阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第4部分
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法国化学家萨巴蒂埃，他（与桑德仑一起）发现，利用细镍粉能够使
第十一章 分 子
第十一章 分 子
碳链在双键处增加氢原子。这种方法就是萨巴蒂埃
…桑德仑反应。
1928年，德国化学家狄尔斯和阿尔德发现了一种方法，能够
使碳链的两端与另一碳链的双键的两端相连，形成一个原子环。
这就是狄尔斯
…阿尔德反应。由于这一发现，他们共同获得了
1950年的诺贝尔化学奖。
换句话说，通过记录物质的结构式在各种化学药品和不同条
件的影响下发生的变化，有机化学家们制定出一套日渐增多的程
序，告诉人们如何按自己的愿望把一种化合物转变为另一种化合
物。这并非易事，因为每一种化合物和每一个变化都有自己的特
点和难点。不过，主要道路已经畅通，而且熟练的有机化学家们还
为自己找到了前进的明显标志，而这原先似乎是一个难以穿越的
迷宫。
有关某些特定原子团的行为方式方面的知识，还可用来探索
未知化合物的结构。例如，简单的乙醇与金属钠发生反应时会释
放出氢。但是，释放的仅仅是与氧原子相连的氢，而不是与碳原子
相连的氢。另外，有些有机化合物在适当的条件下会与氢原子结
合，而有些有机化合物则不能。原来，凡能结合氢原子的化合物一
般都具有双键或三键，并以这些键来结合氢原子。由于有了这类
知识，从而产生了一套全新的有机化合物的化学分析方法；这些方
法能够测定原子团的性质，而不仅仅是各类原子的数目和类型。
加入钠而释放出氢，这说明该化合物中存在与氧结合的氢原子；接
收氢则意味着存在双键或三键。如果分子过于复杂，难以进行整
体分析，就用各种不同的方法把它分解成若干较简单的部分，这样
就能分析出各部分的结构，由此再推导出原分子的结构。
以结构式作为手段和指南，化学家们就能够研究出某些有用
的天然有机化合物的结构（分析），然后再在实验室中制造出同样
的或类似的产品（合成）。其中的一个结果是，人们能在实验室中
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大量而廉价地制造出某些自然界中稀有的、昂贵的或难以获得的
产品，或者制造出某些比类似的天然产品能更好地满足需要的产
品，如煤焦油染料。
有一个令人震惊的例子，即人们曾有意识地改变了可卡因的
性质。可卡因是在古柯树（一种原来生长在玻利维亚和秘鲁而现
在主要生长在爪哇的植物）叶子中发现的。同前面提到的马钱子
碱、吗啡和奎宁等化合物一样，可卡因也是一种生物碱，即一种含
氮的植物产物。少量的生物碱即能在生理上对人产生强烈的影
响，视剂量大小，它既可以治病，也可以致人于死命。苏格拉底
①
被毒芹中所含的一种生物碱——毒芹碱——毒死，是历史上生物
碱中毒致死的最著名的例子。
某些生物碱的分子结构是极其复杂的，不过，这正好激发了人
们的好奇心。英国化学家鲁宾森对生物碱进行了系统的研究。他
于
1925年研究出了吗啡的结构（仅有
1个原子未完全确定），于
1946年研究出了马钱子碱的结构。由于人们认识到了他工作的
价值，他获得了
1947年的诺贝尔化学奖。
不过，鲁宾森只是研究出了这些生物碱的结构，而并没有将其
作为指南来合成这些物质。美国化学家
R。 B。伍德沃德却考虑到
了这一点。R。 B。伍德沃德与他的美国同事多林于
1944年共同完
成了奎宁的合成。珀金一直追求而未得到的这一特定化合物终于
获得了惊人的成果。如果你感兴趣的话，则奎宁的结构式如下：
①古希腊三大哲人中的第一位。公元前
399年他被指控为“腐蚀青年”和“藐视
城邦崇拜的神和从事新奇的宗教活动”而被判处死刑，随后便服毒芹汁液而死。
——译注
第十一章 分 子
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OH
CH3
CH CHN CH2
O
CH
C
CH2
C
C
CH
CH2
CH
C
CH
CH
N
CH2 CH CH CH CH2
难怪这个结构会使珀金陷入困境。
R。 B。伍德沃德和多林之
所以解决了这个难题，并不仅仅是靠他们的聪明才智，而且还在于
他们熟练地掌握了泡令等人所建立的有关分子的结构和性状的新
电子理论。此后，
