1829年9月7日,德国卓越的化学家奥古斯特·凯库勒(1829-1896)在达姆施塔特诞生了。凯库勒原来的理想是成为一名优秀的建筑师,曾入吉森大学学习建筑。然而,在吉森大学读书期间,一次偶然的开庭审判,改变了凯库勒的人生道路,使他成为一名闻名于世的化学家。
1847年,18岁的凯库勒从出生地达姆施塔特市考入了吉森大学。
在吉森大学,凯库勒第一次听到尤斯图斯·李比希的名字,大学生们对李比希教授无比尊敬、钦佩。同学们多次劝凯库勒去听李比希教授的化学课,他都没有去,因为他对化学毫无兴趣。此时,他正期待修建比哥特式和巴洛克式风格还要别致的新型建筑。
这时,轰动一时的赫尔利茨伯爵夫人案件发生了。
案件是这样的:赫尔利茨伯爵夫人有一只名贵的宝石戒指,戒指上镶嵌着两条缠绕在一起的蛇,一条是赤金的,一条是白金的,异常精美。伯爵夫人的仆人偷去戒指,伯爵夫人告到法庭,仆人坚持说这枚戒指原是他的,而且早在1805年就归他所有了。
法庭无法决断,于是请著名化学家李比希帮助断案。李比希测定了戒指的金属成分后,当庭用平和、坚定的语气说:“白金就是金属铂,1819年起才用于首饰业,罪犯硬说1805年就拥有这枚戒指,显然是谎话。”
确凿的实验结论,迫使罪犯供认了盗窃戒指的事实。戒指案轰动一时,人们无不佩服李比希教授的渊博学识。
凯库勒出于好奇,也旁听了法庭的审判。耳听为虚,眼见为实,凯库勒终于忍不住去听了李比希教授的课。课堂上,李比希在教学过程中贯穿着巧妙的幽默,其中不仅包括丰富的化学知识,而且还介绍了与化学有关的多种学科的知识,如生物学、农学、哲学等方面的知识,从而引起了凯库勒的极大兴趣。
他为李比希精深的化学知识所折服。这位世界闻名的教授,给他留下了难以忘怀的印象,化学如同磁石一般愈来愈强烈地吸引着他。听过一堂化学课之后,凯库勒就决定经常去听李比希的课程。从此对化学的兴趣一发不可收拾。不久,凯库勒说服了亲友们,打定主意抛开建筑学,转而研究化学。经过10年的刻苦努力,终于成为有机化学现代结构理论的奠基人。
人们可能会惋惜建筑界失去了一位优秀的设计师,但是抛开建筑学的凯库勒,要为有机化学结构理论建筑一座精美的大厦!
1849年秋天,经过艰辛的努力,凯库勒终于以优异的成绩,跨进了李比希的化学实验室。在吉森大学,这是一种莫大的荣誉。
凯库勒投身化学的时期,正是有机化学成为化学研究主流的时期。但在1850-1858年期间,有机化学处在比较混乱的状态。当时,化学家们发现了有机化合物大量存在的事实,也合成出许多有机化合物。丰富的有机化学知识,为人类打开了新世界的大门。但是,当时有机化学家们基本上是在盲目探索中前进,不像无机化学那样有道尔顿原子论的理论为指导。
虽然某些化学家已提出一些概念,列出了一些结构式,但多属不真实的假设。多数化学家不能理解为什么有机化合物中竟能集合那么多碳原子。没有或缺乏理论指导的实践,必然是盲目、混乱的,凯库勒看到的有机化学研究正是这样的情形。为了描述醋酸的结构,人们使用了19种表达方式,各种观点矛盾对立,奇谈怪论到处流传,有机化学界一片混乱。
经过10年刻苦钻研的凯库勒,已经在化学各个领域中颇有建树,成为一位优秀的化学家了。
1859年春,凯库勒担任了根特大学的化学教师。他在根特化学实验室集中研究了有机化合物的主干——碳链问题。人们知道,自然界中的碳原子,不像其他无机元素那样单个的组成物质分子,而是在碳原子之间形成手拉手似的碳链。短的链有几个碳原子,长的链有成百上千个碳原子。通过醋酸的氯化研究,凯库勒认识到,碳链的化学反应中是不变的,牢固稳定的。他用醋酸、琥珀酸、富马酸及顺丁烯二酸等有机化合物,进行了一系列实验研究。
凯库勒不仅表述了碳链的见解,而且还提出了有机化合物的结构理论。他以碳四价为核心,建立起碳链结构理论。后来,经过俄国著名化学家布特列洛夫的发展与完善,成为经典的有机化合物的结构理论。
在根特大学向学生进行系统化学教学时,凯库勒感到应该编写一本有机化学的新教科书。在搜集资料过程中,凯库勒深深地感到了化学界理论上的混乱。为了提高化学家的理论统一性,他于1859年秋来到卡尔斯鲁厄。
