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數學家萊昂哈德·歐拉
  萊昂哈德·歐拉(Leonhard Euler,1707-1783),18世紀最優秀的數學家,也是歷史上最偉大的數學家之一,被稱為“分析的化身”。
  生平
  萊昂哈德·歐拉(Leonhard Euler,1707-1783),1707年出生在瑞士的巴塞爾城,小時候他就特別喜歡數學,不滿10歲就開始自學《代數學》。這本書連他的幾位老師都沒讀過,可小歐拉卻讀得津津有味,遇到不懂的地方,就用筆作個記號,事後再嚮別人請教。13歲就進巴塞爾大學讀書,這在當時是個奇跡,曾轟動了數學界。小歐拉是這所大學,也是整個瑞士大學校園裏年齡最小的學生。在大學裏得到當時最有名的數學家微積分權威約翰·伯努利(Johann Bernoulli,1667-1748年)的精心指導,並逐漸與其建立了深厚的友誼。約翰·伯努利後來曾這樣稱贊青出於藍而勝於藍的學生:“我介紹高等分析時,他還是個孩子,而你將他帶大成人。”兩年後的夏天,歐拉獲得巴塞爾大學的學士學位,次年,歐拉又獲得巴塞爾大學的哲學碩士學位。1725年,歐拉開始了他的數學生涯。
  歐拉的父親保羅·歐拉(Paul Euler)也是一個數學家,原希望小歐拉學神學,同時教他一點數學.由於小歐拉的才人和異常勤奮的精神,又受到約翰·伯努利的賞識和特殊指導,當他在19歲時寫了一篇關於船桅的論文,獲得巴黎科學院的奬金後,他的父親就不再反對他攻讀數學了.
  1725年約翰·伯努利的兒子丹尼爾·伯努利赴俄國,並嚮沙皇喀德林一世推薦了歐拉,這樣,在1727年5月17日歐拉來到了彼得堡.1733年,年僅26歲的歐拉擔任了彼得堡科學院數學教授.1735年,歐拉解决了一個天文學的難題(計算彗星軌道),這個問題經幾個著名數學家幾個月的努力纔得到解决,而歐拉卻用自己發明的方法,三天便完成了.然而過度的工作使他得了眼病,並且不幸右眼失明了,這時他纔28歲.1741年歐拉應普魯士彼德烈大帝的邀請,到柏林擔任科學院物理數學所所長,直到1766年,後來在沙皇喀德林二世的誠懇敦聘下重回彼得堡,不料沒有多久,左眼視力衰退,最後完全失明.不幸的事情接踵而來,1771年彼得堡的大火災殃及歐拉住宅,帶病而失明的64歲的歐拉被圍困在大火中,雖然他被別人從火海中救了出來,但他的書房和大量研究成果全部化為灰燼了.
  沉重的打擊,仍然沒有使歐拉倒下,他發誓要把損失奪回來.歐拉完全失明以後,雖然生活在黑暗中,但仍然以驚人的毅力與黑暗搏鬥,憑着記憶和心算進行研究,直到逝世,竟達17年之久.
  1783年9月18日,在不久前纔剛計算完氣球上升定律的歐拉,在興奮中突然停止了呼吸,享年76歲。歐拉生活、工作過的三個國傢:瑞士、俄國、德國,都把歐拉作為自己的數學家,為有他而感到驕傲。
  歐拉的記憶力和心算能力是罕見的,他能夠復述年青時代筆記的內容,心算並不限於簡單的運算,高等數學一樣可以用心算去完成.有一個例子足以說明他的本領,歐拉的兩個學生把一個復雜的收斂級數的17項加起來,算到第50位數字,兩人相差一個單位,歐拉為了確定究竟誰對,用心算進行全部運算,最後把錯誤找了出來.歐拉在失明的17年中;還解决了使牛頓頭痛的月離問題和很多復雜的分析問題.
