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第40章 高分子化学的创立者——施陶丁格

化学理论告诉我们,日常生活用的棉、麻、丝等都是天然高分子化合物,从某种意义上来说,甚至连人本身也是一个复杂的高分子体系。在过去漫长的岁月中,人们虽然天天与天然高分子物质打交道,但对它们的本性却一无所知。而为我们揭开这一秘密的就是高分子科学的奠基人——德国化学家施陶丁格。

海尔曼·施陶丁格出生在德国的弗尔姆斯。在中学时,他曾对植物学发生浓厚的兴趣,所以中学毕业后,他考入哈勒大学学习植物学。后来他父亲转到达姆一所大学任教,施陶丁格也来到该城的工业大学改读化学。从此施陶丁格与化学结下不解之缘。22岁时,他完成了关于不饱和化合物丙二酸酯的毕业论文,从大学毕业。接着又来到施特拉斯堡继续深造。四年后,以他在实验中发现的高活性烯酮为题完成了博士论文,获得了博士学位。

19世纪30年代末,有个名叫古德意尔的美国人,偶然发现天然橡胶与硫黄共热后明显地改变了性能,使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质,变为富有弹性、可塑性的材料。这一发现的推广应用促进了天然橡胶工业的建立。天然橡胶这一处理方法,在化学上叫做高分子的化学改性,在工业上叫做天然橡胶的硫化处理。

进一步试验,化学家们将纤维素进行化学改性获得了第一种人造塑料——赛璐珞和人造丝。1889年法国建成了最早的人造丝工厂,1900年英国建成了以木浆为原料的粘胶纤维工厂,天然高分子的化学改性,大大开阔了人们的视野。1907年,美国化学家在研究苯酚和甲醛的反应中制得了最早的合成塑料——酚醛树脂,俗名电木。1909年德国化学家以热引发聚合异戊二烯获得成功。在这一实验启发下,德国化学家采用与异戊二烯结构相近的二甲基丁二烯为原料,在金属钠的催化下,合成了甲基橡胶,开创了合成橡胶的工业生产。

上述对高分子化合物的单体分析,天然高分子的化学改性的实践和在合成塑料、合成橡胶方面的探索,使人们深切地感到必须弄清高分子化合物的组成、结构及合成方法。化学家们一直搞不清它们的分子量究竟是多少,它为什么没有固定的熔点和沸点,不易形成结晶?

早在19世纪60年代,胶体化学的奠基人,英国化学家格雷阿姆曾将高分子与胶体进行比较,认为高分子是由一些小的结晶分子所形成。并从高分子溶液具有胶体性质着眼,提出了高分子的胶体理论。这理论在一定程度上解释了某些高分子的特性,得到许多化学家的支持。尽管也有化学家提出了不同看法,但均未引起注意。我们将支持格雷阿姆的高分子胶体理论的称为胶体论者。他们拿胶体化学的理论来套高分子物质,认为纤维素是葡萄糖的缔合体。所谓缔合即小分子的物理集合。他们还因当时无法测出高分子的末端基团,而提出它们是环状化合物。

接着,施陶丁格进而提出了高分子是由长链大分子构成的观点,动摇了传统的胶体理论的基础。胶体论者坚持认为,天然橡胶是通过部分价键缔合起来的,这种缔合归结于异戊二烯的不饱和状态。他们自信地预言:橡胶加氢将会破坏这种缔合,得到的产物将是一种低沸点的低分子烷烃,针对这一点,施陶丁格研究了天然橡胶的加氢过程,结果得到的是加氢橡胶而不是低分子烷烃,而且加氢橡胶在性质上与天然橡胶几乎没有什么区别。结论增强了他关于天然橡胶是由长链大分子构成的信念。随后他又将研究成果推广到多聚甲醛和聚苯乙烯,指出它们的结构同样是由共价键结合形成的长链大分子。施陶丁格的观点继续遭到胶体论者的激烈反对,科学的裁判是实验事实。正当双方观点争执不下时,瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机,用它测量出蛋白质的分子量:证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。这一事实成为大分子理论的直接证据。到20世纪20年代后期,大分子的概念已得到与会者的一致公认。

20世纪30年代,施陶丁格总结了自己的大分子理论,出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》,成为高分子科学诞生的标志。认清了高分子的面目,合成高分子的研究就有了明确的方向,从此新的高分子被大量合成,高分子合成工业获得了迅速的发展。

从化学的角度来看,日常生活用的棉、麻、丝等都是由天然高分子组成的化学化合物,揭开这个秘密的就是施陶丁格。

表面上,化学是离我们非常遥远的一门科学,实际上,化学知识就在我们生活的点点滴滴之中,就像我们日常生活中常用的棉、麻、丝等与高分子化合物的关系一样。青少年应该培养化学的研究精神。

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