『布－洛學說（Brønsted-Lowry Acid-Base Theory）』系列（二）－洛瑞（Lowry）建立酸鹼（Acids and Bases）學說始末

『布－洛學說（Brønsted-Lowry Acid-Base Theory）』系列（二）－洛瑞（Lowry）建立酸鹼（Acids and Bases）學說始末
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立台灣大學化學系李俊毅 責任編輯

丹麥化學家布忍斯特（Brønsted）和英國有機化學家湯瑪斯•馬丁•洛瑞（Thomas Martin Lowry, 1874-1936）同時異地提出「布－洛酸鹼學說」，然而促使這二位化學家提出這個理論的背景與因果，卻是截然不同。分別認識布忍斯特與洛瑞提出酸鹼理論的背景，將有助於我們能用不同的觀點，去了解「布－洛酸鹼學說」。

來自英國約克夏郡的洛瑞，提出酸鹼理論是源自他於有機化合物的「光學活性」之研究心得。他是一位相當熱情的物理有機學家，在跟隨阿姆斯壯教授（Prof. Armstrong）的多年間，阿姆斯壯教授對於洛瑞能用一些物理測量方法，得到有機化學中重要且精緻的數據相當激賞，洛瑞也因訓練而奠下紮實基礎。洛瑞於往後學術生涯挹注畢生心血，研究有機物質的旋光性（optical rotatory power）。他臨終前撰寫的最後一本書（出版於1935年）『旋光性（Optical Rotatory Power）』，正是一本集大成的著作，同時也成為這個領域的典範。

因著研究旋光性質，洛瑞進而探討『變旋（Mutarotation）現象』的發生機制與原因。透過對『變旋現象』的了解過程，這位物理有機學家提出了他對「酸鹼」的看法。

首先我們來談談什麼是「變旋」。

(圖一)

如圖一所示，一般而言，單醣類的環狀結構（Cyclic monosaccharide）含有α、β兩種立體異構物（Stereoisomer）。（圖一所呈現的是D-吡喃葡萄糖的兩種立體異構物）

西元1846年，法國醣類化學家奧古斯丁•皮爾•杜卜爾朗福特（Augustin Pierre Dubrunfaut, 1797-1881）第一次發現在水溶液中，此兩種異構物會互變，且互變的程度隨著時間有所不同。西元1899年，經過整理許多當代化學家對此一現象的實驗結果後，洛瑞把這樣的現象重新定義，正式稱之為『變旋（mutarotaion）』，並傾一生之力，企圖揭開「變旋現象」的神秘面紗。

(圖二)

最初洛瑞先分離D-溴化硝茨酮（bromonitro-d-camphor, 即「樟腦類」物質, 圖二）的兩種光學異構物，將它們分別溶在水裡，發現這兩種不同的光學異構物竟會互變（即α形式變成β形式、β形式變成α形式），直到平衡。

(圖三)

更進一步，洛瑞發現把D-硝茨酮（nitro-d-camphor, 圖三）的兩種異構物溶在氯仿（chloroform）中，經過數天後，也能觀察到互變的情形；若將D-硝茨酮苯（benzene）溶液加入百萬分之ㄧ當量的哌啶（piperidine, 圖四），這樣的互變更是急遽加快，而這也是一個鹼催化的例子，不過這個反應中，鹼所扮演的角色與當時普遍所認同的，「鹼即在水溶液中釋出氫氧根離子」是有出入的。為了解答這樣不同於以往的結果，洛瑞與其夥伴又持續在這個領域耕耘一段時間。洛瑞發現，有機化合物的變旋性質，與溶劑有密不可分的關係，如果溶劑有既可當酸，也可當鹼的二元性質（amphoteric），互變的反應便能發生，而在這裡，溶劑同時也扮演「催化劑」的角色。

(圖四)

洛瑞提出這樣的結論，顯然他對「酸」、「鹼」的詮釋與前人不盡相同。洛瑞如此解釋他的實驗數據：「變旋」與質子的移動有非常大的關係。當溶劑分子可以爭奪或授予質子時，溶液中如同D-硝茨酮這類的化合物就能夠丟出或接受質子，造成反對稱（dissymmetry）的現象，進而達到互變。

從這樣的結論，洛瑞於是提出對酸鹼的主張：第一，酸鹼反應並不侷限於水溶液；第二，酸是質子捐贈者、鹼是質子接受者。

參考文獻:
1. Lowry, T. M. J. Chem. Soc. Trans., 1898, 73, 986-1006.
2. Pope, W. J. Obituary Notices of Fellows of the Royal Society, Jan. 1938, 2, 287-293
3. Lowry, T. M. Chem. Rev. 1927, 4, 231-253