一扇闸门被打开了,化学家们突然间发现了一个崭新的研究领域——人工合成生物体中的有机化合物,甚至还有更重要的,合成与动植物体内化合物相似但自然界不存在的其他化合物。
有机化学的早期工作大部分关注的是几乎没有实用性的问题,化学家对存在于生物体内或与之相近化合物的人工合成十分着迷。然而在不久后,有机化学家开始意识到他们的工作可能对工业以及人们的日常生活产生影响。
这一研究的经典事例是英国化学家威廉·亨利·博金爵士(Sir William Henrly Perkin,1838—1907)发现了一种染料(即现在人们熟知的马尾紫)的制作方法。1856年,18岁的博金师从当时位于伦敦的英国皇家化学学院院长——伟大的德国化学家霍夫曼(August Wilhelm von Hoffmann,1818—1892)。十多年来,霍夫曼一直潜心研究煤焦油在新型化学物质生产中的作用。19世纪初期,煤气照明工业的发展产生出大量的副产品——煤焦油,此后煤焦油便成为一种充足、廉价的原材料。
霍夫曼建议学生们进行从煤焦油中提炼奎宁的可行性研究。奎宁是一种治疗疟疾的珍贵药物。博金接受了这项任务,他试图把烯丙基甲苯胺和苯胺(煤焦油的衍生物)转化成奎宁,但没有成功,不过他注意到,在做苯胺实验时,反应烧瓶的瓶底残留着一层丑陋的黑色沉淀物。出于对这些残渣的好奇,博金向瓶内添加了乙醇(普通酒精),当沉淀物在酒精中溶解的时候,生成了一种美丽的深紫色溶液。
这种颜色如此特别,博金想到是否可以把这种物质当做染料。1856年,博金将这种化学物质的样本送到位于珀斯的普勒斯染料公司,公司认为这种染料似乎具有较大的商业潜力。博金马上为其申请了专利,这一染料随即便在英国尤其是法国等地流行开来。实际上,是法国人为这种染料取了它现在的名字“马尾紫”(法语词,是一种与之颜色相近、名为茜素的天然染料的原材料)。由于马尾紫在商业领域取得了巨大的成功,因此人们把19世纪90年代称为“紫红色十年”。
博金的发现之所以重要,不仅仅是因为他找到了一种非常有用的新型染料。首先,博金(在其父亲的协作下)开办了一家化工厂,大规模生产马尾紫这种染料。他们的生意非常成功,因此年轻的博金在1874年刚刚35岁的时候就可以不用打理工厂的业务,全身心地投入到自己感兴趣的化学课题的研究工作中。其次,博金的成果激发了英国以及欧洲大陆许多化学家的研究热情,促使他们去寻求更多具备潜在利益的合成染料。之后的lO年中,很多染料被人们发现、申请专利并投入生产。例如,1859年,法国化学家伊曼纽尔(Emantlel Verguin,1814—1864)发现了一种含有三苯甲烷化合物的染料,并将其命名为马真塔(源于意大利北部一个城镇的名字,拿破仑三世当时刚刚在那里取得了战役的巨大胜利),即我们今天熟知的品红。10年间,其他合成染料,如苯胺黑、俾斯麦棕、茜素、靛青、亚甲蓝、亚甲绿、刚果红和报春花灵黄等也都被陆续发现,其中有些染料仅在发现数月内便投入了生产。
这些发现的重要性不仅在于某一新化合物的问世,而更是在于这些新的化合物改变了染料工业的本质。自人类文明产生以来,人们一直依赖天然物质(动植物)作为衣物和其他织物的染料。随着“紫红色十年”的到来,合成染料迅速以低廉的价格占领了市场。
“紫红色十年”里诞生了有机化学的另一分支——聚合物化学,这一研究领域对新材料的发展产生了巨大的影响。聚合物化学主要研究大型分子,这些分子中包含有成百上千的重复单位——单体。如今,最为常用的一种聚合物也许是塑胶。
第一个真正意义上人工合成的聚合物可能是在1865年由英国发明家亚历山大·帕克斯(Alexander Parkes,1813—1890)制造出的一种材料。帕克斯让纤维素(一种天然聚合物)与硝酸产生反应,然后将反应物(硝酸纤维素)溶解在酒精、樟脑和蓖麻油的混合液中,帕克斯将反应物称为“帕克斯恩”或“赛璐珞”。虽然这种材料具有很多优点(例如在一定温度时,易于塑形),但因其价格昂贵,因而并没有获得商业上的成功,或许更重要的原因是人们对这种材料的使用方法不大了解。
10多年后,美国发明家约翰·韦斯利·海厄特(John Wesley Hyatt,1837—1920)重新发现了帕克斯的这一发明。当时,海厄特正试图赢取台球制造商菲兰克伦德公司提供的1万美元奖金。以前的台球都是由天然象牙制成的,然而,由于人们对非洲象群的迫害,象牙越来越不容易获得。当时,菲兰克伦德公司正在寻找一种廉价的替代品。当海厄特找到(与帕克斯的方法几乎完全相同)将硝化赛璐珞在酒精、乙醚和樟脑的混合物中溶解的方法时,便得到了象牙的替代品,并将这种物质命名为“赛璐珞”。虽然他没得到那1万美元奖金,但是后来为此以及其他发明获得了由化学工业学会授予的博金斯奖章。
不过,一些历史学家对此却持有否定态度,他们认为第一项真正意义上合成聚合物的发明者应该是美籍比利时化学家贝克兰德(Leo Hendrik Baekeland,1863—1944)。他们指出,帕克斯和海厄特发明的“帕克斯恩”或“赛璐珞”源于一种名为“纤维素”的天然物质。因此认为这种聚合物并不完全属于人工合成,而贝克兰德的产品则恰恰相反。
1900年,贝克兰德开始研究寻找一种虫漆的替代品。虫漆是昆虫分泌出的一种光亮、黏稠的液体,广泛用作坚固的透明涂层。在一次实验中,贝克兰德将两种有机化合物——苯酚(C6H5OH)和甲醛(CH2O)进行反应,结果生成了一种浓重的黏性物质,而且找不到相应的溶剂。如果没有溶剂可以将其溶解,这种坚硬、结实的高密度材料显然无法替代虫漆。贝克兰德把这种材料命名为贝克莱特,即酚醛塑料,他认为这种不易溶解的特性日后可能会派上其他用场。到1909年,贝克兰德已经找到了一种生产苯酚一甲醛材料的方法,并将其塑造成理想的形状,当成品冷却凝固后,可以保持形状,并且能够防水以及抵御其他大部分化学物质的腐蚀。同时,它还是一种绝缘材料。这种材料成了制造众多产品的理想原料,从收音机盒体到高压电线上的绝缘帽。贝克兰德开设了自己的公司——大众贝克莱特公司,由于第一次世界大战的战事需要,该公司迅速获得了巨大的成功。
P6-8