高分子化学奠基人施陶丁格：与科学家相约

高分子化学奠基人施陶丁格

施陶丁格是德国有机化学家和高分子化学的奠基人。他自幼爱好哲学和自然科学，特别是植物学，酷爱化学实验。1903年，他获得化学博士学位。1912年，他在瑞士苏黎世联邦高等工业学校任教，讲授有机化学。1926年任德国弗莱堡大学教授，1940年任该大学高分子化学研究所所长。

施陶丁格首先提出高分子化合物概念，预言了高分子化合物与人体的重要关系。他提出了高分子化合物粘度跟高分子化合物相对分子质量之间的关系式，即施陶丁格方程，迄今仍为测定高分子化合物相对分子质量的基本方法。他首创的高分子理论直到今天仍然是合成高分子工业的理论基础。他是缩聚反应的发现者，是第一个合成能与天然橡胶媲美的人工合成橡胶。一生发表关于有机化学高分子方面的论文600多篇，出版了划时代的著作《高分子有机化合物》。他还是《高分子化学》杂志的创办人。由于他在高分子领域中的卓越贡献，曾获1953年诺贝尔化学奖。

棉、麻、丝、木材、淀粉都是天然高分子化合物，从某种意义上讲，人体本身也是一个复杂的高分子体系。在过去漫长的岁月里，人们虽然天天与天然高分子打交道，但是对它们的本性却一无所知。现在我们知道什么是高分子，并建立了许多大规模的高分子合成工业，生产出五光十色的塑料、精美耐用的合成纤维、性能优异的合成橡胶，可以毫不夸张地说，人类今天的衣、食、住、行、家用电器、建材、电子、化工、冶金、农业、交通、国防，小到一颗螺丝钉，大到航天飞行器，没有哪一样能离开合成高分子。我们身上穿的是聚酯衬衫、脚下踩的是聚丙烯地毯，用的是聚酯软盘……合成高分子材料已与金属材料、无机非金属材料构成材料世界的三分天下局面。人们生活在高聚物时代，享受着高聚物时代的物质文明，我们不能不缅怀高分子化学的奠基人德国化学家施陶丁格。

高分子是由许多结构相同的单体聚合而成的，相对分子质量往往是几万到数十万甚至百万。结构、形状也很特别，如果把普通分子看成珍珠，那么高分子由单体彼此连接成的长链就是项链。有些高分子长链之间又有支链相结而成网状。由于大分子与大分子间存在引力，这些长链不但各自卷曲而且相互缠绕，形成了既有一定强度，又有不同程度弹性的良好可塑性固体。正是这种内在结构，使它具有包括电绝缘与导电性在内的许多特性，成为新型的优质材料。人们对它们的组成、结构的认识和合成方法的掌握经历了一个实践——认识——再实践的曲折过程。

1812年，化学家用酸水解木屑、树皮、淀粉等植物的实验中得到了葡萄糖，证明淀粉、纤维素都由葡萄糖组成。1826年，法拉第通过元素分析发现橡胶的单体分子式为C₅H₈。后来人们测出C₅H₈的结构是异戊二烯，人们逐步了解了构成天然高分子化合物的单体。

1839年，有个名叫德意尔的美国人，偶然发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低变为富有弹性的材料。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，1990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2，3-二甲丁二烯为原料，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合成塑料、合成橡胶方面的探索，使人们深切地感受到必须弄清高分子化合物的组成、结构及合成方法。对于这个基础理论问题人们所知甚少，这一理论发展得缓慢与高分子本身的复杂性有关。化学家一直搞不清它们的相对分子质量究竟是多少，它为什么难于透过半透膜而有点橡胶体？它为什么没有固定的熔点和沸点，不易形成结晶？这些独特的性质以当时的化学观来看是很难理解的。

早在1861年，胶体化学奠基人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形成的，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。该理论在一定程度上解释了某些高分子的特性。

人们将支持格雷阿姆的高分子胶体理论的称为胶体论者。他们拿胶体化学理论来套高分子物质，认为纤维是葡萄的缔合体。所谓缔合体即小分子物理聚合。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。在当时只有德国有机化学家施陶丁格等少数几个人不同意胶体论者的上述看法。施陶丁格发表了《关于聚合反应》的论文，他从研究甲醛和丁二烯的聚合反应出发，认为聚合不同于缔合，它是分子靠正常的化学键结合起来的。天然胶应该具有线性长链的价键结构式。这篇论文的发表，就像在一潭平静的湖面扔进一块石头，一场激烈而又严肃的学术争论从此拉开序幕。

1922年，施陶丁格进而提出了高分子是由长链大分子构成的观点，动摇了传统胶体理论的根基。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。随后他将研究成果推广到多聚甲醛和聚苯乙烯中，指出它们的结构同样是由共价键结合形成的长链大分子。(www.xing528.com)

施陶丁格的观点继续遭到胶体论者的激烈反对，有的学者认为根本不可能有大分子存在。施陶丁格没有退却。他更认真地开展有关课题的深入研究，坚信自己的理论是正确的。他曾先后在1924年及1926年召开的德国博物学及医学会议上，详细地介绍了自己的大分子理论，与胶体论者展开了面对面的辩论。

