著:姚荏富

有機化學是從哪裡出來的?

有機化學這個名字對於一般人來說似乎是一個很虛幻的名詞,有機?化學?有機化學?這幾個名詞多少會出現在我們的國高中時代的課本裡或生活中,但真要能解釋這個名詞到底是什麼意思可能難度真的有點高。而有機化學的出現也是一段曲折離奇的故事,現在我們在化學專業中的"有機化學"其實和最原始被提出的"有機化學"差了十萬八千里,在過去有機化學是指從生命體中取出成分的學問,而現在的有機化學是一門極具系統的含碳物科學,這樣的轉變究竟如何發生的,我們在接下來的故事中可以讀出些許脈絡。


化學就化學,為什麼會有有機化學?

化學這門學問在17世紀開始出現,科學家們嘗試著以較科學的方式來探索物質世界,到18世紀隨著科學對大自然的拓展也慢慢地開始分門別類。這是一個相當正常的過程,當資訊開始增加後人類會試著分門別類讓資訊可以更快被掌握,不過掌握的方向對或是不對可能就不一定了。回到正題,18世紀化學作為探索物質的新興學問,拉瓦節做了相當重要的起頭,在他的《化學基礎論》中,將各式的物質組成做了相當詳細的檢測與陳述,同時也將物質做了簡單的分類分別是酸、鹼、鹽類、含碳物質、含氮物質....,而這些分類並不算精確,不過畢竟當時所了解的元素還不夠多,能夠檢測元素的方式自然也不夠完整,但這樣的分類方式確實對將來化學上的分類有一定程度的啟發。

直至1806年,當時的化學大家貝采里烏斯,簡單將化學分為兩類,分別是來自於無生命物質的"無機化學",另一種則是來自於生命體的物質"有機化學"。這起因於科學家們開始利用化學方式去製造物質或是分解物質時的一個特殊現象,那就是科學家們發現,只要是從生物身上分離出的物質,幾乎都含有碳(都可以燒),而且還無法用無機物質(礦物或是酸鹼等等)造出相同的東西。

對此貝采里烏斯認為,這是因為生物體內具有"生命力","生命力"能夠將碳與其他的組合成具有生物特性的"有機物",而人類化學家是利用無生命的物質來進行合成,自然不會有"生命力"可以製造出"有機物"。這樣的說法聽起來或許有些許的荒謬,但對於人類遲遲無法藉由無機物來製造出有機物的這個現象,"生命力"算是很直接給了這個現象一個答案,只是對或是不對,就得看是"生命力"先被找到,還是"生命力"先被證明不存在了。


一段起於"氰酸"的緣分

1822年,正在德國海德堡大學進行研究得維勒,是一名專門研究氰酸的無機化學家,這時的他已經發表了幾篇有關氰酸組成成分的論文,指出氰酸是由碳、氫、氮、氧組成並將四種元素之比例測定完成,但就在他發表第三篇論文時,維勒的指導教授告訴了他一件事,

「你去看一位叫李比西的學者,他最近發表了一篇論文,我想你會有興趣。」

原來,這時候20歲的李比希也發表了他的論文,題目是「論雷酸組成」,他在論文中測定了雷酸的組成成分有哪些並將其比例測定出來,沒想到這個雷酸和維勒在研究的氰酸竟然組成幾乎一模一樣。雷酸是一種極易爆炸的物質,而氰酸則是不會爆炸但具有毒性的物質,這兩種東西竟然組成一樣!?

維勒為了求得答案,便向當時最有聲望的科學家貝采利烏斯提出自己的疑問。

剛開始貝采利烏斯認為肯定是他兩其中一人的量測出了問題,但不管是單比較雷酸與氰酸的組成,或是比雷酸銀與氰酸銀(也就是兩者的鹽類)結果竟然還是一樣,對此,大家都無法解釋兩種性質截然不同的物質,怎麼會有一模一樣的成分呢?就這樣維勒與李比希雖然都在德國做研究,但他們始終只有通過論文和信件來爭論這事,可惜遲遲沒有答案可以解釋這個現象。

不過就在1828年,維勒回鄉度假,就在他回去尋找啟發他的恩師布赫醫生時,竟然和李比希相遇了。當他倆知道眼前的人就是"筆友"後,馬上就開啟了他們氰酸與雷酸的對話視窗,在談論的過程中雖然激烈,但兩人也在這次討論中成為了知己。只不過就算經過他們詳盡地討論後,最後討論的答案仍是兩者都沒錯,但為什麼兩種物質會有一模一樣的組成呢?