  歐拉的風格是很高的,拉格朗日是稍後於歐拉的大數學家,從19歲起和歐拉通信,討論等周問題的一般解法,這引起變分法的誕生.等周問題是歐拉多年來苦心考慮的問題,拉格朗日的解法,博得歐拉的熱烈贊揚,1759年10月2日歐拉在回信中盛稱拉格朗日的成就,並謙虛地壓下自己在這方面較不成熟的作品暫不發表,使年青的拉格朗日的工作得以發表和流傳,並贏得巨大的聲譽.他晚年的時候,歐洲所有的數學家都把他當作老師,著名數學家拉普拉斯(Laplace)曾說過:“讀讀歐拉、讀讀歐拉,它是我們大傢的老師!” 當歐拉64歲高齡之時,一場突如其來的大火燒掉了他幾乎全部的著述,而神奇的歐拉用了一年的時間口述了所有這些論文並作了修訂。一年以後,1783年9月18日的下午,歐拉為了慶祝他計算氣球上升定律的成功,請朋友們吃飯,那時天王星剛發現不久,歐拉寫出了計算天王星軌道的要領,還和他的孫子逗笑,喝完茶後,突然疾病發作,煙斗從手中落下,口裏喃喃地說:"我要死了",歐拉終於"停止了生命和計算".
  歐拉淵博的知識,無窮無盡的創作精力和空前豐富的著作,都是令人驚嘆不已的!他從19歲開始發表論文,直到76歲,半個多世紀寫下了浩如煙海的書籍和論文.可以說歐拉是科學史上最多産的一位傑出的數學家,據統計他那不倦的一生,共寫下了886本書籍和論文(七十餘捲,牛頓全集八捲,高斯全集十二捲),其中分析、代數、數論占40%,幾何占18%,物理和力學占28%,天文學占11%,彈道學、航海學、建築學等占3%,彼得堡科學院為了整理他的著作,足足忙碌了四十七年。到今幾乎每一個數學領域都可以看到歐拉的名字,從初等幾何的歐拉綫,多面體的歐拉定理,立體解析幾何的歐拉變換公式,四次方程的歐拉解法到數論中的歐拉函數,微分方程的歐拉方程,級數論的歐拉常數,變分學的歐拉方程,復變函數的歐拉公式等等,數也數不清.他對數學分析的貢獻更獨具匠心,《無窮小分析引論》一書便是他劃時代的代表作,當時數學家們稱他為"分析學的化身".
  歐拉著作的驚人多産並不是偶然的,他可以在任何不良的環境中工作,他常常抱着孩子在膝上完成論文,也不顧孩子在旁邊喧嘩.他那頑強的毅力和孜孜不倦的治學精神,使他在雙目失明以後, 也沒有停止對數學的研究,在失明後的17年間,他還口述了幾本書和400篇左右的論文.19世紀偉大數學家高斯(Gauss,1777-1855年)曾說:"研究歐拉的著作永遠是瞭解數學的最好方法."
  歐拉的一生,是為數學發展而奮鬥的一生,他那傑出的智慧,頑強的毅力,孜孜不倦的奮鬥精神和高尚的科學道德,永遠是值得我們學習的.歐拉在數學、物理、天文、建築以至音樂、哲學方面都取得了輝煌的成就。在數學的各個領域,常常見到以歐來命名的公式、定理、和重要常數。課本上常見的如π(1736年),i(1777年),e(1748年),sin和cos(1748年),tg(1753年),△x(1755年),Σ(1755年),f(x)(1734年)等,都是他創立並推廣的。歌德巴赫猜想也是在他與歌德巴赫的通信中提出來的。歐拉還首先完成了月球繞地球運動的精確理論,創立了分析力學、剛體力學等力學學科,深化了望遠鏡、顯微鏡的設計計算理論。
  歐拉一生能取得偉大的成就原因在於:驚人的記憶力;聚精會神,從不受嘈雜和喧鬧的幹擾;鎮靜自若,孜孜不倦。
  1726年,19歲的歐拉由於撰寫了《論桅桿配置的船舶問題》而榮獲巴黎科學院的資金。這標志着歐拉的羽毛已豐滿,從此可以展翅飛翔。
  歐拉的成長與他這段歷史是分不開的。當然,歐拉的成纔還有另一個重要的因素,就是他那驚人的記憶力!,他能背誦前一百個質數的前十次幂,能背誦羅馬詩人維吉爾(Virgil)的史詩Aeneil,能背誦全部的數學公式。直至晚年,他還能復述年輕時的筆記的全部內容。高等數學的計算他可以用心算來完成。
  儘管他的天賦很高,但如果沒有約翰的教育,結果也很難想象。由於約翰·伯努利以其豐富的閱歷和對數學發展狀況的深刻的瞭解,能給歐拉以重要的指點,使歐拉一開始就學習那些雖然難學卻十分必要的書,少走了不少彎路。這段歷史對歐拉的影響極大,以至於歐拉成為大科學家之後仍不忘記育新人,這主要體現在編寫教科書和直接培養有才華的數學工作者,其中包括後來成為大數學家的拉格朗日(J.L.Lagrange,1736.1.25-1813.4.10)。
  歐拉本人雖不是教師,但他對教學的影響超過任何人。他身為世界上第一流的學者、教授,肩負着解决高深課題的重擔,但卻能無視"名流"的非議,熱心於數學的普及工作。他編寫的《無窮小分析引論》、《微分法》和《積分法》産生了深遠的影響。有的學者認為,自從1784年以後,初等微積分和高等微積分教科書基本上都抄襲歐拉的書,或者抄襲那些抄襲歐拉的書。歐拉在這方面與其它數學家如卡爾·弗裏德裏希·高斯(C.F.Gauss,1777.4.30-1855.2.23)、艾薩剋·牛頓(I.Newton,1643.1.4-1727.3.31)等都不同,他們所寫的書一是數量少,二是艱澀難明,別人很難讀懂。而歐拉的文字既輕鬆易懂,堪稱這方面的典範。他從來不壓縮字句,總是津津有味地把他那豐富的思想和廣泛的興趣寫得有聲有色。他用德、俄、英文發表過大量的通俗文章,還編寫過大量中小學教科書。他編寫的初等代數和算術的教科書考慮細緻,敘述有條有理。他用許多新的思想的敘述方法,使得這些書既嚴密又易於理解。歐拉最先把對數定義為乘方的逆運算,並且最先發現了對數是無窮多值的。他證明了任一非零實數R有無窮多個對數。歐拉使三角學成為一門係統的科學,他首先用比值來給出三角函數的定義,而在他以前是一直以綫段的長作為定義的。歐拉的定義使三角學跳出衹研究三角表這個圈子。歐拉對整個三角學作了分析性的研究。在這以前,每個公式僅從圖中推出,大部分以敘述表達。歐拉卻從最初幾個公式解析地推導出了全部三角公式,還獲得了許多新的公式。歐拉用a 、b 、c 表示三角形的三條邊,用A、B、C表示第個邊所對的角,從而使敘述大大地簡化。歐拉得到的著名的公式,又把三角函數與指數函聯結起來。
  在普及教育和科研中,歐拉意識到符號的簡化和規則化既有有助於學生的學習,又有助於數學的發展,所以歐拉創立了許多新的符號。如用sin 、cos 等表示三角函數,用 e 表示自然對數的底,用f(x) 表示函數,用 ∑表示求和,用 i表示虛數等。圓周率π雖然不是歐拉首創,但卻是經過歐拉的倡導纔得以廣泛流行。而且,歐拉還把e 、π 、i 統一在一個令人叫絶的關係式 中。
  歐拉不但重視教育,而且重視人才。當時法國的拉格朗日衹有19歲,而歐拉已48歲。拉格朗日與歐拉通信討論"等周問題",歐拉也在研究這個問題。後來拉格朗日獲得成果,歐拉就壓下自己的論文,讓拉格朗日首先發表,使他一舉成名。
  歐拉19歲大學畢業時,在瑞士沒有找到合適的工作。1727年春,在巴塞爾他試圖擔任空缺的教研室主任職務,但沒有成功。這時候,俄國的聖彼得堡科院剛建立不久,正在全國各地招聘科學家,廣泛地搜羅人才。已經應聘在彼得堡工作的丹爾·伯努利深知歐拉的才能,因此,他竭力聘請歐拉去俄羅斯。在這種情況下,歐拉離開了自己的祖國。由於丹尼爾的推薦,1727年,歐拉應邀到聖彼得堡做丹尼爾·伯努利的助手。在聖彼得堡科學院,他順利地獲得了高等數學副教授的職位。1731年,又被委任領導理論物理和實驗物理教研室的工作。1733年,年僅26歲的歐拉接替回瑞士的丹尼爾,成為數學教授及彼得堡科學院數學部的領導人。
