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第13章 与生命有关的有机物(2)

1845年德国化学家霍夫曼从煤焦油的轻馏分中发现了苯,他的学生C.Mansfield随后进行了加工提纯。后来他又发明了结晶法精制苯。他还进行工业应用的研究,开创了苯的加工利用途径。

1865年,弗里德里希·凯库勒在论文《关于芳香族化合物的研究》中,再次确认了四年前苯的结构,为此,苯的这种结构被命名为“凯库勒式”。他对这一结构作出解释说环中双键位置不是固定的,可以迅速移动,所以造成6个碳等价。他通过对苯的一氯代物、二氯代物种类的研究,发现苯是环形结构,每个碳连接一个氢。

大约从1865年起开始了苯的工业生产。最初是从煤焦油中回收。随着它的用途的扩大,产量不断上升,到1930年已经成为世界十大吨位产品之一。

早在1920年代,苯就已是工业上一种常用的溶剂,主要用于金属脱脂。由于苯有毒,人体能直接接触溶剂的生产过程,现已不用苯作溶剂。

苯有减轻爆震的作用而能作为汽油添加剂。在1950年代四乙基铅开始使用以前,所有的抗爆剂都是苯。然而现在随着含铅汽油的淡出,苯又被重新起用。由于苯对人体有不利影响,对地下水质也有污染,欧美国家限定汽油中苯的含量不得超过1%。

苯在工业上最重要的用途是做化工原料。苯可以合成一系列苯的衍生物:苯最主要的用途是制取乙苯,其次是制取环己烷和苯酚。

苯经取代反应、加成反应、氧化反应等生成的一系列化合物可以作为制取塑料、橡胶、纤维、染料、去污剂、杀虫剂等的原料。大约10%的苯用于制造苯系中间体的基本原料。

此外,苯有良好的溶解性能,可作为化工生产中的溶剂。

苯与乙烯生成乙苯,后者可以用来生产制塑料的苯乙烯;苯与丙烯生成异丙苯,后者可以经异丙苯法来生产丙酮与制树脂和黏合剂的苯酚;制尼龙的环己烷;合成顺丁烯二酸酐;用于制作苯胺的硝基苯;多用于农药的各种氯苯;合成用于生产洗涤剂和添加剂的各种烷基苯;合成氢醌,蒽醌等化工产品。

神奇的电石气——乙炔

乙炔是最简单的炔烃,又称电石气。纯乙炔在空气中燃烧达2100度左右,在氧气中燃烧可达3600度。

乙炔的性质

德国著名化学家弗里德里希·维勒1842年制备了碳化钙,也就是电石,并证明它与水作用,放出乙炔。

纯乙炔为无色、无味的易燃、有毒气体。而电石制的乙炔因混有硫化氢、磷化氢、砷化氢,而带有特殊的臭味。化学性质很活泼,能起加成、氧化、聚合及金属取代等反应。乙炔在液态和固态下或在气态有猛烈爆炸的危险,受热、震动、电火花等因素都可以引发爆炸,因此不能在加压液化后贮存或运输。微溶于水,易溶于乙醇、苯、丙酮等有机溶剂。在工业上是在装满石棉等多孔物质的钢瓶中,使多孔物质吸收丙酮后将乙炔压入,以便贮存和运输。

乙炔的作用

乙炔可用以照明、焊接及切断金属(氧炔焰),也是制造乙醛、醋酸、苯、合成橡胶、合成纤维等的基本原料。

乙炔燃烧时能产生高温,氧炔焰的温度可以达到3200℃左右,用于切割和焊接金属。供给适量空气,可以安全燃烧发出亮白光,在电灯未普及或没有电力的地方可以用做照明光源。乙炔化学性质活泼,能与许多试剂发生加成反应。在20世纪60年代前,乙炔是有机合成最重要的原料,现在仍为重要原料之一。如与氯化氢、氢氰酸、乙酸加成,均可生成生产高聚物的原料。

乙炔在不同条件下,能发生不同的聚合作用,分别生成乙烯基乙炔或二乙烯基乙炔,前者与氯化氢加成可以得到制氯丁橡胶的原料。乙炔在400℃~500℃高温下,可以发生环状三聚合生成苯;以氰化镍为催化剂,可以生成环辛四烯。

乙炔具有弱酸性,将其通入硝酸银或氯化亚铜氨水溶液,立即生成白色乙炔银和红棕色乙炔亚铜沉淀,可用于乙炔的定性鉴定。这两种金属炔化物干燥时,受热或受到撞击容易发生爆炸。

弗里德里希·维勒,1800年7月31日生于德国莱茵河岸上的一个小镇,他是德国著名的有机化学家。

弗里德里希·维勒上大学时,把自己的宿舍变成了不折不扣的化学实验室。

一次,这位青年科学家把硫氰酸铵的溶液与硝酸汞溶液混合时,得到了硫氰酸汞的沉淀。他滤出白色沉淀物后,使其干燥,自己就去睡觉了。但他根本就睡不着,离天亮早着呢,时间过得可真慢哪。维勒披衣起床,点燃了蜡烛,又接着实验了。

