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創(chuàng)立高分子化學(xué)的施陶丁格

Hermann Staudinger 1881一1965

棉、麻、絲、木材、淀粉等都是天然高分子化合物，從某種意義上來說，甚至連人本身也是一個復(fù)雜的高分子體系。在過去漫長的歲月中，人們雖然天天與天然高分子物質(zhì)打交道，對它們的本性卻一無所知。現(xiàn)在我們已認(rèn)識什么是高分子，并建立了頗具規(guī)模的高分子合成工業(yè)，生產(chǎn)出五光十色的塑料、美觀耐用的合成纖維、性能優(yōu)異的合成橡膠，致使高分子合成材料與金屬材料、無機非金屬材料并列構(gòu)成材料世界的三大支柱。面對這一輝煌成就，我們不能不緬懷高分子科學(xué)的奠基人、德國化學(xué)家施陶丁格。

論文發(fā)表的背景

什么是高分子呢？它是由許多結(jié)構(gòu)相同的單體聚合而成的，分子量往往是幾萬、兒十萬。結(jié)構(gòu)的形狀也很特別，如果說普通分子象個小球，那未高分子由于單體彼此連接成長鏈，就象一根有50米長的麻繩。有些高分子長鏈之間又有短鏈相結(jié)而成網(wǎng)狀。又由于大分子與大分子之間存在引力，這些長鏈不但各自卷曲而且相互纏繞，形成了既有一定強度、又有不同程度彈性的固體。固為分子大，長鏈一頭受熱時，另一頭還不熱，故熔化前有個軟化過程，這就使它具有良好的可塑性，正是這種內(nèi)在結(jié)構(gòu)，使它具有包括電絕緣在內(nèi)的許多特性，成為新型的優(yōu)質(zhì)材料。人們對它們的組成、結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和合成方法的掌握經(jīng)歷了一個實踐??認(rèn)識??實踐的曲折過程。

1812年，化學(xué)家在用酸水解木屑、樹皮、淀粉等植物的實驗中得到了葡萄糖，證明淀粉、纖維素都由葡萄糖組成。1826年，法拉第通過元素分析發(fā)現(xiàn)橡膠的單體分子是C5H8，后來人們測出C5H8的結(jié)構(gòu)是異戊二烯。就這樣，人們逐步了解了構(gòu)成某些天然高分子化合物的單體。

1839年，有個名叫古德意爾的美國人，偶然發(fā)現(xiàn)天然橡膠與硫磺共熱后明顯地改變了性能，使它從硬度較低、遇熱發(fā)粘軟化、遇冷發(fā)脆斷裂的不實用的性質(zhì)，變?yōu)楦挥袕椥浴⒖伤苄缘牟牧�。這一發(fā)現(xiàn)的推廣應(yīng)用促進(jìn)了天然橡膠工業(yè)的建立。天然橡膠這一處理方法，在化學(xué)上叫作高分子的化學(xué)改性，在工業(yè)上叫作天然橡膠的硫化處理。

進(jìn)一步試驗，化學(xué)家們將纖維素進(jìn)行化學(xué)改性獲得了第一種人造塑料??賽璐珞和人造絲。1889年法國建成了最早的人造絲工廠，1900年英國建成了以木漿為原料的粘膠纖維工廠，天然高分子的化學(xué)改性，大大開闊了人們的視野。1907年，美國化學(xué)家在研究苯酚和甲醛的反應(yīng)中制得了最早的合成塑料??酚醛樹脂，俗名電木。1909年德國化學(xué)家以熱引發(fā)聚合異戊二烯獲得成功。在這一實驗啟發(fā)下，德國化學(xué)家采用與異戊二烯結(jié)構(gòu)相近的二甲基丁二烯為原料，在金屬鈉的催化下，合成了甲基橡膠，開創(chuàng)了合成橡膠的工業(yè)生產(chǎn)。

上述對高分子化合物的單體分析，天然高分子的化學(xué)改住的實踐和在合成塑料、合成橡膠方面的探索，使人們深切地感到必須弄清高分子化合物的組成、結(jié)構(gòu)及合成方法。對于這個基礎(chǔ)理論問題人們所知甚少，這一理論發(fā)展的緩慢與高分子本身的復(fù)雜特性有關(guān)�；瘜W(xué)家們一直搞不清它們的分子量究竟是多少，它為什么難于透過半透膜而有點象膠體，它為什么沒有固定的熔點和沸點，不易形成結(jié)晶？這些獨特的性質(zhì)以當(dāng)時流行的化學(xué)觀來看是很難理解的。

