同分異構現象的發現-有機化學的爹及其爺爺和叔叔們的工作

【寫在前面】“拘泥於一種見解，常使人完全堅信其正確，它掩蓋了缺陷，並使我們不能接受與它相反的證據”——貝採裡烏斯（1827年）

關於有機化學的爹是誰似乎有不同的說法，鑑於無法透過DNA對有機化學進行親子鑑定，只能從文獻中去尋根溯源了。透過查閱各種史料，基本可以確認有機化學的生父是德國化學家尤斯圖斯·馮· 李比希（1803-1873）男爵（看來有機化學誕生於名門望族），不過呢，鑑於有機化學瑞典化學家永斯·雅各布·貝採裡烏斯男爵（1779-1848）在1806年命名的，就把貝採裡烏斯姑且稱之為有機化學的爺爺吧，而又鑑於與李比希同時期或稍晚些一代卓越的化學家的工作奠定了早期有機化學的研究，算是在培養有機化學成長的過程中有功，比如維勒、巴斯德、範特霍夫等人，就把他們稱之為有機化學的叔叔們吧。

好的，有機化學的早期族譜確定了，回到我們標題中的另一個關鍵詞上來：同分異構現象。我們首先來看一個相關概念：同分異構體。同學們還記得同分異構體的定義嗎？在講化學概念教學的時候曾提問過學生們，學生們往往回答：具有相同的化學式而結構不同的有機物互稱同分異構體，這樣的回答是否正確？答案是否定的，從概念的外延上來看，同分異構體並非只存在於有機物中。但我們的確有一種錯覺，同分異構體就是有機化學中的概念，因為這個概念就是在學習有機化學的時候學習的，而一些網路平臺上也特意強調“在有機化學中”。

其實，如果讓我們回顧一下同分異構現象的發現史的話，我們就能認識到同分異構現象及同分異構體並非只存在於有機化學中。

讓我們回到19世紀20年代那個風雲激盪的法國，拿破崙一世兵敗滑鐵盧的陰影還沒散去，法蘭西帝國的輝煌已經褪去，天空中浮動著動盪的陰雲，然而在當時的科學界，法國、尤其是巴黎還是充滿著活力和誘惑力。1823年，一個20歲的普魯士某大公國的年輕人面臨著抉擇，到底是選擇瑞典的貝採裡烏斯還是法國的蓋·呂薩克，這個年輕人的名字叫李比希，最終他選擇了法國的蓋·呂薩克作為導師。李比希年輕有為，在20歲的年紀就在蓋呂薩克主編的期刊上發表了研究雷酸（HOCN）的論文。

（李比希）

一年之後，李比希的老鄉維勒在導師格麥林的指導下研究氰酸（HCNO），同樣將成果發表在了蓋呂薩克主編的刊物上。而從研究結果來看，雷酸和氰酸的成分相同但是化學性質截然不同。李比希看到維勒的論文之後大光其火，指責維勒的研究出錯了，而維勒重做實驗之後認為李比希的指責失據。

（維勒）

從李比希和維勒兩人的頭髮上來看，哦不，從性格上來看，李比希就如他所研究的雷酸一樣性格火爆激烈，而維勒則如他所研究的氰酸一樣性格沉穩平和。

不過李比希作為有機化學之父其性格的火爆來自於對真理的固著而不是頑固，所以當1826年他進一步進行研究之後發現維勒的研究是正確的。兩個人都沒錯，這讓李比希和維勒都感到很費解。

早在1824年的時候，維勒就開展了關於氰酸銨的有關研究，但是當他將氰酸和氨水混合後卻發現產物不是一種銨鹽，到了1828年之後，維勒證實了這種產物是尿素，在化學史上第一次透過無機物之間的相互反應制得了有機物，打破了當時盛行的“生命力”論，但是也同時遭遇了科學界的批判與質疑，其中就包括維勒的導師貝採裡烏斯。作為泛生命力論的支持者，貝採裡烏斯給弟子維勒寫了一封信，信中寫到：親愛的維勒，你這麼有本事能合成尿素，你能在實驗室合成出一個嬰兒來嗎？【旁白：貝爺，這就是你56歲才結婚的原因嗎，等著維勒在實驗室給你合成一個baby】

（貝採裡烏斯）

嬰兒是沒有合成出來，不過隨著進一步的實驗證實尿素和氰酸銨具有相同的分子式後，在1830年的時候，貝採裡烏斯認為基於已有的關於氰酸、雷酸、尿素、氰酸銨的組成及其性質的有關研究，認為有必要提出一個新的名詞：同分異構。然而，同分異構現象的研究就止步於此了嗎？法國微生物學家、化學家巴斯德先生表示不同意。

跟很多法國人一樣，巴斯德也很喜歡葡萄酒，他發現葡萄酒在沉降的過程中會析出一種晶體，紅寶石一樣的酒石酸。

巴斯德知道，在沉積物中不只有酒石酸，還有一種類酒石酸。這時酒石酸和類酒石酸的分子式已被定出，成分是相同的，但酒石酸溶液和類酒石酸溶液特性大不相同，“極化光”透過酒石酸溶液時會產生右旋光，透過類酒石酸溶液則什麼事也不會發生。為什麼分子式相同的化合物會有截然不同的光學特性？ 巴斯德決定運用他化學和物理的知識，來解決這個問題。他直覺認為它們結晶的結構有可能不同，然後用鑷子慢慢挑出酒石酸鹽類結晶。細心的觀察結果發現：酒石酸鹽類結晶有一面較長，不是完全對稱的，也因此透過酒石酸溶液的極化光會產生右旋現象。巴斯德接著假設：類酒石酸鹽類晶體應該是對稱的，也因此透過類酒石酸溶液的極化光才不會改變。結果他發現類酒石酸鹽類結晶和酒石酸鹽類結晶一樣，都有一個較長的、不對稱的晶面。原以為解開謎底的巴斯德再次陷入困惑之中。為什麼酒石酸鹽類結晶和類酒石酸鹽類結晶都有不對稱的晶面，但前者有光學活性，後者卻沒有？他思考後認為只能更大膽地假設：某些結晶較長的晶面在左邊，某些結晶較長的晶面在右邊，只有這樣，才可能解釋為什麼類酒石酸鹽類結晶具有不對稱的晶面，卻沒有光學活性。

想到這裡，巴斯德興奮地重新檢視類酒石酸鹽類結晶。果然！他發現類酒石酸鹽類結晶有二種，其中有些晶體較長的晶面在左邊，另外一些則在右邊，就像左手和右手。當他把所有較長的晶面在左邊的晶體挑出、溶解，然後將溶液透過極化光，即產生左旋現象；而若將所有較長的晶面在右邊的晶體挑出、溶解，然後將溶液透過極化光後，即產生右旋現象。換句話說，類酒石酸溶液不具有光學活性，是因為它是二種晶體的混合物，它同時具有左旋和右旋的光學特性，互相消弭所致。

然而，巴斯德發現的這種現象究竟該如何解釋？這時候，簡簡單單地一句“同分異構現象”是遠遠不能說明問題的了。具有相同問題的還有乳酸、各種糖，這些物質的分子式、結構式非常的像。不僅如此，一些不飽和酸，像馬來酸和延胡索酸，它們也共享一套分子式，所含有的基也是一模一樣。看來，同分異構現象不僅僅是像氰酸銨和尿素那樣簡單，必須得有一種新的理論來解釋這些現象了。終於，1874年，法國的化學家勒貝爾和荷蘭化學家範特霍夫就提出了一個新的概念——立體異構。其實，勒貝爾獨立於範特霍夫並提前兩個月宣佈了旋光性與分子結構之間的關係，儘管並不像後來範特霍夫的實驗和計算那樣精細。但是勒貝爾家裡有礦，額~~，石油廠，所以他並沒有繼續致力於有關研究。而範特霍夫繼續了他的研究，並在1875年發表了《空間化學》一文，提出了不對稱碳原子概念，並提出了碳的正四面體構型假說，正式為立體化學奠基。

（範特霍夫）

現在我們已經知道，常見的異構型別可以分為兩大類：構造異構和立體異構，而其中構造異構又主要包括碳鏈異構和位置異構，立體異構又主要包括構型異構和構象異構。