阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第5部分
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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。吡咯
本身的结构如下：
CH CH
CH CH
NH
实际上由血红素获得的吡咯拥有若干个含
1个或
2个碳原子
（连接在环上以取代
1个或多个氢原子）的小型原子团。
20世纪
20年代，德国化学家
H。 费歇尔更深入地研究了这个
问题。既然吡咯的大小约为原血红素的
1/4，于是他就决定设法
将
4个吡咯结合在一起，看看最终会得到什么样的东西。他终于
获得成功，得到一种他称之为卟吩（源于希腊语，意为“紫色”，因为
它是紫色的）的四环化合物。卟吩的结构式是这样的：
第十一章 分 子
第十一章 分 子
CH
CH CH
C
C
CH
CH
C
NH NC
CH
CH
C N NHC
CH
CH
C
C
CH CH CH
然而，由血红素获得的吡咯原来含有一些与环连接的小侧链。
当吡咯组合成卟吩时，这些侧链仍停留在原来的位置。含有各种
侧链的卟吩组成了一族称之为卟啉的化合物。在血红素中发现的
拥有特殊侧链的那些化合物叫做原卟啉。H。 费歇尔将血红素的
性质与他所合成的卟啉的性质加以比较之后发现，血红素（减去它
的铁原子）就是一种原卟啉。但究竟是哪一种呢？根据
H。费歇
尔的推论，由血红素获得的各种不同的吡咯能结合成不下
15种不
同的原卟啉（每种都具有不同的侧链排列），而其中任何一种都有
可能是血红素。
将这
15种化合物逐一合成出来，并分别检验它们的性质，便
能够得到答案。
H。费歇尔将合成工作交给他的学生们去做，他仔
细选用了一些化学反应，每次只允许合成其中一种具有特定结构
的原卟啉。在这
15种不同的原卟啉合成出来之后，他将它们的性
质与血红素的天然原卟啉的性质进行了对比。
他于
1928年发现，这个系列中编号为Ⅸ的原卟啉正是他要寻
找的那一种。因此，那种天然原卟啉至今仍称为原卟啉Ⅸ。要使
原卟啉Ⅸ添加
1个铁原子转变为血红素是很容易的。化学家们终
于相信，他们已经知道了这种重要化合物的结构。下面就是
H。
费歇尔研究出来的血红素的结构式：
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CH2
CH CH3
CH C
C
CC
C
CH
C
C
CH2
CH3CN N
CH FeCH
C N N CCH3
CH3
C
C
CC
C
C CH
CH2 CH2
CH2 CH2
CO CO
OH OH
由于这项成就，H。 费歇尔获得了
1930年的诺贝尔化学奖。
新方法
在
19世纪和
20世纪前半叶，合成有机化学方面取得的全部
成就无疑是巨大的，但所使用的方法却与古代炼金术士所使用的
方法相同，即将几种物质加以混合并进行加热。加热是使分子增
加活力并发生相互反应的可靠方法，不过，就本质而言，这样的反
应通常是随机的，并会产生一些短暂存在的不稳定的中间产物，而
对于这些中间产物的性质则仅能进行猜测而已。
化学家们所需要的是一种更精细、更直接地使分子具有活力
的方法，即能够使一群分子全都以大致相同的速度、朝大致相同的
第十一章 分 子
第十一章 分 子
。
1964年，德国血统的美国化学家沃尔夫冈借助一种可称为化
学加速器的装置来加速离子和分子，使之达到很高的能量。这种
装置所产生的离子速度若用加热方法来达到，则温度必须高达
1 000℃～100 000℃。另外，这些离子还以相同的方向运动。
如果有电子存在的话，被加速的离子就会抓住这些电子并转
变为中性分子，而且仍以极高的速度行进。美国化学家华顿已于
1969年获得了这样的中性分子束。
至于化学反应的短暂的中间阶段，电子计算机可以解决这个
问题。电子计算机可以解在不同原子组合中决定电子状态的量子
力学方程，还可以计算出在碰撞过程中将会发生的各种事件。例
如，1968年，在意大利血统的美国化学家克莱门蒂的指导下，曾利
用一台计算机使氨与盐酸在闭路电视监视下碰撞以生成氯化铵，
结果，所发生的事件正是计算机计算出来的事件。计算机计算的