這個問題直到1830年終於迎來結果,那年貝采利烏斯提出了一個相當新穎的概念"同分異構性",意即"組成元素相同,但排列順序不同的物質",而這個概念不就是維勒與李比希氰酸與雷酸所在找的答案嗎?原來,組成的成分一樣但是排列順序不一樣就可以形成不同的物質呀,貝采利烏斯正式"裁決"了李比希與維勒的爭論,而這項發現也使化學世界往前邁了一大步。

有趣的是,這個科學懸案在解決前維勒就與李比希就因為長時間的交流而成為好朋友了,而這樣的交流也影響了這些科學家未來發展的方向,如果沒有這次的相遇,這對歷史上的"有機搭檔"可能就不會出現,而有機化學這們學問可能還得推遲很長一段時間才能發展成熟。


氰酸戰爭裡的小插曲,打破了化學的分界

1824年,氰酸與雷酸的身世之謎還沒有答案,不過維勒仍繼續埋頭研究氰酸。某天,他打算使用氨水加上氰酸來製造氰酸銨這種物質。在將氰酸倒入氨水後,慢慢地將溶液蒸乾,便能夠得到氰酸銨的晶體。只是這次的結果顯然與過去的成果不符,為什麼蒸發皿中的的結晶會是無色針狀的晶體呢?而這種結晶真的是氰酸銨嗎?

經過化學的檢驗方式,照理說,在氰酸銨中加入氫氧化鉀在加熱之後會產生氨氣,可是這種神奇的晶體卻一點反應都沒有。這到底是什麼物質呢?不過對於維勒來說他還有很多其他的研究還在進行,所以也沒有馬上去解出這些個難題。

直到1828年維勒又再次製造出這種特殊的無色針狀結晶,這回他可就沒有輕易地放過了。經過仔細研究後發現,這種針狀結晶根本不是氰酸銨,而是尿素!尿素是動物排泄物中的一種物質,最重要的是,他是有機物。維勒馬上就意識到這項發現的重要性,因為他的發現已經直接挑戰到他的老師貝采利烏斯了。


有機物到底有沒有生命力呢?

成功用無機物合成出尿素的維勒,馬上將自己的發現寄給了自己的老師貝采利烏斯,他在信中提到:

「老師您曾說,在有機物了領域中,元素之間存有特殊的規律,那是與無機物領域不同的規律,有機物是生命過程中的產物,而有機物受到奇妙的"生命力"作用才會產生。可是"生命力"到底是什麼呢?」

顯然維勒的研究成果和他的老師有了嚴重的分歧,不過貝采利烏斯並沒有放棄他所提出的"生命力假說",即使看到了維勒的研究成果仍對該研究提出了自己的疑問,貝采利烏斯認為尿素嚴格來說並不能算是有機物,他是動物的排泄物,充其量不過是有機與無機之間的模糊物質。甚至還在回信中挖苦他,問維勒如果他可以合成出有機物,那可不可造出個小孩來呢?

不過真相確實需要經過時間來考驗,維勒即使被自己的老師打槍了,但他仍繼續堅持著他所認為的真理,而最後時間也給了他一個滿意的答案。在維勒合成出尿素後又過了13年,也就是1845年,人類成功合成出醋酸,隨後像是酒石酸、檸檬酸....的有機酸類相繼被人類合成出來,甚至在1854年人類成功的用甘油與脂肪酸合成出了動物體身上都有的油脂。這下"生命力假說"就徹底的失敗了。

而貝采利烏斯呢?身為提出"生命力論"的學者,他仍舊堅持著自己的理論,只不過在日後他與維勒的信件中,也不得不承認維勒的功績

"誰在合成尿素的工作中奠下了基石,誰就有機會以此登向巔峰的道路。的確,博士先生(指維勒)你正向永垂不朽的聲譽前進。"

不過對於維勒來說,這些發現也只是他闖進有機化學這片無邊無際的學問森林中的一角而已,而這些小角也為維勒開啟了他的有機化學研究之路。



參考資料

《化學通史》凡異出版

《化學基礎論》北京大學出版

《超乎想像的化學課》天下文化