發現苯環 李啟讓1, *、洪振方2 1國立屏東女子高級中學（退休） 2國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *li483739@yahoo.com.tw 十八世紀後，冶金工業的發展促進煤焦的生產，同時，作為工業燃料和家庭照明的煤氣，也有大量的需求。而煤焦和煤氣的大量副產品是煤焦油。最初，煤焦油只是一種廢棄物。十九世紀初，科學家在煤焦油中分離出大量芳香族化合物，並以它們為原料來生產染料。可是人們對芳香族化合物的結構一無所知，然而在生產染料等許多有機化合物的過程中，當時科學家迫切需要知道芳香族化合物的結構與性質。 n  苯的發現 苯是一個充滿傳奇性的有機分子，在1825年法拉第（M. Faraday, 1791–1867，英國人）由鯨魚油製得的照明煤氣燈的殘渣中首次分離出苯，稱之為「氫的重碳化物」。1834年再經德國化學家密切立希（E. Mitscherlich, 1794–1863，德國人）由安息香樹膠和石灰共熱製得苯，並求出其分子式為C6H6。後來，直到1845年德國化學家馮·霍夫曼（A. W. von Hofmann, 1818–1892，德國人）也從煤焦油中發現苯，苯的名稱才告確定。 n  化學家凱庫勒的一生 1829年9月7日，凱庫勒（August kekulé, 1829–1896，德國人）（見圖1）出生在達姆斯塔特，他和李必希（Liedig, Justus von, 1803–1873，德國人）是同鄉。凱庫勒從小就很聰明，對數學和製圖尤為擅長。18歲時，遵從父親的意願考入吉森大學學習建築學，但是不久受李必希的影響改學化學。1856年，他回到了德國，任海德堡大學的講師，兩年後，來到比利時的根特大學任化學教授。1867年再回到了德國，任波恩大學的化學教授，後來任波恩大學的校長。於1896年7月13日，凱庫勒在波恩逝世。 在波恩大學的凱庫勒，常以吉森大學的李必希為榜樣。因為凱庫勒教出了許多優秀的學生，在最初的五屆諾貝爾化學獎得主當中，他的學生就包辦了其中三屆；所以凱庫勒被譽為史上最傑出的化學教授之一。 圖1：凱庫勒（August kekulé） （圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/August_Kekulé） n  原子結合的密碼 對19世紀時的化學家來說，複雜的有機化合物還是很難理解。直到1857年，德國化學家凱庫勒提出四價碳學說，他認為碳與碳相互連結是有機分子的主要結構，這種構造成為有機化合物的主要骨架。不過四價碳學說不是凱庫勒獨有的見解，其實蘇格蘭人古柏（A. S. Couper, 1831-1892，英國人）更早就在進行相關研究，而且可能對凱庫勒有所啟發。這個四價碳學說在其他場合應用良好，我們可以想像碳有4隻手；例如甲烷（見圖2），就是一個碳原子透過4個單鍵，連接了四個氫原子所構成。 圖2：甲烷結構式 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/甲烷） 凱庫勒首先提出「苯」是長鏈式結構，又因其結構與實驗結果不符而被一一否定。在「苯」（見圖3）這種分子裡面，6個碳原子的周圍，都只會接2個或3個原子，化學家認為它應該很不穩定。 圖3：「苯」的長鏈式結構 （圖片修改自：https://zh.wikipedia.org/wiki/己烷） 儘管苯的分子式C6H6早經確定，但是其分子結構卻遲到1865年，才被日有所思，夜有所夢的凱庫勒，經由夢中獲得的啟示發現。其中的緣由是苯分子的特殊結構，依照分子式C6H6苯是未飽和化合物且化性異於其他烴類，故苯的分子結構困擾了許多化學家。距離它於1825年首次與世人見面，整整有40年之久。 n  夢中獲得的啟示 關於凱庫勒提出苯分子為環狀結構的經過，一直是化學史上的一則趣聞。據凱庫勒說法：這來自於一個夢（見圖4）。一天夜晚，他在書房中打瞌睡，眼前出現旋轉的碳原子，碳原子的長鏈和蛇一樣盤繞捲曲。忽然，一條蛇咬住自己的尾巴，並旋轉不停，自己像觸電般猛然驚醒。 圖4：凱庫勒夢中的一條蛇 （圖片來源：https://tw.images.search.yahoo.com/search/images） 在1865年，凱庫勒從夢中獲得的啟示，整理出苯環結構的假說，終於悟出閉合鏈的形式是解決苯分子結構的關鍵。他提出苯分子是一個由6個碳原子以單鍵、雙鍵交替結合而成的環狀鏈式（見圖5）。 圖5：凱庫勒提出的苯的環狀鏈式結構 （圖片來源：作者繪製） 凱庫勒並在1872年提出，苯環是單、雙鍵交替排列的六角形平面環狀結構。他認為苯的兩種形式處於快速平衡的狀態，苯分子的每一個碳原子各與2個碳原子和1個氫原子連接成六角形，圖6為簡化後的凱庫勒式結構。 圖6：簡化後之苯的凱庫勒式結構 （圖片修改自：龍騰文化黃得時教授主編普通高中，100年~106年版基礎化學(二)全，頁61。本圖顯示凱庫勒式結構中，苯的鍵長。單鍵 > 雙鍵） […]