R。 B。 伍德沃德又陆续合成了各种各样的复杂
分子，例如，他于
1954年合成了马钱子碱。而在此之前，这被认为
是高不可攀的。
然而，早在这些生物碱的结构被发现以前，其中的一些生物碱
（特别是可卡因）业已引起了医生们的浓厚兴趣。人们发现，南美
洲的印第安人咀嚼古柯树叶，原来它能消除疲劳和引起欣快感。
苏格兰医生克里斯蒂森把这种植物引种到了欧洲。（在蒙昧社会
里的巫医和卖药草的妇女看来，这并不是献给医学的惟一礼物。
另外还有上面提到的奎宁和马钱子碱，以及鸦片、洋地黄、箭毒
①、
颠茄碱、羊角拗定和利血平。另外，抽烟、喝酒、嚼槟榔果、吸大麻
和服皮约特
②等，也都是从原始社会遗传下来的。）
可卡因并不仅仅是一种普通的能产生欣快感的药物。医生们
发现，它还能使人体的某一部位暂时失去痛觉。
1884年，美国医
生科勒发现，可卡因可用作镇痛药，在对眼睛施行手术时将它涂在
①南美印第安人从马钱子属植物中提取并用来涂箭头的毒物，现供药用。
②一种从麦斯克尔仙人掌的钮形茎头提取出来的兴奋剂。——译注
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眼睛周围的黏膜上，病人就会没有痛感。可卡因还可用于牙科，使
病人在拔牙时没有痛苦。
这种效果使医生们十分着迷，要知道，
19世纪医学上的伟大
胜利之一正是在镇痛方面所取得的成果。1799年，戴维研制出了
一氧化二氮（N2O）气体，并研究了它的疗效。他发现，这种气体被
吸入人体后，就会释放出抑制物质，使人狂笑、大叫或做出其他一
些愚蠢的举动。因此，它通常又被称为笑气。
19世纪
40年代初期，美国科学家科顿发现，笑气能使人失去
痛觉；1844年，美国牙科医生
H。 韦尔斯将这种气体用于牙科手
术。不过，当时已经有一种更好的药物进入了这一领域。
美国外科医生朗于
1842年曾用乙醚使病人在拔牙时进入睡
眠状态。1846年，美国牙科医生莫顿在马萨诸塞州总医院实施了
一例乙醚麻醉手术。人们往往将这一发现归功于莫顿，因为在莫
顿进行公开表演之前，朗不曾在任何医学杂志上介绍过自己的技
术，至于
H。 韦尔斯最早用笑气所做的公开表演，则仅获得了微不
足道的成功。
美国诗人兼医生霍姆斯建议将具有镇痛作用的化合物称为麻
醉剂（源于希腊语，意思是“无感觉”）。当时的一些人认为，是上帝
要使人类遭受痛苦，使用麻醉剂来逃避这种痛苦则是一种亵渎神
圣的行为。但是，后来人们之所以认为使用麻醉剂是高尚的，是因
为苏格兰医生辛普森在英国维多利亚女王分娩时用它来镇痛。
麻醉剂最终使外科手术不再像屠宰场一样使病人极端痛苦，
至少变得较为人道，如果手术在消毒条件下施行，甚至能挽救病人
的生命。因此，麻醉学的任何进展都引起了医生们的极大关注。
可卡因的特殊意义在于它是一种局部麻醉剂，就是说，它只使人体
的一定部位失去痛觉，而不是像全身麻醉剂乙醚那样，使人完全丧
失意识和感觉。
第十一章 分 子
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然而，可卡因也有一些不足之处。首先，它会产生一些不良的
副作用，甚至会使对它过敏的病人丧命。其次，它会使人成瘾，因
此必须少用、慎用。（可卡因是一种危险的毒品，它不仅能消除疼
痛，而且还能消除其他不愉快的感觉，从而给吸毒者以异常欣快的
幻觉。吸毒者会适应这种毒品并不断要求加大剂量。尽管毒品给
身体产生了严重影响，但由于吸毒者如此依赖这种毒品所产生的
幻觉，所以，如不忍受令人痛苦的戒毒症状，就不能戒掉。对可卡
因和其他这类毒品的毒品瘾已成为严重的社会问题。尽管全世界
都在努力禁止毒品的非法交易，但每年非法生产和贩卖的可卡因
高达
20多吨。这给少数人带来了暴利，而使许多人陷入痛苦的深
渊。）第三，可卡因的分子很脆弱，在加热消毒时即能引起分子结构
的变化，而分子的变化则会影响它的麻醉效果。
可卡因分子的结构相当复杂：
O
C O CH3
CH2 CH CH
O
N CH3 CH
OC
CH
C
CH
CH2CH CH2
CH CH
CH
左边的双环是脆弱部位，也是难于合成部位。（直到
1923年，
德国化学家威尔特才设法合成出可卡因。）然而，在化学家们看来，
他们能合成出类似的化合物，其中的双环不是闭合的，这样就能使
这种化合物既易于合成，又比较稳定。这种合成物质可能具有可
卡因的麻醉性能，而且也许没有令人讨厌的副作用。
对于这个问题，德国化学家们研究了约
20年，制造出了几十
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种化合物，其中有些性能良好。最成功的改进是在
1909年取得
的，当时合成出了一种具有下述分子式的化合物：
CH2
O
CH3
CH
N CH2OC
CH3
C
CH
CH2 CH2
CH
C
CH NH2
将这个结构式与可卡因的结构式作一比较，你就可以看出它
们之间的相似之处以及一个重要事实，即双环已不复存在。这种
较简单的分子在自然界中是不存在的，它稳定，易于合成，麻醉效
果良好，而且几乎没有副作用。这是一种远远胜过可卡因的合成
代用品，称为普鲁卡因，而大家更为熟悉的则是它的商品名称“奴
弗卡因”。
在一般的镇痛剂中，最有效、最有名的也许是吗啡。它的这个
名字源于希腊语，意为“睡觉”。吗啡是由鸦片或鸦片酊提纯出来
的，在若干世纪以来，原始人和文明人都用它来消除疼痛和尘世间
劳碌所造成的神经紧张。对于那些被疼痛折磨得死去活来的人
们，吗啡简直是灵丹妙药，但它也具有使人成瘾的致命危险。然
而，寻找代用品的努力却取得了适得其反的结果。
1898年，人们
合成了衍生物二乙酞吗啡即广为人知的海洛因。人们原以为它比
较安全，后来才知道它是最危险的毒品。
危险性较小的镇静剂（安眠药）是水合氯醛和巴比妥，特别是
后者危险性更小。巴比妥类药物
1902年首次使用，现在是安眠片
的最平常的成分。虽然适量服用这类药物无甚危害，但它也会使
人成瘾，过量服用则会引起死亡。实际上，由于死亡是作为逐渐沉
睡的最终结果平静地到来的，所以，过量服用巴比妥类药物就成了
第十一章 分 子
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自杀或企图自杀的一种相当常见的方法。
最普通而且也是用得最久的镇静剂，当然要首推酒精了。早
在史前时期，人们就已经知道使果汁和粮食发酵来酿酒的方法。
在中世纪，人们已采用蒸馏方法来酿制比天然生成的产品更加浓
烈的酒。尽管酒精像吗啡一样，肯定会使人成瘾，而且无节制地饮
酒会给身体带来更加严重的危害，但对于伤寒和霍乱病人，淡酒却
是补充水分的一种捷径，而且适量饮酒也为社会所接受，因此，很
难将酒作为毒品予以禁止。用法律来禁止出售酒类看来是行不通
的，美国于
1920～1933年间曾试行过“禁酒法”，结果遭到彻底失
败。尽管如此，酒精中毒越来越被看成是一种疾病，而不仅仅是一
个道德问题。对于那些吃饭甚少但饮酒无度的人来说，酒精中毒
的明显症状（震颤性谵妄）多半不是由酒精本身而是由维生素缺乏
症引起的。
原卟啉
目前，人类已经制造出各种各样具有巨大潜在用途但也可能
被误用的合成制品，如炸药、毒气、灭虫剂、除草剂、防腐剂、去污
剂、医药等，真是不胜枚举。但是，合成技术不仅可以用来弥补消
费者所需物品之不足，而且还能为纯化学研究服务。
常常出现这种情况，即不论是由活组织产生的还是由有机化
学家用设备合成的复杂化合物，即使根据它所经历的化学反应的
性质作出种种推导，也只能得出一个假定的结构式。在这种情况
下，出路就是用所设计的一系列反应（旨在制造出像所推导出来的
结构式那样的分子结构）来合成出一种化合物。如果所产生的化
合物的性质与第一次研究的化合物的性质完全相同，那么，化学家
们就可以信赖原先推导出来的结构式。
在这方面，一个给人留下深刻印象的例子是血红蛋白，它是红
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血球的主要成分，是使血液呈现红色的色素。
1831年，法国化学
家勒卡努将血红蛋白分解成两个部分，其中较小的部分称为血红
素，占血红蛋白质量的
4％。现已发现，血红素的实验式为
C34H32
O4N4Fe。由于像血红素这样的化合物还存在于其他重要的物质
中，即存在于植物界和动物界中，因此，血红素的分子结构对于生
物化学家来说是极其重要的。然而，在勒卡努分离血红素之后的
将近一个世纪内，人们所能做到的只不过是把它分成更小的分子。
铁原子（
Fe）很易分离出来，而剩余部分则分裂为大致相当于原分
子
1/4大小的碎片。这些碎片原来是吡咯。吡咯的分子是由
5个
原子（其中
4个为碳原子，1个为氮原子）构成的环组成的�
