阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第8部分
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过适当的化学处理能够去掉硝酸根，结果便得到了一种外观像蚕
丝一样的带有光泽的纤维素细丝。
然而，夏尔多内的方法并不实用。且不说有硝酸根存在的中
间阶段非常危险，也不说用作溶剂的乙醇和乙醚的混合物极易着
火，单是将硝酸根加上去又去掉这一点，这种方法就十分费钱。
1892年，人们发现了一些溶解纤维素的方法。例如，英国化学家
克罗斯将纤维素溶解于二硫化碳，并将所得到的黏稠液体（叫做黏
胶）做成细丝。麻烦的是，二硫化碳易燃、有毒且气味难闻。
1903
年，一种有竞争力的方法投入使用。这种方法以醋酸作为溶剂的
一部分，生产出一种叫做醋酸纤维素的物质。
这些人造纤维被称为人造丝。人造丝主要有两个品种，通常
分为黏胶人造丝和醋酸人造丝。
顺便提一下，如果将黏胶通过一条狭缝挤压出去，就会得到一
种柔软、透明和防水的薄膜——玻璃纸。这种方法是法国化学家
布兰登伯热于
1908年发明的。一些合成的聚合物同样也能够通
过一条狭缝挤压成薄膜。例如，乙烯基树脂能制成名为萨纶的覆
盖物。
直到本世纪
30年代，才出现第一批完全合成的纤维。
让我先讲一点有关蚕丝的故事。蚕丝是由蚕蛾的幼虫——
蚕——所吐的丝。蚕对食物要求极严，而且需要精心照料。蚕丝
必须从蚕茧上小心地抽取下来。由于这些缘故，蚕丝十分昂贵，而
且不能大量生产。早在两千多年前，中国便开始生产蚕丝，而且中
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国人对生产蚕丝的方法严加保密，以便在出口中保持有利的垄断
地位。然而，秘密终有泄漏之日，尽管采取了种种保密措施，养蚕
缫丝的秘密还是流传到了朝鲜、日本和印度。古罗马是通过横贯
亚洲的漫长的陆路输入蚕丝的，由于经纪人一路上步步设卡抽取
通行税，所以蚕丝到那里后非常昂贵，除了豪门巨富，一般人是可
望而不可及的。550年，蚕子被偷偷地带进君士坦丁堡，从此欧洲
便开始了蚕丝生产。尽管如此，蚕丝在不同程度上仍然属于奢侈
品。另外，直到目前为止，蚕丝仍然没有好的代用品。人造丝固然
具有与蚕丝相似的光泽，但却不及蚕丝纤细、柔韧。
蚕丝是一种蛋白质（见第十二章）。蛋白质的分子是由一种叫
氨基酸的单体构成的，而氨基酸则含有
1个氨基和一个羧基。氨
基与羧基通过二者之间的
1个碳原子相连接；如果以
a表示氨基，
以
c表示羧基，再用短线表示中间的碳原子，我们就可以把氨基酸
写作：
a—c。这些氨基酸以从头至尾的方式聚合起来，也就是说，
前面的
1个氨基同后面的
1个羧基缩合，这样便成了蚕丝分子：
……a—c、a—c、a—c……
本世纪
30年代，杜邦公司的化学家卡罗瑟斯对一些含有氨基
和羧基的分子进行了研究，希望借此找到一种较好的方法，将它们
缩合成具有大环结构的分子。（这类分子对于香料制造业是很重
要的。）与他的愿望相反，他发现这些分子缩合成了长链分子。
卡罗瑟斯早已预料到可能会出现长链分子，因此没有错过这
一机会。他立即对此作了进一步的研究，最后用己二酸和己撑二
胺制成了纤维。己二酸分子含有两个羧基，中间被
4个碳原子隔
开，因此可以用
c————c表示。己撑二胺由两个氨基构成，
中间被
6个碳原子隔开，因此可写为：
a —————— a。当卡
罗瑟斯将这两种物质混在一起时，它们就缩合成具有下列结构的
聚合物：……
a —————— a。 c ———— c。 a —————
第十一章 分 子
第十一章 分 子
— a。c ———— c。 a —————— a……可以看出，用点标出
的缩合部位具有与蚕丝相同的构型“c。a”。
最初生产的纤维并不是很好，主要是强度太差。卡罗瑟斯断
定，问题就出在缩合过程中所生成的水上。水的存在产生了一个
相反的作用——水解反应，它使聚合反应不能持续很久。卡罗瑟
斯找到了一种补救办法，即让聚合反应在低压下进行，这样水就会
蒸发并很容易被清除掉（在邻近反应液体上方斜放一块冷却的玻
璃板，水蒸气就会凝结在上面并自行流走，这种装置叫做分子蒸馏
器）。这样，聚合反应就能不断地进行下去，并形成很长的直链。