早在1861年，膠體化學(xué)的奠基人，英國化學(xué)家格雷阿姆曾將高分子與膠體進(jìn)行比較，認(rèn)為高分于是由一些小的結(jié)晶分子所形成。并從高分子溶液具有膠體性質(zhì)著眼，提出了高分子的膠體理論。這理論在一定程度上解釋了某些高分子的特性，得到許多化學(xué)家的支持。盡管也有化學(xué)家提出了不同看法，但均未引起注意。我們將支持格雷阿姆的高分子膠體理論的稱為膠體論者。他們拿膠體化學(xué)的理論來套高分子物質(zhì)，認(rèn)為纖維素是葡萄糖的締合體。所謂締合即小分子的物理集合。他們還因當(dāng)時無法測出高分子的末端究甲醛和丙二烯的聚合反應(yīng)出發(fā)，認(rèn)為聚合不同于締合，它是分子靠正常的化學(xué)鍵結(jié)合起來。天然橡膠應(yīng)該具有線性直鏈的價鍵結(jié)構(gòu)式。這篇論文的發(fā)表；就象在一潭平靜的湖水中扔進(jìn)一塊石頭，引起了一場激烈的論戰(zhàn)。

一場激烈而又嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)爭論

1922年，施陶丁格進(jìn)而提出了高分子是由長鏈大分子構(gòu)成的觀點，動搖了傳統(tǒng)的膠體理論的基礎(chǔ)。膠體論者堅持認(rèn)為，天然橡膠是通過部分價鍵締合起來的，這種締合歸結(jié)于異戊二烯的不飽和狀態(tài)。他們自信地預(yù)言：橡膠加氫將會破壞這種締合，得到的產(chǎn)物將是一種低沸點的低分子烷烴，針列這一點，施陶丁格研究了天然橡膠的加氫過程，結(jié)果得到的是加氫橡膠而不是低分子烷烴，而且加氫橡膠在性質(zhì)上與天然橡膠幾乎沒有什么區(qū)別。結(jié)論增強了他關(guān)于天然橡膠是由長鏈大分子構(gòu)成的信念。隨后他又將研究成果推廣到多聚甲醛和聚苯乙烯，指出它們的結(jié)構(gòu)同樣是由共價鍵結(jié)合形成的長鏈大分子。

施陶丁格的觀點繼續(xù)遭到膠體論者的激烈反對，有的學(xué)者曾勸告說：“離開大分子這個概念吧！根本不可能有大分子那樣的東西”但是施陶丁格沒有退卻；他更認(rèn)真地開展有關(guān)課題的深入研究，堅信自己的理論是正確的。為此他先后在1924年及1926年召開的德國博物學(xué)及醫(yī)學(xué)會議上， 1925年召開的德國化學(xué)會的會議上詳細(xì)地介紹了自己的大分子理論，與膠體論者展開了面對面的辯論。

辯論主要圍繞著兩個問題：一是施陶了格認(rèn)為測定高分子溶液的粘度可以換算出其分子量，分子量的多少就可以確定它是大分子還是小分子。膠體論者則認(rèn)為粘度和分子量沒有直接的聯(lián)系，當(dāng)時由于缺乏必要的實驗證明，施陶丁格顯得較被動，處于劣勢。施陶丁格沒有卻步，而是通過反復(fù)的研究，終于在粘度和分子量之間建立了定量關(guān)系式，這就是著名的施陶了格方程。辯論的另一個問題是高分子結(jié)構(gòu)中晶胞與其分子的關(guān)系。雙方都使用X射線衍射法來觀測纖維素，都發(fā)現(xiàn)單體（小分子）與晶胞大小很接近。對此雙方的看法截然不同。膠體論者認(rèn)為一個晶胞就是一個分子，晶胞通過晶格力相互締合，形成高分子。施陶丁格認(rèn)為晶胞大小與高分子本身大小無關(guān)，一個高分子可以穿過許多晶胞。對同一實驗事實有不同解釋，可見正確的解釋與正確的實驗同佯是重要的。

科學(xué)的裁判是實驗事實。正當(dāng)雙方觀點爭執(zhí)不下時， 1926年瑞典化學(xué)家斯維德貝格等人設(shè)計出一種超離心機，用它測量出蛋白質(zhì)的分子量：證明高分子的分子量的確是從幾萬到幾百萬。這一事實成為大分子理論的直接證據(jù)。

事實上，參加這場論戰(zhàn)的科學(xué)家都是嚴(yán)肅認(rèn)真和熱烈友好的，他們?yōu)榱俗非罂茖W(xué)的真理，都投入了填密的實驗研究，都尊重客觀的實驗事實。當(dāng)許多實驗逐漸證明施陶丁格的理論更符合事實時，支持施陶了格的隊伍也隨之壯大，到1926年的化學(xué)會上除一人持保留態(tài)度外，大分子的概念已得到與會者的一致公認(rèn)。

在大分子理論被接受的過程中，最使人感動的是原先大分子理論的兩位主要反對者，晶胞學(xué)說的權(quán)威馬克和邁那在1928年公開地承認(rèn)了自己的錯誤，同時高度評價了施陶了格的出色工作和堅韌不拔的精神，并且還具體地幫助施陶丁格完善和發(fā)展了大分子理論。這就是真正的科學(xué)精神。