  在這期間,歐拉勤奮地工作,發表了大量優秀的數學論文,以及其它方面的論文、著作。
  古典力學的基礎是牛頓奠定的,而歐拉則是其主要建築師。1736年,歐拉出版了《力學,或解析地敘述運動的理論》,在這裏他最早明確地提出質點或粒子的概念,最早研究質點沿任意一麯綫運動時的速度,並在有關速度與加速度問題上應用矢量的概念。
  同時,他創立了分析力學、剛體力學,研究和發展了彈性理論、振動理論以及材料力學。並且他把振動理論應用到音樂的理論中去,1739年,出版了一部音樂理論的著作。1738年,法國科學院設立了回答熱本質問題徵文的奬金,歐拉的《論火》一文獲奬。在這篇文章中,歐拉把熱本質看成是分子的振動。
  歐拉研究問題最鮮明的特點是:他把數學研究之手深入到自然與社會的深層。他不僅是位傑出的數學家,而且也是位理論聯繫實際的巨匠,應用數學大師。他喜歡搞特定的具體問題,而不象現代某些數學家那樣,熱衰於搞一般理論。
  正因為歐拉所研究的問題都是與當時的生産實際、社會需要和軍事需要等緊密相連,所以歐拉的創造才能纔得到了充分發揮,取得了驚人的成就。歐拉在搞科學研究的同時,還把數學應用到實際之中,為俄國政府解决了很多科學難題,為社會作出了重要的貢獻。如菲諾運河的改造方案,宮延排水設施的設計審定,為學校編寫教材,幫助政府測繪地圖;在度量衡委員會工作時,參加研究了各種衡器的準確度。另外,他還為科學院機關刊物寫評論並長期主持委員會工作。他不但為科學院做大量工作,而且擠出時間在大學裏講課,作公開演講,編寫科普文章,為氣象部門提供天文數據,協助建築單位進行設計結構的力學分析。1735年,歐拉着手解决一個天文學難題──計算彗星的軌跡(這個問題需經幾個著名的數學家幾個月的努力才能完成)。由於歐拉使用了自己發明的新方法,衹用了三天的時間。但三天持續不斷的勞累也使歐拉積勞成疾,疾病使年僅28歲的歐拉右眼失明。這樣的災難並沒有使歐拉屈服,他仍然醉心於科學事業,忘我地工作。但由於俄國的統治集團長期的權力之爭,日益影響到了歐拉的工作,使歐拉很苦悶。事也湊巧,普魯士國王腓特烈大帝(Frederick the Great,1740-1786在位)得知歐拉的處境後,便邀請歐拉去柏林。儘管歐拉十分熱愛自己的第二故鄉(在這裏他普工作生活了14年),但為了科學事業,他還是在1741年暫時離開了聖彼得堡科學院,到柏林科學院任職,任數學物理所所長。1759年成為柏林科學院的領導人。在柏林工作期間,他並沒有忘記俄羅斯,他通過書信來指導他在俄羅斯的學生,並把自己的科學著作寄到俄羅斯,對俄羅斯科學事業的發展起了很大作用。
  他在柏林工作期間,將數學成功地應用於其它科學技術領域,寫出了幾百篇論文,他一生中許多重大的成果都是這期間得到的。如:有巨大影響的《無窮小分析引論》、《微分學原理》,既是這期間出版的。此外,他研究了天文學,並與達朗貝爾(I.L.R.D'Alembert,1717.11.16-1783.10.29)、拉格朗日一起成為天體力學的創立者,發表了《行星和彗星的運動理論》、《月球運動理論》、《日蝕的計算》等著作。在歐拉時代還不分什麽純粹數學和應用數學,對他來說,整個物理世界正是他數學方法的用武之地。他研究了流體的運動性質,建立了理想流體運動的基本微分方程,發表了《流體運動原理》和《流體運動的一般原理》等論文,成為流體力學的創始人。他不但把數學應用於自然科學,而且還把某一學科所得到的成果應用於另一學科。比如,他把自己所建立的理想流體運動的基本方程用於人體血液的流動,從而在生物學上添上了他的貢獻,又以流體力學、潮汐理論為基礎,豐富和發展了船舶設計製造及航海理論,出版了《航海科學》一書,並以一篇《論船舶的左右及前後搖晃》的論文,榮獲巴黎科學院奬金。不僅如此,他還為普魯士王國解决了大量社會實際問題。1760年到1762年間,歐拉應親王的邀請為夏洛特公主函授哲學、物理學、宇宙學、神學、化理學、音樂等,這些通信充分體現了歐拉淵博的知識、極高的文學修養、哲學修養。後來這些通信整理成《緻一位德國公主的信》,1768年分三捲出版,世界各國譯本風靡,一時傳為佳話。