1935年，卡罗瑟斯终于为合成理想的纤维奠定了基础。
将由己二酸和己撑二胺缩合而成的聚合物熔化，再通过许多
小孔挤压出来，然后再经过拉伸，使纤维平行地排列起来，并成为
晶束似的纤维束。这样就得到了一种与蚕丝相似的带有光泽的细
丝，它可以织成像丝绸一样轻柔美观、甚至比丝绸还要结实的织
品。用这种方法生产的第一批完全合成的纤维叫做尼龙。然而，
卡罗瑟斯未能看到他的发现所结出的硕果，他于
1937年就去世
了。
杜邦公司于
1938年宣布合成纤维问世，并于
1939年开始进
行商业性生产。在第二次世界大战期间，美国陆军部队收购了全
部尼龙产品，用以制造降落伞和百余种其他军需品。战后，尼龙在
制袜业上完全取代了蚕丝，因此，妇女的长袜现在叫做尼龙袜。
尼龙的合成为许多其他合成纤维的生产开辟了道路。丙烯
睛，或称为乙烯基氰化物（
CH2=CHCN），也可以聚合成与聚乙烯
类似的长链，所不同的是，与每个单元中第二个碳原子相连的是氰
基（在这里它是完全无毒的）。这种产品叫做奥纶，1950年投入使
用。如果再添加上氯乙烯，则最终的长链既含有氯原子，又含有氰
基，这就是氯丙纶（达耐尔）。如果通过使用醋酸乙烯（
CH2=
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CHOOCCH3）来添加醋酸根，则产品就是醋丙纶（阿克利纶）。
英国于
1941年制造出了聚酯纤维。这种纤维是由一个单体
的羟基同另一个单体的羟基缩合而成的长链。这种产物就是通常
的那种由碳原子构成的长链，只是每隔一定的距离插入
1个氧原
子。这种产品在英国叫做涤纶，在美国则叫做大可纶。
这些新型合成纤维的防水性能比大多数天然纤维好，而且不
怕潮湿，不易沾污，不遭虫蛀。某些合成纤维不会起皱，可用来纺
织成“耐洗耐磨”的织品。
合成橡胶
如果有人告诉你，人类使用橡胶轮子的历史不过一百来年，你
会感到非常吃惊。在过去的几千年间，人们所坐的车使用的一直
是木制轮子，或者再在轮子周围加上金属轮辋。在古德伊尔发明
了实用的硫化橡胶之后，许多人都曾想到，应该用橡胶代替金属来
包裹车轮。1845年，英国工程师
R。 W。汤姆森出了个好主意，他
在车轮周围套上一个合适的充气橡胶管，并获得了这项设备的专
利。到了
1890年，轮胎被正式用在自行车上；到了
1895年，被用
在各种老式汽车上。
令人惊奇的是，尽管橡胶是一种柔软而易破损的物质，但却比
木头或金属更加耐磨。橡胶的耐用、减震等性能，加上充气轮胎的
巧妙设计，使乘车的人觉得比以往任何时候都更加舒适。
随着汽车数量的大量增加，用于制造轮胎的橡胶的需求量也
变成了天文数字。在最近的半个世纪内，全世界的橡胶产量增长
了
42倍。只要我告诉你这样一个事实，你就可想象今天用于制造
第十一章 分 子
第十一章 分 子
轮胎的橡胶的数量：仅在美国，每年在公路上磨损掉的橡胶就不下
20万吨，尽管每辆汽车磨损掉的橡胶的数量是相当少的。
橡胶需求量的不断增加，给许多国家的战略物资的储备带来
了一定程度的危机。随着战争的机械化，军队和军需物资都开始
用装有橡胶轮胎的车辆来运输。然而，那些最有可能参加“文明”
战争的“文明”国家，却又都远离惟一能够大量供应橡胶的马来半
岛（马来半岛并不是橡胶的原产地，这里的橡胶树是从巴西移植来
的，但却生长得非常好，而原产地巴西的橡胶产量却逐年下降）。
美国的橡胶供应在它开始参加第二次世界大战的初期便被切断，
那时日本已经侵占了马来西亚。但美国在这方面早有戒备，因此，
甚至在日本偷袭珍珠港之前，战时实行的第一种定量配给物资就
是橡胶轮胎。
甚至在机械化刚刚起步的第一次世界大战中，德国就曾因为
协约国的海军切断了橡胶供应而运转不灵。
那时已经有理由考虑制造合成橡胶的可能性。这类合成橡胶
的天然原料自然是天然橡胶的结构单元——异戊二烯。早在
1880年，化学家们就发现，异戊二烯放置过久就会变软发黏，经酸
化处理后则会变成类似橡胶的物质。德皇威廉二世曾让人用这种
物质制成皇家汽车的轮胎，借以炫耀德国化学方面的高超技艺。
然而，用异戊二烯作为合成橡胶的原料，有两个困难：第一，异
戊二烯的主要来源正是橡胶本身；第二，异戊二烯在聚合时往往是
毫无规律地排列起来。在橡胶长链中，所有的异戊二烯单元都朝
向同一方向：……uuuuuuuuu……而在固塔坡胶长链中，它们则是