维勒把一部分硫氰酸汞放在瓦片上,让它靠近壁炉熊熊燃烧的炭火。不一会儿,瓦片被烧热了,瓦片上的白色粉末开始发出“啪啪”的声响,并在瓦片上分散开。咦,真神了,维勒睁大了眼睛,粉末的颜色由白变黄,而且体积显著地膨胀起来,变得越来越多,越来越大。维勒兴致勃勃地注视着所发生的一切,当响声停止时,他重新取了一些白色粉末,蘸上点水,用两个手掌研揉,揉成一条白色的“小香肠”,在瓦片上干燥一会儿,然后就将瓦片的一端猛烈加热,于是,熟悉的噼啪声又响起来了。这时,“小香肠”受热的那一端开始剧烈膨胀,形成了一个大气泡,这个球形的气泡飞快地沿着“小香肠”向另一端滚去,因为这时扩展到了整个物质。最后,反应停止了,剩下一块不流动的黄色物质。

这一夜维勒彻夜未眠,第二天一起来他就把这个分解反应写下来。又经过反复试验,他发表了关于硫氰酸汞如何发生热分解的论文,文章虽不长,但却引起了大化学家贝采利乌斯的重视和赞许。这件事使青年维勒对自己的力量增添了信心;他因此决定到海德堡去,从而翻开了他人生旅途中崭新的一页。

真正的蒙汗药——乙醚

乙醚是一种醚。古老的合成有机化合物之一。无色液体,极易挥发,气味特殊;极易燃,纯度较高的乙醚不可长时间敞口存放,否则其蒸气可能引来远处的明火进而起火。

神奇的麻醉剂乙醚

乙醚主要用作油类、染料、生物碱、脂肪、天然树脂、合成树脂、硝化纤维、碳氢化合物、亚麻油、石油树脂、松香脂、香料、非硫化橡胶等的优良溶剂。医药工业用作药物生产的萃取剂和医疗上的麻醉剂。毛纺、棉纺工业用作油污洁净剂。火药工业用于制造无烟火药。

乙醚作为一种非常重要的麻醉剂,对神经有兴奋作用,亦具有麻醉止痛作用,至今仍是外科医生的好帮手。

乙醚用作麻醉剂引起的风波

美国牙科医生维尔斯用笑气做麻醉剂,成功地给不少患者做了拔牙手术。可是,1844年的一天,维尔斯在美国波士顿城做拔牙公开表演时,由于笑气用量不足,手术没有成功,病人痛得大声呼叫,人们把维尔斯当做骗子,将他赶出了医院。

维尔斯有个学生叫做莫顿。一个偶然的机会,莫顿听到化学教授杰克逊说,有一次在做化学实验时,他不慎吸入一大口氯气,为了解毒,他立即又吸了一口乙醚。不料,开始他感到浑身轻松,可不一会便失去了知觉。听了杰克逊的叙说,勤于思索的莫顿深感兴趣。他大胆设想,能否用乙醚来作为一种理想的麻醉剂呢?于是,他便动手在动物身上试验,以后又在自己身上试验,结果证明乙醚的确是一种理想的麻醉剂。

1846年10月的一天,世界上第一次使用乙醚进行麻醉外科手术的公开表演成功了。从此,还是医学院二年级学生的莫顿出名了。乙醚麻醉剂亦逐渐成为全世界各家医院手术室里不可缺少的药品。

乙醚麻醉剂的发明是医学外科史上的一项重大成果。然而,当莫顿以乙醚麻醉剂发明者的身份向美国政府申请专利时,他的老师维尔斯和曾经启发他发明的化学教授杰克逊都起来与莫顿争夺专利权。后来,这场官司打到法院,但多年一直毫无结果,他们为此都被搞得狼狈不堪。最后,杰克逊为此得了精神病,维尔斯自杀身亡,莫顿则患脑出血而死去。

乙醚麻醉剂的发明造福于人类。可是,因发明减轻人们痛苦的3位科学家却因名利的争夺而在科学史上演出了一场令人遗憾的悲剧。

《三国演义》中曾记载华佗想用“麻沸散”为曹操治头风病,当时建议曹操服“麻沸散”后剖开头皮切除病根,可惜曹操不相信华佗的本领,反而把华佗杀害了。

关于“麻沸散”的配方遗本传说众多。有的说被华佗用火烧掉了;有的说华佗在监狱中送给看守人,而被看守人的妻子烧掉,看守人放下一部分;还有的说华佗烧的是副本,正本留在家中。

据后人考证,麻沸散的主要成分可能是曼陀罗花(又名洋金花)。宋代窦材在《扁鹊心书》中载有麻醉剂“睡圣散”,方中说:“人难忍艾火炙痛,服此即昏不知痛,亦不伤人,山茄花、火麻花(即大麻)共为末,每服三钱,一服后即昏睡。”而明代朱棣等撰《普济方》则有“草乌散”,利用曼陀罗花使骨科病人入睡,手术时刀割,骨中拔箭头,都不会觉得痛。