结果表明，所形成的氯化铵是温度为
700℃的高压气体。这种情
况以前并不知道，但在几个月后被实验所证实。
近
10年来，化学家们在理论和实验方面都研究出了一些新型
工具。迄今尚未知晓的一些反应的细枝末节将会被弄个水落石
出，许多在过去无法获得的或至多只能少量获得的新产品将会被
合成出来。也许我们正站在一个意想不到的奇境的入口处。
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聚合物与塑料
当我们考虑像血红素和奎宁这样的物质的分子时，其复杂程
度连现代化学家也必须费尽心机才能应付得了。要合成这类化合
物，需要那么多的步骤和方法，如不借助某种活机体，几乎不敢期
望将它们大量地生产出来（化学家除外）。然而，我们也不必因此
而妄自菲薄。就复杂程度而言，即使是活组织本身也已达到了极
限。在自然界，很少有比血红素和奎宁更为复杂的分子。
当然，自然界中存在有由几十万甚至几百万个原子组成的天
然物质，但它们并不是真正的单个分子，也就是说，并不是一个整
体。更确切地说，这些大分子是由许多单元构成的，就像是由一颗
颗珠子串成的项链。活组织往往是首先合成一些小的、相当简单
的化合物，然后仅仅是将这些单元串连成一条条长链。正如我们
将要看到的，这种事情化学家们也能做到。
缩合作用与葡萄糖
在活组织中，小分子的这种结合（缩合作用），通常要在每一个
接合点上完全失去
2个氢原子和
1个氧原子（结合在一起形成
1
个水分子）。这种过程是可逆的（在身体中和在试管中都如此）：加
水可以使链中的各单元脱钩并彼此分开。缩合作用的这种逆过程
称之为水解作用——源于希腊语，意为“通过水而松开”。在试管
中，这些长链的水解过程可用各种不同的方法来加速。最常见的
加速方法是在混合物中加进一定量的酸。
对大分子化学结构的首次研究可追溯到
1812年，那一年，俄
第十一章 分 子
第十一章 分 子
。
1819年，法国化学家布拉孔诺通
过煮沸各种植物产物如木屑、亚麻和树皮——它们都含有一种叫
做纤维素的化合物——也得到了葡萄糖。人们很容易猜想到，无
论是淀粉还是纤维素，都是由葡萄糖单元构成的，至于淀粉和纤维
素的分子结构的细节，则还有待于对葡萄糖的分子结构的进一步
认识。最初，由于结构式尚未出现，人们只知道葡萄糖的经验式是
C6H12O6。这种比例关系表明，6个碳原子中的每一个都连接着
1
个水分子
H2O）。因此，葡萄糖以及结构与之相似的化合物被称为
碳水化合物。
葡萄糖的结构式是德国化学家基利阿尼于
1886年研究出来
的。他证明，葡萄糖分子的
6个碳原子构成一条直链，彼此分离的
氢原子和氢氧根就连接在这个链上。在葡萄糖分子中，任何地方
都没有完整的水分子组合。
在以后大约
10年的时间里，德国化学家
E。 费歇尔对葡萄糖
进行了详细研究，并研究出了碳原子周围的氢氧根的精确排列方
式，其中有
4个氢氧根是不对称的。这些氢氧根有
16种可能的排
列方式，因此有
16种可能的性质不同的旋光异构体。的确，化学
家们已经研制出了所有这
16种异构体，然而只有少数几种真正在
自然界中存在。
下面是葡萄糖和其他两种常见的果糖和半乳糖的结构式：
38H
HO
H
H
H
O CH2
C
C
C
C
CH2
O
HOH
OHH
OHH
OH
OH
H
HO
HO
H
38H
HO
H
H
H
O CH2
C
C
C
C
CH2
O
HOH
OHH
OHH
OH
OH
H
HO
HO
H
CH
C
C
C
C
CH2
OH
H
H
OH
OH
O
葡萄糖果糖半乳糖
这些是能够充分展示分子不对称性的最简单的结构。但实际
上，分子为非平面的环状，每个环由
5个（有时是
4个）碳原子和
1
个氧原子组成。
正是由于对这些糖的旋光性的研究，E。 费歇尔才建议将旋光
化合物分为
L系和
D系两大类。由于为碳水化合物化学奠定了
坚实的基础，他获得了
1902年的诺贝尔化学奖。
化学家们一旦知道了简单糖类的结构，要想知道简单糖类以
何种方式构成更为复杂的化合物就比较容易了。例如，
1个葡萄
糖分子和
1个果糖分子可以缩合成蔗糖——我们餐桌上的食糖。
葡萄糖与半乳糖相结合形成乳糖，在自然界中，乳糖仅存在于乳汁
中。
没有理由认为缩合不能无限制地进行下去。事实上，淀粉和