严格地按照一正一反的方向排列的：……
ununununun……然而，
如果在实验室中以通常的条件使异戊二烯聚合，则
u和
n就会毫
无规律地混合在一起，形成一种既不是橡胶也不是固塔坡胶的物
质。由于这种物质缺少橡胶的弹性和柔性，所以不能用来制造汽
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车轮胎（仅用于国事活动的皇家汽车当然是个例外）。
后来，一些与
1953年齐格勒在制取聚乙烯时使用过的催化剂
类似的催化剂，终于使人们有可能将异戊二烯聚合成与天然橡胶
几乎完全相同的产品。不过当时已经研制出许多种具有实用价值
的、化学性质与天然橡胶极不相同的合成橡胶。
人们自然是首先用一些既与异戊二烯相似而又容易获得的化
合物来制造聚合物。例如，在第一次世界大战期间，迫于橡胶匮
乏，德国人采用了二甲基丁二烯：
CH2 CC CH2
CH3 CH3
二甲基丁二烯与异戊二烯的不同之处在于，前者的
4碳链的
中间两个碳原子各连接
1个甲基（
CH3），而后者只有
1个碳原子
与甲基相连。由二甲基丁二烯聚合而成的化合物称为甲基橡胶，
这种橡胶可以大量生产，而且价格低廉。在第一次世界大战期间，
德国大约生产了
2 500吨甲基橡胶。尽管这种橡胶的耐压性能不
理想，但它毕竟是第一种具有实用价值的合成橡胶。
大约在
1930年，德国和苏联都采取了新的方针，利用根本不
带甲基的丁二烯作为单体：
CH2 CH CH CH2
这两个国家以金属钠作为催化剂，合成了一种叫做丁钠橡胶
的聚合物。
作为一种合成橡胶，丁钠橡胶对于应付橡胶匾乏而言还算是
令人满意的。添加其他单体（它们在长链中与丁二烯相间地排列
起来）可以改善丁钠橡胶的性能。最成功的添加物是苯乙烯，这是
一种与乙烯相似的化合物，但其中的
1个碳原子连接着
1个苯环。
这种产品叫做丁苯橡胶，性质与天然橡胶极其相似。事实上，在第
第十一章 分 子
第十一章 分 子
二次世界大战期间，德国军队就是因为有丁苯橡胶，橡胶供应才没
有出现严重短缺现象。苏联也曾用同样的方法向自己的军队提供
橡胶。丁苯橡胶的原料可由煤或石油获得。
美国以商业规模来开发合成橡胶开始得较晚，因为在
1941年
之前，它从未感受到橡胶短缺的威协。但是，在珍珠港事件之后，
美国便开始全力以赴地发展合成橡胶事业。它首先生产的是丁钠
橡胶和氯丁橡胶。后者是由氯丁二烯聚合而成的：
CH2 C CH CH2
Cl
可以看出，这个分子很像异戊二烯，所不同的只是氯原子代替
了甲基。
连接在聚合物长链上的氯原子使氯丁橡胶具有天然橡胶所不
具备的一些抗腐蚀性能。例如，它对于汽油之类的有机溶剂具有
较高的抗腐蚀性能，远不像天然橡胶那样容易软化和膨胀。因此，
像导油软管这样的用场，氯丁橡胶实际上比天然橡胶更为适宜。
氯丁橡胶首次清楚地表明，正如在许多其他领域一样，在合成橡胶
领域，试管中的产物并不一定只能充当天然物质的代用品，它的性
能能够比天然物质更好。
现在，人们已在生产多种化学结构与天然橡胶迥然不同但弹
性与之相似的无定形聚合物，它们具有人们所需要的一系列优良
性能。由于这类聚合物实际上并不是橡胶，所以它们被称之为弹
料（弹性聚合物）。
第一种不像橡胶的弹料在
1918年制成，这就是聚硫橡胶。它
的分子是由碳原子对和四硫原子团相间排列而构成的长链。由于
在制备聚硫橡胶时会产生难闻的气味，所以它曾长期被搁置一旁，
但是，后来它还是被投入了商业性生产。
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弹料还可以由丙烯单体、氟化碳和硅酮来合成。在这个领域，
正如人们所接触的几乎所有领域一样，有机化学家们犹如艺术大
师，利用已有的材料创造出各种新型物质，并创造出比天然物质更
好的物质。
（程席法 译）
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋 白 质
氨 基 酸
在研究生命物质的初期，化学家们就发现了一类性质奇特的
物质。在加热时，这类物质由液态变为固态，而不是由固态变为液
态。蛋清、奶里面的酪蛋白和血液里的球蛋白，就是呈现这种特性
的物质。1777年，法国化学家麦夸尔把所有加热后凝固的物质归
为特殊的一类