最强悍的化肥——尿素

尿素是一种由碳、氧、氮和氢组成的有机物。外观是无色或白色针状或棒状结晶体,工业或农业品,为白色略带微红色固体颗粒,无臭、无味。

尿素的人工合成

1773年,伊莱尔·罗埃尔发现尿素。1828年,德国化学家弗里德里希·维勒首次使用无机物质氰酸氨与硫酸铵人工合成了尿素。

维勒自1824年起研究氰酸铵的合成,但是他发现在氰酸中加入氨水后蒸干得到的白色晶体并不是铵盐,到了1828年他终于证明出这个实验的产物是尿素。本来他打算合成氰酸铵,却得到了尿素。

维勒由于偶然地发现了从无机物合成有机物的方法,而被认为是有机化学研究的先锋,揭开了人工合成有机物的序幕。在此之前,人们普遍认为:有机物只能依靠一种生命力在动物或植物体内产生;人工只能合成无机物而不能合成有机物。维勒的老师贝采里乌斯当时也支持生命力学说,他写信问维勒,能不能在实验室里“制造出一个小孩来”。

最佳肥料——尿素

尿素是一种高浓度氮肥,属中性速效肥料,也可用于生产多种复合肥料。在土壤中不残留任何有害物质,长期施用没有不良影响。畜牧业可用作反刍动物的饲料。但在造粒中温度过高会产生少量缩二脲,又称双缩脲,对作物有抑制作用。

尿素适用于作基肥和追肥,有时也用作种肥。尿素在转化前是分子态的,不能被土壤吸附,应防止随水流失;转化后形成的氨也易挥发,所以尿素也要深施覆土。

尿素适用于一切作物和所有土壤,旱水田均能施用。由于尿素在土壤中转化可积累大量的铵离子,会导致PH升高2~3个单位,再加上尿素本身含有一定数量的缩二脲,其浓度在500ppm时,便会对作物幼根和幼芽起抑制作用,因此尿素不易用作种肥。

尿素(氮肥)能促进细胞的分裂和生长,使枝叶长得繁茂。

生物以二氧化碳、水、天冬氨酸和氨等化学物质合成尿素。促使尿素合成的代谢途径,叫做尿素循环。这个过程耗费能量,但是很有必要。因为氨有毒,而且是常见的新陈代谢产物,必须被消除。

哺乳动物以肝脏中的一个循环反应产生尿素。尿素在肝脏产生后融入血液(人体内的浓度在每升2.5至7.5微摩尔之间),最后通过肾脏由尿排出。少量尿素由汗排出。

含氮废物具有毒性,产生自蛋白质和氨基酸的分解代谢过程。大多数生物必须再处理之。海生生物通常直接以氨的形式排入海水。陆地生物则转化氨为尿素或尿酸再排出。鸟和爬行动物通常排泄尿酸,其他动物则是尿素。

既能吃又能炸——甘油

甘油,1779年由斯柴尔首先发现,1823年人们认识到油脂成分中含有一种有机物,有甜味,因此命名为甘油。第一次世界大战期间,因甘油可以用来制造火药,因此产量大增。

甘油的性质

甘油是最简单的三羟基醇。在自然界中甘油主要以甘油酯的形式广泛存在于动植物体内,在棕榈油和其他极少数油脂中含有少量甘油。它是无色黏稠液体,具有甜味。与水及乙醇可任意比例混合,在潮湿空气中能吸收水分,遇冷时间过长能析出结晶块,稍加温可再溶,故应密闭贮存。

甘油的熔点为20℃,沸点为290℃(分解)。纯甘油可形成结晶固体,冷至-15℃~-55℃时最易结晶,吸水性很强,可与水混溶,并可溶于丙酮、三氯乙烯及乙醚—醇混合液。甘油氧化时生成甘油醛、甘油酸,还原时生成丙二醇。

甘油的作用

甘油于10℃左右与硫酸、硝酸混合酸反应,生成甘油三硝酸酯,俗称硝酸甘油,这个化合物经轻微碰撞即分解成大量的气体、水蒸气和二氧化碳,发生爆炸。

硝酸甘油还常用作强心剂和抗心绞痛药。脂肪酰氯或酸酐可酯化甘油。甘油与过氧化氢、过氧酸、亚铁盐、稀硝酸等反应,生成甘油醛、二羟基丙酮;与浓硝酸作用生成甘油酸。

甘油也可被四乙酸铅或高碘酸氧化。甘油与硫酸钾或浓硫酸加热发生分子内失水,生成丙烯醛。甘油是肥皂工业的副产物,也可用特种酵母发酵糖蜜制得。也可以以丙烯为原料合成甘油。

甘油大量用作化工原料,用于制造合成树脂、塑料、油漆、硝酸甘油、油脂和蜂蜡等,还用于制药、香料、化妆品、卫生用品及国防等工业中。

甘油可发生的化学反应有:与无机酸、羧酸、酸酐、酰氯等生成盐或酯;与醇生成醚;与环氧乙烷环氧丙烷生成聚醚;与碱金属单质或碱金属氢化物生成盐;与多元脂肪族羧酸或多元芳香酸生成聚酯。常见的甘油衍生物:

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