化学札记 [复制链接]

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标 题: 化学札记(5)——从十三步到一步
发信站: BBS 水木清华站 (Tue Jul 2 13:30:03 2002)

　　回想有机化学还笼罩在生命力说阴影下的时候，人们对于有机化
合物的结构一无所知。与此对照的是许多无机化合物的结构已经得到
了很好的阐发。无怪乎有人说有机化学是一片繁密的热带丛林。好在
我们生活的这个年代，有机化学早已不再是丛林，而是井然有序的大
都市了。

　　有机化学的一个重要应用是有机合成。回首有机合成的历史，大
致可以了解整个有机化学发展的艰辛历程。人们把具有偶数碳的拥有
最多数目共轭双键的环烃叫做轮烯(annulene)，苯就是轮烯里面最早
发现的一个。含八个碳原子的轮烯又叫环辛四烯，写在纸上是一个对
称性很高的漂亮分子。可是为了得到这个“漂亮”的化合物，1911
年，德国著名的有机合成大师理查德·威尔施泰特整整用了十三步反
应，才从一种叫假石榴皮碱的极为难得的生物碱开始合成了它。假石
榴皮碱拥有一个饱和的八元碳环，这种结构的生物碱是很少见的，这
大概就是它被选中合成环辛四烯的原因。威尔施泰特先是把假石榴皮
碱中的酮基还原为醇，消去，得到第一个双键；接着他用很巧妙的方
法，把分子中的氮除掉，同时又形成了两个双键；最后，通过共轭加
成再消去的方法，第四个双键也形成了。在有机合成理论还不是很成
形的时候，威尔施泰特完成的这个优异的合成堪称杰作。不过这只是
他的“副业”，1915年，威氏因为对天然色素特别是叶绿素的研究获
得了诺贝尔化学奖。

　　可是，仅仅不到三十年之后，威氏的同胞、另一位德国化学家沃
尔特·雷普让乙炔在150个大气压下，用氰化镍催化聚合，一步就合
成出了环辛四烯，产率高达70%．从十三步到一步，就只走了这么短
短的三十年。今天我们拿到用雷普的方法合成的环辛四烯时，不要忘
记威尔施泰特的工作。有机合成的接力棒就是在这些先驱者手中一棒
又一棒地继承下来的。

　　顺便提及的是，威尔斯泰特是犹太人。二战开始前，为了避免遭
到纳粹的迫害，他不得不从德国移民瑞士，并在这片静土周围正炮火
纷飞的时候离开了人世。当时的德国学者中，像威尔斯泰特这样背井
离乡的不乏其人，如爱因斯坦、奥本海默等；另一部分人选择留下
来，为帝国工作。雷普正是在二战炮火最猛烈的时候，在柏林的实验
室完成了环辛四烯的合成。可是科学是无国界的，由雷普开创的一整
类叫做“雷普合成”的反应，如今已经在全世界被广泛应用。真正的
科学，是没有政治污染的。

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标 题: 化学札记(4)——立体化学初期的悲壮
发信站: BBS 水木清华站 (Tue Jul 2 13:29:05 2002)

　　这世界是三维的，可是我们看到的图像不过是二维的——尽管我
们的大脑可以自动将这张二维的图画转化为三维的情景。所以，立体
化学的创造人们是伟大的，因为他们能够从二维的习惯性的简单思维
脱离出来，在脑子里设象立体的东西。这种创造，我以为不亚于相对
论的提出。而据说相对论的创始人爱因斯坦闭上眼睛，眼前就浮现出
许多立体的图形——看来天才科学家在立体感强这一点上是相通的。

　　1874年，荷兰的范·霍夫和法国的勒贝尔，一个22岁，一个27
岁，分别提出了碳原子的四面体构型学说。这就是立体化学的滥觞。
今天在我们看来最平常不过的立体化学知识，在那时都是振聋发聩
的。结果，范·霍夫和勒贝尔遭到了德国权威化学家柯尔伯的近乎人
身攻击的责难。所幸的是，暗地里支持和理解他们的人有不少，十几
年后，他们的学说就得到了广泛的承认。可是范·霍夫也因为受到这
种无理指责而心灰意冷，放弃了立体化学研究，改而从事物理化学的
研究工作，取得了重大的成果。第一个诺贝尔物理学奖给了发现X射
线的德国人伦琴，第一个诺贝尔化学奖就给了范·霍夫。

　　1890年，同样年轻的28岁德国学者赫尔曼·萨克斯不满于当时流
行的拜尔张力学说，提出了环己烷的非平面环构象学说。萨克斯就不
像范·霍夫和勒贝尔那么幸运了。这回，作为前辈的拜尔还是比较和
气的，起码没有人身攻击；问题出在萨克斯自己身上。他的表述能力
太差，无法用语言简单而准确地表述自己的意思，只好诉诸繁复的数
学运算。他的两篇论文，一篇长达41页，一篇长达34页，充满了枯燥
的数学公式。阅读这样的论文并想要理解作者的意思，对当时的有机
化学家来说不啻是一种灾难。而萨克斯也不幸地在1893年31岁的时候
去世。他的学说在他死后25年，才由同胞莫尔重新提出，很快得到了
广泛的认同。

　　范·霍夫和萨克斯，一样年轻，一个成功，一个失败。但他们的
名字都会被永远记住，因为他们是立体化学的奠基人。

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标 题: 化学札记(3)——在权威的阴影下
发信站: BBS 水木清华站 (Tue Jul 2 13:28:13 2002)

　　科学史上权威压制新人的事情太多了。法国的天文学家里奇因为
和当时的巴黎天文台台长卡西尼一起测量了火星视差，有了点名声，
就被嫉妒心甚强的卡西尼贬到一所边远的大学教书，郁郁而终。巴基
斯坦的天体物理学家钱德拉塞卡和英国著名天文学家爱丁顿本来交情
尚可，结果因为爱丁顿不承认他的白矮星坍缩极限，当众让年轻的钱
德拉塞卡出了丑，结果使钱氏不得不离开英国，到美国去发展。

　　在化学史上，这样的事情也是层出不穷。天才的法国化学家罗朗
提出了核团学说，结果遭到他的老师杜马的无理责难。法国人似乎善
于摆弄权术，因为罗朗的下场也是被赶到边远的大学教书，郁郁而
终，重蹈了里奇的覆辙。不只是杜马，贝采里乌斯、李比希和戴维这
些人，在年轻的时候做出了重大贡献，到有了点地位之后，都摇身一
变成为顽固而可怕的权威，阻碍着科学的发展。

　　这里面，瑞典的贝采里乌斯是个典型。他最大的贡献是发明了元
素符号和现代分子式，此外还发现了硒、锆等新元素。可他同时又提
出两大错误学说“电化二元论”和“生命力论”。如果说电化二元论
还有一定的合理性，生命力论可就是彻头彻尾地错了。可惜当时好多
人都深信不疑，除了因为他们自身科学精神的缺乏外，还因为贝氏的
权威的压制。有机化学在这两大错误学说的阴影之下，发展被放慢了
至少五年。

　　现在的情况似乎是反过来，科学家们改而迷信新发现了。六七十
年代的“聚水”，轰动一时，还有文章登在Science上，结果证明是
伪科学；1989年的常温核聚变，轰动一时，结果证明是实验失误。在
中国，各种无聊的新发现和形形色色的民间科学家更是数不胜数。

　　我们似乎都应该好好想一想什么是真正的科学精神。

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标 题: 化学札记(2)——人类吃草的年代
发信站: BBS 水木清华站 (Tue Jul 2 13:27:15 2002)

　　记得中学历史书上讲李自成起义前陕北大旱的惨状：“农民们没
有粮食吃，就吃树皮草根；树皮草根吃完了，就吃观音土。”如果人
类能够消化纤维素，许多饥荒也许就不再产生，人类的历史，也许就
是另一种模样了。

　　化学家手里的滤纸几乎是纯净的纤维素——这么说也许还不准
确，因为定性滤纸还允许含有少量灰分，更纯净的是定量滤纸，灼烧
之后了无痕迹。在市场上可以买到的淀粉，也几乎是纯净的。比较一
下这两者，我们会发现它们的性状如此不同。一个不能吃，一个能
吃；一个不溶于水，一个在水中形成胶体。其实如果用盐酸彻底水解
纤维素和淀粉，你都将只能得到一种东西——葡萄糖。它们的区别只
在于葡萄糖彼此的联接方式不同。纤维素是清一色的β-糖苷，直链淀
粉却几乎都是α-糖苷。

　　好比同样是碳，金刚石被当成宝石，石墨却只能用来做铅笔和核
反应堆的减速剂。我们体内仅有的α-糖苷水解酶决定了我们只能吃
大米，不能吃树皮草根，更不能吃观音土。食草动物比我们幸运，它
们体内有β-糖苷水解酶，所以它们可以悠然地吃草，反刍，消化。

　　假如有一天，人类的基因被改造得使我们的肠道中同时有了两种
糖苷的水解酶，这世界将会怎样？