纤维素的情况就是如此。这两种物质都是由葡萄糖单元按一定图
式缩合而成的长链构成的。
缩合图式的细节是很重要的，因为尽管这两种化合物都由相
同的单元构成，但二者却有着深刻的差异。
这种或那种形态的淀粉构成了人类食物的主要成分，而纤维
素则全然不适于食用。由于化学家们的苦心钻研，终于弄清楚了
第十一章 分 子
第十一章 分 子
缩合图式的差异，它与下面的情况有些类似：假设葡萄糖分子可
以正着看（用
u表示）或倒着看（用
n表示），那么，淀粉分子可以看
成是由葡萄糖分子按
“……uuuuuuuuu……”的图式缩合而成的，而
纤维素则按“……
ununununun……”的图式构成。人体的消化液具
有使淀粉的
uu键合进行水解的能力，使淀粉水解成我们可以吸收
而获得能量的葡萄糖。而同样的消化液却对纤维素的
un键合无能
为力，因此，我们所食用的纤维素都是穿肠而过，最后排出体外。
尽管没有一种高等动物能够消化纤维素，但有些微生物，例如
寄生在反刍动物和白蚁肠道中的微生物，却能做到这一点。多亏
了这些不显眼的助手，使我们受益匪浅的牛才能靠吃草而生存，使
我们狼狈不堪的白蚁靠吃木头而活命。这类微生物能大量地将纤
维素转化为葡萄糖，它们消耗掉自己所需要的一份，而将多余的供
给寄主。这些微生物提供加工过的食物，而寄主则提供原料和住
所。两种生物之间这种互惠的合作方式称之为共生现象（源自希
腊语，意为“共同生活”）。
晶型和非晶型聚合物
哥伦布曾经发现，南美洲土著人所玩的一种球，是用硬化了的
植物汁液做成的。哥伦布以及以后两个世纪里到过南美洲的探险
家们，无不对这些有弹性的球（用巴西的一种树木的汁液做成）感
到惊讶不已。后来，一些样品被当作珍品带回欧洲。大约在
1770
年前后，普里斯特利（在发现氧之前不久）发现，这种弹性物质能够
擦掉铅笔的痕迹，于是给它起了个不起眼的名字—
—擦子
（rubber）。这至今仍是这种物质的英文名字。英国人称它为印度
擦子，因为这种物质来自“印度”（哥伦布发现新大陆时误以为那就
是印度）。这种物质就是橡胶。
后来，人们又发现了橡胶的其他一些用途。
1823年，有个名
阿西莫夫最新科学指南
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叫麦金托什的苏格兰人在两层布中间夹一层橡胶，然后做成长袍，
以供雨天使用。他的这种防雨衣获得了专利，至今人们有时仍将
雨衣叫做麦金托什。
然而，这样使用橡胶有一个问题，就是它在热天会变得像胶一
样黏，而在冷天则又变得像生皮革一样硬。许多人试图发明对橡
胶进行加工处理的方法，以消除它的这些令人讨厌的特性。其中
有一位名叫古德伊尔的美国人，虽然他对化学一无所知，但他却坚
持研究，一次次试验又一次次失败，仍坚持不懈。
1839年的一天，
他不小心将橡胶和硫磺的混合物撤落在火热的炉子上。他赶忙将
这些混合物从炉子上刮下来，结果他惊奇地发现，加过热的橡胶和
硫磺的混合物尽管还是热的，但却很干燥。他将这些混合物再加
热和冷却，结果发现，它既不因加热而变黏，也不会遇冷而变硬，始
终保持柔软而富有弹性。
现在，在橡胶中加入硫磺的过程叫做硫化（依照罗马火神伍尔
卡努斯的名字取名）。说来令人慨叹，虽然古德伊尔的发现价值连
城，但他本人却从未得到过任何报偿。他毕生为取得专利权而斗
争，到死时仍负债累累。
对橡胶分子结构的认识要追溯到
1879年，那一年，法国化学
家布沙尔达将橡胶在与空气隔绝的条件下加热，结果得到一种叫
做异戊二烯的液体。异戊二烯的分子由
5个碳原子和
8个氢原子
组成，排列方式如下：
CH3
CH2 CCH CH2
另一种植物汁液（胶乳）产自东南亚的一些树木，它能产生一
种叫做固塔坡胶的物质。这种物质缺乏橡胶那样的弹性，但在与
空气隔绝的条件下加热时，也生成异戊二烯。
第十一章 分 子
第十一章 分 子
不论是橡胶还是固塔坡胶，都是由几千个异戊二烯单元构成
的。正如淀粉和纤维素的差别那样，橡胶与固塔坡胶的差别也是
键合图式的不同。在橡胶中，异戊二烯单元按…… uuuuu……图式
连成蜷曲的长链。这种长链在受拉时会伸直，因而橡胶富有伸缩
性。在固塔坡胶中，异戊二烯单元按…… ununununun……图式连
成长链，这种长链一开始就比较直，因此�
