創(chuàng)立高分子化學(xué)的施陶丁格

1、創(chuàng)立高分子化學(xué)的施陶丁格棉、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(gè)復(fù)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(duì)它們的本性卻一無所知?，F(xiàn)在我們已認(rèn)識(shí)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(jī)非金屬材料并列構(gòu)成材料世界的三大支柱。面對(duì)這一輝煌成就 ,我們不能不緬懷高分子科學(xué)的奠基人、德國化學(xué)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

2、別 ,如果說普通分子象個(gè)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(qiáng)度、又有不同程度彈性的固體。固為分子大 ,長鏈一頭受熱時(shí) ,另一頭還不熱 ,故熔化前有個(gè)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(duì)它們的組成、結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和合成方法的掌握經(jīng)歷了一個(gè)實(shí)踐認(rèn)識(shí)實(shí)踐的曲折過程。1812年 ,化學(xué)家在用酸水解木屑、樹皮、淀粉等植物的實(shí)驗(yàn)中得到了葡萄糖 ,證明淀粉、纖維素都由

3、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(cè)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(gè)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(shí)用的性質(zhì) ,變?yōu)楦挥袕椥?、可塑性的材料。這一發(fā)現(xiàn)的推廣應(yīng)用促進(jìn)了天然橡膠工業(yè)的建立。天然橡膠這一處理方法 ,在化學(xué)上叫作高分子的化學(xué)改性 ,在工業(yè)上叫作天然橡膠的硫化處理。進(jìn)一步試驗(yàn) ,化學(xué)家們將纖維素進(jìn)行化學(xué)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 ,1

4、900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(xué)改性 ,大大開闊了人們的視野。1907年 ,美國化學(xué)家在研究苯酚和甲醛的反響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(xué)家以熱引發(fā)聚合異戊二烯獲得成功。在這一實(shí)驗(yàn)啟發(fā)下 ,德國化學(xué)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(duì)高分子化合物的單體分析 ,天然高分子的化學(xué)改住的實(shí)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(duì)于這個(gè)根底理論問題人們所知甚少 ,這一理論開展的緩慢與高分子本身的復(fù)雜

5、特性有關(guān)?；瘜W(xué)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(diǎn)象膠體 ,它為什么沒有固定的熔點(diǎn)和沸點(diǎn) ,不易形成結(jié)晶？這些獨(dú)特的性質(zhì)以當(dāng)時(shí)流行的化學(xué)觀來看是很難理解的。早在1861年 ,膠體化學(xué)的奠基人 ,英國化學(xué)家格雷阿姆曾將高分子與膠體進(jìn)行比擬 ,認(rèn)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(xué)家的支持。盡管也有化學(xué)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(xué)的理論來套高分子物質(zhì) ,認(rèn)為纖維素是葡萄糖的締合體。所

6、謂締合即小分子的物理集合。他們還因當(dāng)時(shí)無法測(cè)出高分子的未端基團(tuán) ,而提出它們是環(huán)狀化合物。在當(dāng)時(shí)只有德國有機(jī)化學(xué)家施陶丁格等少數(shù)兒個(gè)人不同意膠體論者的上述看法。施陶丁格發(fā)表了“關(guān)于聚合反響的論文 ,他從研究甲醛和丙二烯的聚合反響出發(fā) ,認(rèn)為聚合不同于締合 ,它是分子靠正常的化學(xué)鍵結(jié)合起來。天然橡膠應(yīng)該具有線性直鏈的價(jià)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(jìn)一塊石頭 ,引起了一場(chǎng)劇烈的論戰(zhàn)。一場(chǎng)劇烈而又嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論1922年 ,施陶丁格進(jìn)而提出了高分子是由長鏈大分子構(gòu)成的觀點(diǎn) ,動(dòng)搖了傳統(tǒng)的膠體理論的根底。膠體論者堅(jiān)持認(rèn)為 ,天然橡膠是通過局部價(jià)鍵締合起來的 ,這種締合歸結(jié)于異戊二

7、烯的不飽和狀態(tài)。他們自信地預(yù)言：橡膠加氫將會(huì)破壞這種締合 ,得到的產(chǎn)物將是一種低沸點(diǎn)的低分子烷烴 ,針列這一點(diǎn) ,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(qiáng)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(jià)鍵結(jié)合形成的長鏈大分子。施陶丁格的觀點(diǎn)繼續(xù)遭到膠體論者的劇烈反對(duì) ,有的學(xué)者曾勸告說：“離開大分子這個(gè)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(rèn)真地開展有關(guān)課題的深入研究 ,堅(jiān)信自己的理論是正確的。為此他先后在1924

8、年及1926年召開的德國博物學(xué)及醫(yī)學(xué)會(huì)議上 ,1925年召開的德國化學(xué)會(huì)的會(huì)議上詳細(xì)地介紹了自己的大分子理論 ,與膠體論者展開了面對(duì)面的辯論。辯論主要圍繞著兩個(gè)問題：一是施陶了格認(rèn)為測(cè)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。膠體論者那么認(rèn)為粘度和分子量沒有直接的聯(lián)系 ,當(dāng)時(shí)由于缺乏必要的實(shí)驗(yàn)證明 ,施陶丁格顯得較被動(dòng) ,處于劣勢(shì)。施陶丁格沒有卻步 ,而是通過反復(fù)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(gè)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(cè)纖維素 ,都發(fā)現(xiàn)單體小分子與晶胞大小

9、很接近。對(duì)此雙方的看法截然不同。膠體論者認(rèn)為一個(gè)晶胞就是一個(gè)分子 ,晶胞通過晶格力相互締合 ,形成高分子。施陶丁格認(rèn)為晶胞大小與高分子本身大小無關(guān) ,一個(gè)高分子可以穿過許多晶胞。對(duì)同一實(shí)驗(yàn)事實(shí)有不同解釋 ,可見正確的解釋與正確的實(shí)驗(yàn)同佯是重要的?？茖W(xué)的裁判是實(shí)驗(yàn)事實(shí)。正當(dāng)雙方觀點(diǎn)爭(zhēng)執(zhí)不下時(shí) ,1926年瑞典化學(xué)家斯維德貝格等人設(shè)計(jì)出一種超離心機(jī) ,用它測(cè)量出蛋白質(zhì)的分子量：證明高分子的分子量確實(shí)是從幾萬到幾百萬。這一事實(shí)成為大分子理論的直接證據(jù)。事實(shí)上 ,參加這場(chǎng)論戰(zhàn)的科學(xué)家都是嚴(yán)肅認(rèn)真和熱烈友好的 ,他們?yōu)榱俗非罂茖W(xué)的真理 ,都投入了填密的實(shí)驗(yàn)研究 ,都尊重客觀的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。當(dāng)許多實(shí)驗(yàn)逐漸證明

10、施陶丁格的理論更符合事實(shí)時(shí) ,支持施陶了格的隊(duì)伍也隨之壯大 ,到1926年的化學(xué)會(huì)上除一人持保存態(tài)度外 ,大分子的概念已得到與會(huì)者的一致公認(rèn)。在大分子理論被接受的過程中 ,最使人感動(dòng)的是原先大分子理論的兩位主要反對(duì)者 ,晶胞學(xué)說的權(quán)威馬克和邁那在1928年公開地成認(rèn)了自己的錯(cuò)誤 ,同時(shí)高度評(píng)價(jià)了施陶了格的出色工作和堅(jiān)韌不拔的精神 ,并且還具體地幫助施陶丁格完善和開展了大分子理論。這就是真正的科學(xué)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(shí)代的巨著?高分子有機(jī)化臺(tái)物?成為高分子科學(xué)誕生的標(biāo)志。認(rèn)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

11、,高分子合成工業(yè)獲得了迅速的開展。為了表彰施陶丁格在建立高分子科學(xué)上的偉大奉獻(xiàn) ,1953年他被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。倡導(dǎo)分子主物學(xué)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(xué)家 ,所以他從小就受到各種新的哲學(xué)思想的熏陶 ,對(duì)新事物比擬敏銳 ,在科學(xué)推理、思維中 ,能夠不受傳統(tǒng)觀念的束縛 ,善于從復(fù)雜的事物中 ,理出頭緒 ,發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵之處。提出新的觀點(diǎn)。在中學(xué)時(shí) ,他曾對(duì)植物學(xué)發(fā)生濃厚的興趣 ,所以中學(xué)畢業(yè)后 ,他考入哈勒大學(xué)學(xué)習(xí)植物學(xué)。這時(shí)有一位對(duì)科學(xué)開展頗有見地的朋友向他父母進(jìn)言 ,最好先讓施陶了格打下雄厚的化學(xué)根底后 ,再讓他進(jìn)入植物學(xué)的

12、領(lǐng)域。這一中肯的建議被采納了 ,借他父親轉(zhuǎn)到達(dá)姆一所大學(xué)任教的時(shí)機(jī) ,施陶丁格也來到該城的工業(yè)大學(xué)改讀化學(xué)。從此施陶丁格與化學(xué)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(xué)畢業(yè)。接著又來到施特拉斯堡 ,拜著名的有機(jī)化學(xué)家梯爾為師繼續(xù)深造。1907年 ,以他在實(shí)驗(yàn)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(xué)位。同年他被聘為卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)的副教授。5年后他被楚利希聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)聘任為化學(xué)教授。在這里他執(zhí)教了14年 ,這期間的教學(xué)和研究使他熟悉了化學(xué) ,特別是有機(jī)化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域和一些新的理論 ,為他順利開展科學(xué)研究奠定了扎實(shí)的根底。也在這期間 ,他投入了上

13、述關(guān)于高分子組成、結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)論戰(zhàn)。1926年 ,他為了有更充裕的時(shí)間 ,進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證他的大分子理論 ,他應(yīng)聘來到布萊斯高的符來堡專心從事科學(xué)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(xué)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(diǎn)逐步轉(zhuǎn)入植物學(xué)領(lǐng)域。事實(shí)上 ,他選擇高分子課題時(shí) ,就曾考慮到它與植物學(xué)的密切關(guān)系。在1926年他就預(yù)言大分子化合物在有生命的有機(jī)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(xué)人和他的妻子、植物生理學(xué)家瑪格達(dá)·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(dòng)、植物等有生命的生物體內(nèi) ,他們認(rèn)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段 ,終于用事實(shí)證明了生物體內(nèi)存在著大分子?？上У氖沁@一項(xiàng)有重要意義的工作 ,圇希特勒法西斯的上臺(tái)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