凯库勒和卡尔斯鲁厄高等工业学校的化学教授卡尔·魏尔青一起讨论关于召开世界化学家会议的想法。和凯库勒一样深有同感的不仅有魏尔青教授,45名欧洲各国著名化学家也曾经联合呼吁,召开一次国际化学家大会,解决化学家们在化学价、元素符号、原子和分子概念等方面的问题。凯库勒的想法得到了世界化学界的响应。
经过凯库勒、魏尔青、武兹和霍夫曼等化学家耐心细致的组织,第一届世界化学家大会于1860年9月3日在德国卡尔斯鲁厄城召开。来自十几个国家的150位化学家汇集卡城,讨论化学理论发展中迫切需要解决的问题,这在世界科学发展史上还是首次。
卡尔斯鲁厄会议几乎解决了所有无机化学中存在着的混乱问题,但是对于凯库勒魂牵梦绕的有机化学结构问题作用却不大。化学家会议虽然很成功,但是凯库勒却不满意,因为会议的中心人物竟然不是会议发起人凯库勒,而是意大利化学家康尼查罗。
康尼查罗复活了他的同胞阿伏加德罗的分子假说,使无机化学达到了系统化、明晰化的程度,赢得了化学界的好评。凯库勒提出的问题,却被化学家们淡忘了。凯库勒的科学探索太超前于时代了。当绝大多数化学家为无机化学所困扰时,凯库勒却着手解决比无机化学更为复杂的有机化学问题,所以未能引起众人的兴趣。
无机化学因卡尔斯鲁厄会议收获累累,但凯库勒的问题仍然没有解决。不久苯的结构问题又一次叫凯库勒为难了。
苯是一种重要的有机化合物,自从法拉第从煤焦油中分离出来以后,一直没有人予以深入研究。后来,化学家们研究苯的化学性质,又使有机化学结构理论处在风雨飘摇之中,实验和理论矛盾引起了凯库勒的思索。
所有其他简单有机物的化学实验都显示,碳在有机化学反应中呈链状结构,这一点本来已经是确定无疑的,可是突然之间冒出来一个“怪”苯。它的实验显示链状结构理论是“错误”的,那么,错误在哪里?
凯库勒精心研究了苯,苯的6个碳原子应该形成一条链呀!但是化学反应实验却不是以人们的意志为转移的。苯的6个碳原子和6个氢原子是如何排列的呢?面对苯实验的挑战,有的化学家退却了,宣布应该放弃以前的碳链学说。凯库勒却坚持认为碳链理论是建立在以往实验的基础上,不能轻易抛弃,要在更深的一个层次上理解它。
凯库勒提出几十种苯结构的碳原子排列法,但是经过仔细推敲之后,他又都放弃了。碳链理论正确,凯库勒坚信这一点,但是,它无法解释苯的化学性质等问题。
一天,他搁下一叠厚厚的手稿,把安乐椅移近壁炉,火光像春天的暖流一样抚遍了凯库勒的全身,使他感到了惬意和舒适。是啊,凯库勒太疲倦了,这位科学家朦胧地入睡了。梦境中的凯库勒还在工作着,他看到6个碳原子像蛇一样连成了一条链子,弯弯曲曲地蠕动,忽而又跳起奇形怪状的蛇舞来了。一会儿,他又看到李比希在赫尔利茨伯爵夫人案件中那只蛇形戒指,是的,在他的手掌上就放着那只蛇缠绕的宝石戒指……凯库勒颤动了一下,猛然醒了过来,多么荒诞无稽的梦呀!疯狂的蛇舞,环形的白金戒指。
蛇,环形戒指。有了,灵感的火花一下子冲开了凯库勒的思维阻塞,平日冥思苦想的各种思路,一下子连接起来了。
碳链理论根本没有错误。苯不过是一个首尾相接的环形链子。苯的分子是个环状的碳链构成的分子,仍然是链状的!凯库勒从此把研究重心转向环状碳链的角度上去了。
当激流奔腾而来冲出狭谷的阻碍后,就会一泻千里。凯库勒就像大河之水一样,迅速地冲开了苯的结构问题。1865年1月,载有凯库勒《论芳香族化合物——苯的结构》的论文在《法国科学院通报》刊出了。科学史上又创立了一个崭新的有机化合物结构理论——环状碳链理论。
凯库勒关于苯环的理论,不仅解决了有机化学结构理论的问题,使人类进入了复杂有机化合物的研究领域,并且启迪了一代化学家。他们在研究生物大分子过程中,也采取凯库勒的环状结构思维方式,进一步将它发展成为平面网状、立体网状等多种有机物质结构理论,为人类探索生命运动,研究蛋白质、核酸等大分子结构,奠定了牢固的基础。
凯库勒之后,有机化学结构理论得到了迅速发展,成为化学研究的主导方向。如果说,19世纪是无机化学的世纪,是小分子的世纪,那么20世纪则是有机化学的世纪,是大分子、高分子的世纪。而凯库勒正是拉开有机化学理论序幕的人。1858年他指出碳的四价构成,碳原子能相互连接形成长链的特性,1865年创立了环状碳链理论。他首先揭开了有机化合物的结构之谜,为有机化学结构理论的建立奠定了基础,从而开始了绚丽壮观的科学探索之路。他在有机化学领域的功绩,为人类探索生命运动奠定了坚实的基础。