創(chuàng)立高分子化學的施陶丁格

　　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的奠基人、德國化學家施陶丁格。

　　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)的認識和合成方法的掌握經(jīng)歷了一個實踐——認識——實踐的曲折過程。

　　1812年，化學家在用酸水解木屑、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)的推廣應用促進了天然橡膠工業(yè)的建立。天然橡膠這一處理方法，在化學上叫作高分子的化學改性，在工業(yè)上叫作天然橡膠的硫化處理。

　　進一步試驗，化學家們將纖維素進行化學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，天然高分子的化學改性，大大開闊了人們的視野。1907年，美國化學家在研究苯酚和甲醛的反應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雜特性有關(guān)�；瘜W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)以當時流行的化學觀來看是很難理解的。

　　早在1861年，膠體化學的奠基人，英國化學家格雷阿姆曾將高分子與膠體進行比較，認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，得到許多化學家的支持。盡管也有化學家提出了不同看法，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。他們拿膠體化學的理論來套高分子物質(zhì)，認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。他們還因當時無法測出高分子的末端究甲醛和丙二烯的聚合反應出發(fā)，認為聚合不同于締合，它是分子靠正常的化學鍵結(jié)合起來。天然橡膠應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一塊石頭，引起了一場激烈的論戰(zhàn)。

　　一場激烈而又嚴肅的學術(shù)爭論

　　1922年，施陶丁格進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及醫(yī)學會議上， 1925年召開的德國化學會的會議上詳細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。膠體論者則認為粘度和分子量沒有直接的聯(lián)系，當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。

　　科學的裁判是實驗事實。正當雙方觀點爭執(zhí)不下時， 1926年瑞典化學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)的科學家都是嚴肅認真和熱烈友好的，他們?yōu)榱俗非罂茖W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。

　　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，晶胞學說的權(quán)威馬克和邁那在1928年公開地承認了自己的錯誤，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》成為高分子科學誕生的標志。認清了高分子的面目，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上的偉大貢獻， 1953年他被授予諾貝爾化學獎。

　　倡導分子主物學的建立

　　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家，所以他從小就受到各種新的哲學思想的熏陶，對新事物比較敏銳，在科學推理、思維中，能夠不受傳統(tǒng)觀念的束縛，善于從復雜的事物中，理出頭緒，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵之處。提出新的觀點。在中學時，他曾對植物學發(fā)生濃厚的興趣，所以中學畢業(yè)后，他考入哈勒大學學習植物學。這時有一位對科學發(fā)展頗有見地的朋友向他父母進言，最好先讓施陶了格打下雄厚的化學基礎(chǔ)后，再讓他進入植物學的領(lǐng)域。這一中肯的建議被采納了，借他父親轉(zhuǎn)到達姆一所大學任教的機會，施陶丁格也來到該城的工業(yè)大學改讀化學。從此施陶丁格與化學給下不解之緣。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，從大學畢業(yè)。接著又來到施特拉斯堡，拜著名的有機化學家梯爾為師繼續(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，獲得了博士學位。同年他被聘為卡爾斯魯厄工業(yè)大學的副教授。5年后他被楚利希聯(lián)邦工業(yè)大學聘任為化學教授。在這里他執(zhí)教了14年，這期間的教學和研究使他熟悉了化學，特別是有機化學的各個領(lǐng)域和一些新的理論，為他順利開展科學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)的學術(shù)論戰(zhàn)。1926年，他為了有更充裕的時間，進行更多的實驗來驗證他的大分子理論，他應聘來到布萊斯高的符來堡專心從事科學研究。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的密切關(guān)系。在1926年他就預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人和他的妻子、植物生理學家瑪格達·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《大分子化學及生物學》。在這一著作中，它嘗試地描繪了分子生物學的概貌，為分子生物學這一前沿學科的建立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。為了配合高分子科學的發(fā)展， 1947年起他主持編輯了《高分子化學》這一專業(yè)雜志。他晚年的興趣主要在分子生物學的研究，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。