1932年，施陶丁格總結(jié)了自己的大分子理論，出版了劃時代的巨著《高分子有機化臺物》成為高分子科學(xué)誕生的標(biāo)志。認(rèn)清了高分子的面目，合成高分子的研究就有了明確的方向，從此新的高分子被大量合成，高分子合成工業(yè)獲得了迅速的發(fā)展。為了表彰施陶丁格在建立高分子科學(xué)上的偉大貢獻(xiàn)， 1953年他被授予諾貝爾化學(xué)獎。

倡導(dǎo)分子主物學(xué)的建立

1881年3月23日，海爾曼?施陶丁格出生在德國的弗爾姆斯。他父親是新康德派的哲學(xué)家，所以他從小就受到各種新的哲學(xué)思想的熏陶，對新事物比較敏銳，在科學(xué)推理、思維中，能夠不受傳統(tǒng)觀念的束縛，善于從復(fù)雜的事物中，理出頭緒，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵之處。提出新的觀點。在中學(xué)時，他曾對植物學(xué)發(fā)生濃厚的興趣，所以中學(xué)畢業(yè)后，他考入哈勒大學(xué)學(xué)習(xí)植物學(xué)。這時有一位對科學(xué)發(fā)展頗有見地的朋友向他父母進(jìn)言，最好先讓施陶了格打下雄厚的化學(xué)基礎(chǔ)后，再讓他進(jìn)入植物學(xué)的領(lǐng)域。這一中肯的建議被采納了，借他父親轉(zhuǎn)到達(dá)姆一所大學(xué)任教的機會，施陶丁格也來到該城的工業(yè)大學(xué)改讀化學(xué)。從此施陶丁格與化學(xué)給下不解之緣。1903年，他完成了關(guān)于不飽和化合物丙二酸酯的畢業(yè)論文，從大學(xué)畢業(yè)。接著又來到施特拉斯堡，拜著名的有機化學(xué)家梯爾為師繼續(xù)深造。1907年，以他在實驗中發(fā)現(xiàn)的高活性烯酮為題完成了博士論文，獲得了博士學(xué)位。同年他被聘為卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)的副教授。5年后他被楚利希聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)聘任為化學(xué)教授。在這里他執(zhí)教了14年，這期間的教學(xué)和研究使他熟悉了化學(xué)，特別是有機化學(xué)的各個領(lǐng)域和一些新的理論，為他順利開展科學(xué)研究奠定了扎實的基礎(chǔ)。也在這期間，他投入了上述關(guān)于高分子組成、結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)論戰(zhàn)。1926年，他為了有更充裕的時間，進(jìn)行更多的實驗來驗證他的大分子理論，他應(yīng)聘來到布萊斯高的符來堡專心從事科學(xué)研究。在符來堡他度過了他的后半生，許多重要的科研成果都是在這里完成的。

施陶丁格在高分子科學(xué)研究中取得成功之后，他開始按照早年的設(shè)想，將研究的重點逐步轉(zhuǎn)入植物學(xué)領(lǐng)域。事實上，他選擇高分子課題時，就曾考慮到它與植物學(xué)的密切關(guān)系。在1926年他就預(yù)言大分子化合物在有生命的有機體中，特別是蛋白質(zhì)之類化合物中起重要的作用。他順理成章地將大分子的概念引人生物化學(xué)人和他的妻子、植物生理學(xué)家瑪格達(dá)?福特合作研究大分子與植物生理。

要證明大分子同樣存在于動、植物等有生命的生物體內(nèi)，他們認(rèn)為最好能找到除了粘度法之外的其它方法，證明大分子的存在和存在的形式。經(jīng)過兩年多的努力，他們利用電子顯微鏡等現(xiàn)代實驗觀測手段，終于用事實證明了生物體內(nèi)存在著大分子�？上У氖沁@一項有重要意義的工作，圇希特勒法西斯的上臺和第二次世界大戰(zhàn)而被迫中斷，施陶丁格所在的研究所毀于戰(zhàn)火。第二次世界大戰(zhàn)一結(jié)束，施陶丁格立即總結(jié)了他前一段關(guān)于生物有機物中大分子的研究。1947年出版了著作《大分子化學(xué)及生物學(xué)》。在這一著作中，它嘗試地描繪了分子生物學(xué)的概貌，為分子生物學(xué)這一前沿學(xué)科的建立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。為了配合高分子科學(xué)的發(fā)展， 1947年起他主持編輯了《高分子化學(xué)》這一專業(yè)雜志。他晚年的興趣主要在分子生物學(xué)的研究，由于年事已高，成旱不多，但是培養(yǎng)了許多高分子研究方面的人才，1965年9月8日，施陶丁格安然去世，享年84歲。

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