  自從1741年歐拉離開彼得堡以後,俄國的政局一直不好,政權幾次更迭,最後落入葉卡捷林娜二世的手中,她吸取了以往的教訓,開始致力於文治武功。她一面與伏爾泰、狄德羅等法國啓蒙學者通信,一面又四方招聘有影響的科學家去彼得堡科學院任職。歐拉自然成了她主要聘請的對象。1766年,年已花甲的歐拉應邀回到彼得堡,這次俄國為他準備了優越的工作條件。
  這時歐拉的科學研究工作已經是碩果纍纍,思想也已經成熟。除了一些專題還需繼續研究外,他希望能在晚年對過去的成就作係統的總結,出版幾部高質量的著作。然而,厄運再次嚮他襲來。由於俄羅斯氣候嚴寒,以及他工作的勞累,歐拉的左眼又失明了,從此歐拉陷入伸手不見五指的黑暗之中。但歐拉是堅強的,他用口授、別人記錄的方法堅持寫作。他先集中精力撰寫了《微積分原理》一書,在這部三捲本巨著中,歐拉係統地闡述了微積分發明以來的所有積分學的成就,其中充滿了歐拉精闢的見解。1768年,《積分學原理》第一捲在聖彼得堡出版。1770年第三捲出版。同年,他又口述寫成《代數學完整引論》,有俄文、德文、法文版,成為歐洲幾代人的教科書,正當歐拉在黑暗中搏鬥時,厄運又一次嚮他襲來。1771年,聖彼得堡一場大火,秧及歐拉的住宅,把歐拉包圍在大火中。在這危急的時刻,是一位僕人冒着生命危險把歐拉從大火中背出來。歐拉雖然幸免於難,可他的藏書及大量的研究成果都化為灰燼。種種磨難,並沒有把歐拉搞垮。大火以後他立即投入到新的創作之中。資料被焚,他又雙目失明,在這種情況下,他完全憑着堅強的意志和驚人的毅力,回憶所作過的研究。歐拉的記憶力也確實罕見,他能夠完整地背誦出幾十年前的筆記內容,數學公式當然更能背誦如流。歐拉總是把推理過程想得很細,然後口授,由他的長子記錄。他用這種方法又發表了論文400多篇以及多部專著,這幾乎占他全部著作的半數以上。1774年,他把自己多年來研究變分問題所取得的成果集中發表一本書《尋求具有某種極大或極小性質的麯綫的技巧》中。從而創立了一個新的分支──變分法。另外,歐拉對天文學中的"三體問題"月球運動及攝運問題進行了研究。後來,他解决了艾薩剋·牛頓沒有解决的月球運動問題,首創了月球繞地球運動地精確理論。為了更好地進行天文觀測,他曾研究了光學,天文望遠鏡和顯微鏡。研究了光通過各種介質的現象和有關的分色效應,提出了復雜的物鏡原理,發表過有關光學儀器的專著,對望遠鏡和顯微鏡的設計計算理論做出過開創性的貢獻,在1771年他又發表了總結性著作《屈光學》。歐拉從19歲開始寫作,直到逝世,留下了浩如煙海的論文、著作,甚至在他死後,他留下的許多手稿還豐富了後47年的聖彼得堡科學院學報。就科研成果方面來說,歐拉是數學史上或者說是自然科學史上首屈一指的。
  作為這樣一位科學巨人,在生活中他並不是一個呆板的人。他性情溫和,性格開朗,也喜歡交際。歐拉結過兩次婚,有13個孩子。他熱愛家庭的生活,常常和孩子們一起做科學遊戲,講故事。
  歐拉旺盛的精力和鑽研精神一直堅持到生命的最後一刻。1783年9月18日下午,歐拉一邊和小孫女逗着玩,一邊思考着計算天王星的軌跡,突然,他從椅子上滑下來,嘴裏輕聲說:“我死了。”一位科學巨匠就這樣停止了生命。
  歷史上,能跟歐拉相比的人的確不多,也有的歷史學家把歐拉和阿基米德、艾薩剋·牛頓、卡爾·弗裏德裏希·高斯列為有史以來貢獻最大的四位數學家,依據是他們都有一個共同點,就是在創建純粹理論的同時,還應用這些數學工具去解决大量天文、物理和力學等方面的實際問題,他們的工作是跨學科的,他們不斷地從實踐中吸取豐富的營養,但又不滿足於具體問題的解决,而是把宇宙看作是一個有機的整體,力圖揭示它的奧秘和內在規律。
  卡爾·弗裏德裏希·高斯說過:"對於歐拉工作的研究,將仍舊是對於數學的不同範圍的最好的學校,並且沒有別的可以替代它"。
  貢獻
  歐拉的結果分散在數學的各個領域裏,幾乎在數學每個領域都可以看見歐拉的名字,以歐拉命名的定理、公式、函數等不計其數,其中有:歐拉公式、歐拉常數、歐拉函數、歐拉定理、歐拉圖論
化學家喬治·安德魯·歐拉
  喬治·安德魯·歐拉(George Andrew Olah),1927年5月22日生於匈牙利首都布達佩斯的一個律師家庭,1949年在布達佩斯工業大學獲博士學位;1957年移居美國進入道氏化學公司工作,1967年在凱斯西部大學任教,1977年進入南加州大學洛剋爾碳氫化合物研究所工作,1991年出任該所主任。
  碳正離子是一種帶正電的極不穩定的碳氫化合物。分析這種物質對發現能廉價製造幾十種當代必需的化工産品是至關重要的。歐拉教授發現了利用超強酸使碳正離子保持穩定的方法,能夠配製高濃度的碳正離子和仔細研究它。他的發現已用於提高煉油的效率、生産無鉛汽油和研製新藥物。
  歐拉教授的主要的研究方向有:親電反應;反應機理;鋅的合成方法;有機金屬化學;反應中間體;穩定的碳正離子;付瑞迪爾-剋拉(Friedel-Crafts Chemistry)佛茲烷基化反應;超強酸化學的等等。他獨自或以第一作者發表論文707篇。其中,穩定的碳正離子係列文章有282篇。
  奬項:諾貝爾化學奬
  獲奬時間:1994年
  獲奬理由:他發現了使碳陽離子保持穩定的方法,在碳正離子化學方面的研究 。
  1994年10月12日,瑞典皇傢科學院宣佈授予美國南加利福尼亞大學有機化學家喬治·安德魯·歐拉(George Andrew Olah)教授1994年度諾貝爾化學奬,表彰他在碳正離子化學研究方面所作的貢獻。
  他從小就接受非常嚴格的中小學訓練,有紮實的基礎知識。歐拉曾對匈牙利的歷史如癡如迷,後來把興趣轉嚮自然科學。在高中畢業後,他進入Techni-cal University of Budapest,在Geza Zemplén教授的指導下從事有機化學方面的學習及研究,於1949年獲理學博士學位,當時年僅22歲。大學幾年的學習與研究,把歐拉與有機化學緊緊地連在一起,從此他正式步入了他的有機化學生涯。由於Zemplén是Emil Fischer的學生,歐拉自稱他自己是Fischer的“徒孫”。
  1956年,歐拉移居加拿大,在Dow Chemical公司任資深化學研究員。1957年遷居美國後,繼續在該公司任職至1964年。歐拉對碳正離子的早期工作正是在這期間完成的。1965至1977年間,歐拉在Case Western大學任教授。從1977年至今,在南加利福尼亞大學(Universi-ty of Southern California)任講座教授,並為該大學的Locker碳氫化合物研究所創建人之一,現任該所所長。
  碳正離子化學是有機化學非常重要的組成部分。早在本世紀初,Norris和Kehrmann分別發現Ph3COH與濃硫酸混合後得到深黃色的産物。儘管人們已發現某些碳正離子的有機染料化合物可以穩定長期存在,但對一般的碳正離子活性中間體卻缺乏較直接的觀測手段。直到1922年,當Hans Meerwein研究莰烯氯化氫加成物(Camphene Hydrochloride)的Wagner重排反應時,發現其反應速率隨溶劑極性的增加而加速。並且Lewis酸能催化加速反應。他認為:異構化反應的機理不是Cl離子的重排而是正離子活性中間體的重排。碳正離子活性中間體的概念就由此産生了。
  20年代末,在英國的Ingold和Hughes對SN1和E1反應機理的研究更進一步闡述了碳正離子活性中間體在有機反應中的意義。
  30年代,在美國的Whitmore對碳正離子進行了一係列的研究後,人們纔開始普遍認為碳正離子是非常不穩定的活性中間體(存在時間非常短),而不可能用實驗手段來直接觀察。40年代和50年代,許多化學家在對碳正離子活性中間體的立體化學、反應動力學和産物分析進行了大量研究後,碳正離子活性中間體的概念纔慢慢地成熟起來,但仍然無法用實驗方法加以觀測。主要原因是碳正離子在一般的有機反應條件下,其存在時間非常短(10至10s)。到60年代初,歐拉和他的同事們找到了能使碳正離子長時間穩定存在的條件並用NMR直接檢測到它的存在,從而毫無疑問地證實了碳正離子的存在。這一發現為後來的碳正離子研究方向和人們對碳氫化合物的反應活性的研究和應用開闢了新的領域。
  1962年,歐拉和他的同事們把(CH3)3CF溶於過量的超強酸介質中(SbF5),然後用HNMR檢測到叔丁基正離子1的存在:(CH3)3C-F+SbF5(CH3)3CSbF6
  由H NMR譜圖可見,産物衹有一個單重峰。反應物叔丁基氟化物在δ1.5ppm的雙重峰(氟與氫之偶合結果,JHF=20Hz)完全消失。並且甲基的質子共振嚮低場移至4.3ppm。顯示強烈的去屏蔽作用。隨後,歐拉進一步用C NMR的方法測得叔碳原子的化學位移為335.2ppm。這比正常叔碳原子的化學位移幾乎嚮低場移動了300ppm。如此低磁場的化學位移碳原子在當時還從未報道過。這等強的去屏蔽效應,顯然是叔碳原子的正電荷以及叔碳原子由sp雜化軌道變為sp雜化軌道所致。這一實驗結果,確定無疑地證明了所觀察到的是叔丁基碳正離子。至此,經過長期而倍經挫折的探索之後,穩定的長壽命碳正離子終於在超強酸介質中被得到了。
  歐拉這一發現使幾乎所有理論有機化學家大吃一驚。他曾回憶起1962年在紐約舉行的第九屆有機反應機理大會,當他報告了以上發現並指出:“許多化學家都難以置信碳正離子能夠在超強酸中長期存在,並能用NMR檢測到。”時,特別是當時在碳正離子研究的權威代表人Saul Winstein和Herbert Brown(1979年諾貝爾化學奬得主)都私下對他說:“你一定是把實驗搞錯了,碳正離子不可能如此簡單地存在於超強酸中。”
  不知是歷史的巧合還是命運的安排,也是在1962年,Herbert Brown正與Saul Winstein展開一場引人註目的爭論。Brown提出他的冰片基(Norbornyl)碳正離子的經典式理論。該理論不同於Winstein在1949年提出的非經典式Norbornyl碳正離子理論。由於歐拉首次用NMR直接觀察到碳正離子和他後來對碳正離子的長期研究,他也就深深地捲入了這場圍繞着Norbornyl碳正離子究竟是以經典式或非經典式存在的爭論中去,並逐漸成為非經典式碳正離子提倡者的代表人物。這場爭論在有機化學史上算是參加人數最多、規模最廣的一次大論戰。
  Winstein在1949年研究2-Norbornyl衍生物的溶劑解反應時發現其反應速率取决於離去基團在exo或endo位置:
  Winstein認為exo-異構體2的溶劑解速率(kexo)比3快的原因是C1—C6σ-鍵的鄰基參與,因而形成非經典的Norbornyl碳正離子而加速其反應:
  絶大多數有機化學家都接受了Winstein的非經典式碳正離子的概念。到1962年,Brown提出了他的不同見解。他認為kexo與kendo的區別並不是像Winstein所說的是由於exo異構體的反應特別快,而是endo異構體由於離去基團的空間位阻而其反應速率特別慢。他的解釋是Norbornyl碳正離子並不是以非經典式存在而是以經典式存在,但處於快速平衡中:
  然而,Winstein和Brown衹是從産物分析及立體化學等間接方法來研究Norbornyl碳正離子活性中間體,卻都無法用實驗方法直接證實。歐拉用三種不同的方法都製備得到了Norbornyl碳正離子,然後用低溫NMR的方法對它的結構進行了詳細研究,為非經典式Norbornyl碳正離子的存在提供了豐富而直接的證據。隨後,歐拉還使用其他圖譜如IR,Raman,ESCA等方法更進一步充分證實了非經典式Norbornyl碳正離子的存在。從而成為非經典式碳正離子提倡者的代表人物。
  歐拉在他的諾貝爾奬演講中風趣地引用George Von Bekessy(1961年諾貝爾醫學奬得主)的話:“在對待錯誤的問題上,一個人應該有幾個朋友,他們會願意花時間檢查你的實驗設計和實驗結果。一個更好的方法是有幾個敵人。因為敵人會不遺餘力地找出你所有大小錯誤所在,而你不用付出任何回報。問題是這樣的敵人並不多,更糟的是這樣的敵人會很快變成你的朋友,因而也減少了對你的幫助。每個人都應該有幾個這樣的好敵人。”
  歐拉對碳正離子的貢獻,不僅在於實驗方面,更重要的是他在1972年提出碳正離子的係統新概念。根據這個新概念,所有碳正離子(carbocation)分為兩類:第一類是三配位碳正離子,中心碳原子為sp雜化軌道稱為carbenium ion,即通常所稱的經典式碳正離子如CH3;第二類為五配位(或更高配位)碳正離子稱為carbonium ion,有人也稱為非經典碳正離子。第二類碳正離子不能用兩電子、兩中心的成鍵理論來解釋,但可以用三中心(或多中心)、兩電子的理論來解釋,其中處於橋鍵位置的碳原子的配位數高於通常的價鍵數如CH。
  以上介紹的僅是歐拉早期在碳正離子方面的基本工作,也是他榮獲1994年度諾貝爾奬的主要原因。此外,歐拉還把超強酸-碳正離子廣泛應用於研究碳氫化合物的新反應,開拓了在超強酸介質中進行許多有機反應的新領域。尤其是烷烴的化學,過去烷烴絶大部分被燒掉(燃料),而在歐拉的超強酸介質中,它可以進行氧化、鹵化、硝化等反應,它們有很好的收率和選擇性,具有很大的實用價值。他對有機反應機理、合成方法、合成試劑等領域都作出了卓越貢獻。歐拉已發表了1000多篇文章,100項專利和15部專著。
  影響
  由於喬治·安德魯·歐拉發現了使碳陽離子保持穩定的方法,在碳正離子化學方面的研究而獲奬。研究範疇屬有機化學,在碳氫化合物方面的成就尤其卓著。早在60年代就發表大量研究報告並享譽國際科學界,是化學領域裏的一位重要人物,他的這項基礎研究成果對煉油技術作出了重大貢獻,這項成果徹底改變了對碳陽離子這種極不穩定的碳氫化合物的研究方式,揭開了人們對陽離子結構認識的新一頁,更為重要的是他的發現可廣泛用於從提高煉油效率,生産無鉛汽油到改善塑料製品質量及研究製造新藥等各個行業,對改善人民生活起着重要作用
英文解釋
  1. n.:  euler
近義詞
歐拉
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