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| 中外科学家发明家丛书：肖莱马 （二） | 发布于:2012/12/24 | |
| 二、在化学领域内的实践 由于生活上的贫困，使得肖莱马失去了接受高等教育的机会。他在基森 大学化学系只上了一个学期就不得不中途辍学，背井离乡去英国当私人的助手。但后来肖莱马却掌握了渊博的科学知识，为人类化学事业的发展作出了 不朽的贡献。这些成就的取得，除了他的天赋才能外，更主要的是因为他勤 奋刻苦地自学。 肖莱马在研究化学之初，就对化学实验与化学分析表现出极大的兴趣。 在欧文斯学院化学实验室当助手期间，他充分利用了那里提供的实验仪器设 备与化学试剂，进行了许多独立的实验研究。他很重视化学分析，认为化学 分析是化学实验与化学研究的基础。对于这一点，他说：“有机化学的进步， 与化学分析的进步密切相关……只有少数有限的有机化合物可以靠定性分析 来识别；但在多数情况下，我们不得不在未知状态下准备所要实验的物质， 以决定其物理、化学性质，然后确定其定量的组成。要知道，不仅仅是新发 现的化合物需要进行这种仔细的研究，就是早已熟悉的常见物质，也只有用 这种方法才能辨别。” 肖莱马正是带着这种严谨的科学态度，进行了严格的各种化学分析，所 以在有机化学领域内完成了许多重要的科学发现。他对所用试剂和样品都力 求提制成纯品；在进行实验时，他细心观察并记录实验中所发生现象的细节， 然后对实验产物进行详细分析；有些重要的实验，他都多次重复实验，进行 对比与验证，以求最佳的实验结果。 肖莱马的化学研究是以对脂肪烃的研究为起点的，这项研究工作不只是 有理论意义，还有巨大的实践价值。因为在19世纪后半期，兴起了石油工业， 60年代初期内燃机出现以后，对于燃料的需求与日俱增。我们知道，石油及 其加工品，如汽油、柴油等，都是由碳氢化合物（其中包括脂肪烃）构成的。 但当时限于水平，化学家们对石油成分还缺乏系统的研究，对脂肪烃的认识 也仅限于少数几种。为了扩大能源的来源，科学家与实业家们开始试图从煤 炭干馏产物中得到汽油；而这项研究，对于此时缺乏石油资源的英国来说更 为重要。 正是在这时，曼彻斯特附近一家工厂的工程师巴罗，把该市附近出产的 烛蜡与长焰煤干馏产物中的轻油样品，送到欧文斯学院罗斯科实验室请求进 行分析化验。罗斯科教授对此未感兴趣，但却引起了该实验室里的年轻助手 肖莱马的注意，他向教授要求由他来进行样品的分析，教授同意了。 肖莱马接过这种生疏的化学产品后，立即以其熟练的分析技术，通过详 细的化验查明了这种油的成份是碳氢化合物，即后来被称为脂肪烃系列的那 些烃，于是他就开始致力于这些烃的深入研究。虽然这项研究与当时的工业 生产急需解决的实际问题密切相关，但由于其研究工作十分复杂并且充满了 风险，所以化学界还极少有人对此进行研究分析。然而肖莱马却知难而进。 正如恩格斯在回忆肖莱马时所说的：“那时候，他常常脸上带着血斑与 伤痕来看我。跟脂肪烃打交道可不是闹着玩的；这些大部分还没有认识的物 质，不时在他实验时发生爆炸，这样他就得到了不少光荣的伤痕。只是因为 戴着眼镜，他才没有为此丧失视力”。肖莱马正是这样勇敢而努力地工作着。他采用分馏净化法，逐一仔细地从煤焦油轻油馏份中成功地分离出一系列单 独的烃，这些烃在当时被当做“醇基的氢化物”（即烷烃）。 随后肖莱马逐一测得了这些新烃的沸点以及其元素组成，又通过测定其 蒸气密度的方法求出它们的分子量。他分离出的纯脂肪烃中，有戊烷 （CH）、己烷（CH）、庚烷（CH）、辛烷（CH），这些烃的成功分 512 614 716 816 离具有重大的意义，它大大地提高了人们对脂肪烃的认识，对石油提炼技术 的发展具有极大的促进作用。 对于脂肪烃系列产物，肖莱马对甲烷、乙烷、丙烷、丁烷直到辛烷都作 了研究。他通过卤化、水解、氧化、酯化等反应制备了这些烃的许多衍生物， 如卤化物、饱和一元醇、脂肪酸、醛、酮以及酯等等；同时，他还用合成方 法得到了许多有机化合物。比如，他通过氯对庚烷 （CH）的作用合成出α 716 —氯庚烷以及β—氯庚烷；由丙烷的氯化得到一二号氯丙烷，在碘的存在下 他把丙烷氯化后制得α—氯丙烷；他又将醋酸庚酯与α—氯庚烷作用，合成 出了正庚醇，将醋酸庚酯与β—氯庚烷作用，合成出了副庚烷。肖莱马的所 有这些研究，都是具有开创性地位的。 1866年，肖莱马将霍夫曼建议称为四甲基乙烷的“二异丙基”的性质研 究，纳入了自己的实验范围。 他将仲碘丙烷（CH－CHI－CH）与钠在含水醚中作用，合成制得“二异 3 3 丙基”，这在化学史上是第一次。他又以氯在硫的存在下作用于二异丙基， 得到了二甲基丁烷（CH－CCL(CH)－CCL(CH)－CH）。在制得二异丙基的过 3 3 3 3 程中，肖莱马发现从反应瓶中逃逸了丙烷的气流；于是他又用锌与稀盐酸对 仲碘丙烷进行了处理，结果他又成功地合成制得丙烷，从而第一个找到了将 异构的烷烃转变成正烷烃的办法。以后他又用钠作用于α—碘丁烷，从而首 次合成出正辛醇。 通过对脂肪烃类物质大量地深入研究，肖莱马发现了一条规律，即直链 烃比其异构物有着更高的沸点。这条规律的发现，揭示了有机物性质与结构 之间的关系。例如他指出，正丁烷沸点比异丁烷高出18℃，而正戊烷要比季 戊烷沸点高出28.5℃；从壬烷（CH）起，每增加一个CH基，则其相应烃 920 2 沸点的增加就低于常数。他接着指出，在烷烃中，正烃的沸点最高，仲烃次 之，叔烃则沸点最低。 由于这项出色的研究，肖莱马在1868年应邀到英国皇家学会作关于烷烃 沸点规律的报告，后来他所研究的这一沸点规律被称为沸点定律。又经过其 他化学家的研究发现，肖莱马的沸点定律不但适用于脂肪烃，同时也适用于 其衍生物，如醇等等。 正是由于肖莱马在烷烃领域内的这些经典性研究，所以极大地扩充了脂 肪烃系列物质研究的空白，丰富了脂肪烃化学的内容。在他之前，化学界还 只是处在对个别烷烃的单独研究的阶段，没能对这个系列的系统化学进行研 究。经过肖莱马首次分离或合成制得的一系列烷烃，先前也根本不为人所知， 更谈不上认识其性质以及反应了。只是在肖莱马研究了这些烃的物理、化学 性质，确定了它们的化学结构、制备了它们的衍生物以后，脂肪烃化学系统 的研究才正式形成规模；因而肖莱马被认为是脂肪烃化学系统研究的奠基 人。 在这一时期，肖莱马对石油化学也进行了研究。1862年，他在对美国宾 夕法尼亚石油馏份的研究中，用实验确定了其中主要含饱和的直链烃。可是 当他把石油中的这些烃与从煤焦油中得到的烃进行对比时，又觉察到其中某 些烃之间在性质上不尽相同，因而他推断在石油中除存在着大量同系直链烃 之外，还有其异构烃，并认为完全有可能将其分离出。不久，他就从美国石 油中，除分离出正庚烷外，还分离出其异构烃2-甲基己烷（CH－CH(CH)－ 3 3 CH－CH－CH－CH）。 2 2 2 3 以后，肖莱马又从加拿大石油馏份中，通过硝化反应得到属于芳香族的 硝基苯与三硝基异丙苯，由此他推断认为石油中还有芳香烃的存在。他的这 项结论，后来被其他化学家从对俄国石油馏份的分析结果中，得到了有力的 证实。此后的进一步研究证明，石油中既有含正构、异构的烷烃，又有芳香 烃和脂环烃，甚至还有不饱和烃。 因为肖莱马成功地研究了石油的化学组成以及化学结构，详细考察了石 油组份的性质及其转变，所以他又是一位石油化学研究的先驱者。 |
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