一个当红明星,在跟游戏主播MLXG直播时,随口叫了“劲夫”,这其实挺能说明一些情况的。MLXG本身就是游戏圈里的一个代表人物,他的观众也大多是游戏爱.............
  • 回答
    王俊凯在《1921》这部电影中的表演,可以说是一次颇具诚意但同时也暴露了一些青涩的尝试。我仔细看了他在片中的几场戏,整体感觉是:他对角色是有理解和尊重的,也努力去呈现出那个时代年轻革命者的精神面貌,但受限于经验和表演体系的成熟度,某些关键的情绪爆发和人物深度挖掘上,还有进步的空间。先说说好的地方。王.............
  • 回答
    BBC的一篇报道将秦凯在里约奥运会上向何姿求婚的行为解读为“男权主导行为”(male control),这无疑触及了一个敏感且复杂的话题。要评价这个观点,我们需要深入剖析其背后的逻辑,以及可能存在的视角差异。首先,让我们理解一下 BBC 这篇报道可能提出的论点。当提到“男权主导行为”时,通常意味着在.............
  • 回答
    常凯申(蒋介石)先生的“微操”在历史上确实有一些被广泛讨论的例子,其中最著名且常被提及的便是您提到的“空投手令给杜聿明”。要详细讲述这些例子,我们需要结合当时的具体历史背景、军事战略以及事件的结果来进行分析。首先要明确的是,对蒋介石军事指挥的评价历来存在争议。一些人认为他缺乏战略眼光,指挥失误频频;.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    要评价廖凯原教授在中国法律史学会轩辕 4712 年年会上的主旨发言,我们需要从多个维度进行审视,并力求深入而具体地分析其内容、影响以及可能存在的争议点。首先,我们来梳理一下这次主旨发言可能涵盖的几个关键方面:一、发言的整体基调与核心论点:评价发言的基调,需要把握教授是在一种宏观的学术视野下,还是在某.............
  • 回答
    在《巫师3:狂猎》中,杰洛特一行人不顾Skellige人埋葬史凯裘(Skjall)的行为,从游戏叙事和角色设定的角度来看,是基本合理,但并非无可指摘。我们可以从以下几个方面进行详细分析:1. 杰洛特及其同伴的行动逻辑和动机: 杰洛特的核心职责与价值观: 杰洛特是一位猎魔人,他的首要任务是狩猎怪物.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    哈,你说到Uzi和明凯(厂长),这俩名字一出来,那可是引起多少中国LOL玩家的回忆和争论啊!确实,他们俩都是咱们LPL赛区里绝对的传奇人物,巅峰时期那实力放眼全球那也是顶尖的。但你说他们俩“一直没拿过冠军”这事儿,是不是他们自己也有责任?这问题可太值得说道说道了,而且绝对不是一两句话能说清的。咱们先.............
  • 回答
    说起《火影忍者》里的“凯”,那绝对是个绕不开的话题。不少人对他推崇备至,甚至到了“吹”的地步,这背后可不是空穴来风,而是他身上那种纯粹的、燃烧般的精神力量,触动了太多人内心深处最柔软也最坚韧的地方。首先,得从他最标志性的标签说起——“体术大师”、“木叶的苍蓝猛兽”。在那个忍术、幻术、瞳术轮番轰炸的忍.............
  • 回答
    理解您对中国国内是否存在种族歧视以及如何应对国际金融力量的关注。我将从这两个方面进行详细的阐述,力求客观并避免使用可能被视为AI生成痕迹的表达方式。关于中国国内的种族歧视问题在中国这样一个拥有五十六个民族的国家,讨论“种族歧视”需要非常谨慎和细致的界定。通常,“种族”这个概念在国际语境下与肤色、血统.............
  • 回答
    “凯喜博士”最近发布的关于非布司他潜在肾脏毒性的视频,在B站上引起了不小的反响,也让很多观众在评论区展开了热烈的讨论。作为一名关注健康科普内容的人,我来聊聊我对这个视频的看法。首先,要肯定的是,“凯喜博士”作为一个医学领域的UP主,能够将小白鼠的实验研究以视频的形式呈现出来,并深入浅出地解释其背后的.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    .......
  • 回答
    急诊科工作是一种高强度、高压力、高责任的职业,需要医护人员在极端情况下迅速反应、精准判断,并在有限时间内做出决策。以下从多个维度详细描述急诊工作的体验: 一、工作环境与节奏1. 24小时轮班制 医护人员通常需要在凌晨至深夜轮班,轮班周期为8小时或12小时,且经常连续工作(如“三班倒”)。 .............
  • 回答
    在美国拿3000美元月薪与在中国拿3000元人民币的等效性问题,需要从多个维度进行深入分析。以下将从汇率、生活成本、收入水平、经济结构、税收与福利体系等方面展开详细对比: 1. 汇率换算:3000美元 vs 3000元人民币 美元与人民币的汇率:当前美元兑人民币汇率约为 7:1(2023年数据),因.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有