辩论主要围绕着两个问题展开：一是施陶丁格认为测定高分子溶液的粘度可以换算出其相对分子质量，相对分子质量的多少可以确定它是大分子还是小分子。胶体论者则认为粘度和相对分子质量没有直接联系。当时由于缺乏必要的实验证明，施陶丁格显得比较被动，处于劣势地位。施陶丁格没有退却，通过反复的研究，终于在粘度和相对分子质量之间建立了数学关系式，这就是著名的施陶丁格方程。辩论的另一个问题是高分子结构中晶胞与分子结构的关系。双方都使用X射线衍射法观测纤维素，都发现单体（小分子）与晶胞大小很接近。对此双方的看法截然不同。胶体论者认为一个晶胞就是一个分子，晶胞通过晶格力相互缔合，形成高分子。施陶丁格认为晶胞大小与高分子本身大小无关，一个高分子可以有许多晶胞。对同一实验事实有不同解释，究竟谁是谁非？科学的裁判是实验事实。正当双方观点争执不下时，1926年瑞典化学家斯给德贝格等人设计出一种超离心机，用它测量出蛋白质的相对分子质量，证明高分子的相对分子质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。

事实上，参加这场论战的科学家都是严肃认真和热情友好的。他们为了追求科学真理，都全身心地投入了缜密的实验研究，都尊重实验事实。当许多实验逐渐证明施陶丁格的理论更符合事实时，支持施陶丁格的队伍也随之壮大，1926年的国际化学会上大分子概念已得到与会者的一致公认。

在大分子理论被接受的过程中，最使人感动的是原先大分子理论的两位主要反对者，晶胞学说的权威马克和迈耶在1928年公开地承认了自己的错误，同时高度评价了施陶丁格的出色工作和坚忍不拔的精神，并且还具体地帮助施陶丁格完善和发展了大分子理论。这就是真正的科学精神。

1932年，施陶丁格总结了自己的大分子理论，出版了划时代的著作《高分子有机化合物》，这成为高分子化学诞生的标志。认清了高分子的真面目，对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。为了表彰施陶丁格在建立高分子化学上的伟大贡献，1953年他被授予诺贝尔化学奖。

施陶丁格1881年3月23日出生在德国的弗尔姆斯。他父亲是新康德派的哲学家，所以他从小就受到各种新的哲学思想的熏陶，对新事物比较敏锐，在科学推理、思维中，能够不受传统观念的束缚，善于从复杂的事物中，理出头绪，发现关键之处，提出新的观点。在中学时，他曾对植物学发生浓厚兴趣，所以中学毕业后，他考入哈勒大学学习植物。当有一位对科学发展颇有见识的朋友向他父母进言，最好先让施陶丁格打下深厚的化学基础后，再让他进入研究植物学的领域。这一中肯的建议被采纳了。施陶丁格改读化学。从此与化学结下了不解之缘。

1903年，他完成了关于不饱和化合物丙二酸酯的毕业论文。到施特拉斯堡，拜著名的有机化学家梯尔为师继续深造。1907年，以他在实验中发现的烯酮为题完成了博士论文，获得了博士学位。同年，他被聘为卡尔斯鲁厄工业大学的副教授。五年后他被楚利希联邦工业大学聘为化学教授。在那里他执教了14年，这期间的教学和研究使他熟悉了化学，特别是有机化学的各个领域和一些新的理论，为他顺利开展科学研究奠定了扎实的基础。这期间，他投入了上述关于高分子组成、结构的学术论战。1926年，他为了赢得更充裕的时间，进行更多的实验来论证他的大分子理论，他应聘来到布莱斯高的符来堡专心从事科学研究。在符来堡他度过了他的后半生，许多重要的科研成果都是在这里完成的。

施陶丁格在高分子科学研究中取得成功之后，他开始按照早年的设想，将研究的重点逐步转入植物学领域。事实上，他选择高分子课题时，就曾考虑到与植物学的密切关系。在1926年，他就预言大分子化合物在有生命的有机体中，特别是蛋白质之类化合物中起着重要的作用。他顺理成章地将大分子的概念引入到生物化学，与他的妻子、植物生理学家玛格达·福特合作研究大分子与植物生理，又踏上新的研究征途。

要证明大分子同样存在于动植物等有生命的生物体内，他们认为最好找到除了粘度法之外的其他方法，证明大分子的存在和存在形式。经过两年多的努力，他们利用电子显微镜等现代实验观测手段，终于用事实证明了生物体存在着大分子。可惜的是这一项有重要意义的工作，因希特勒法西斯的上台和第二次世界大战的爆发而被迫中断，施陶丁格所在的研究所毁于战火。

第二次世界大战一结束，施陶丁格立即总结了他前一段关于生物有机物中大分子的研究。1947年出版了著作《大分子化学及生物学》。在这一著作中，他尝试性地描绘了分子生物学的概貌，为分子生物学这一前沿学科的建立和发展奠定了基础。为了配合高分子的发展，1947年起他主持编辑了《高分子化学》这一专业杂志。他晚年的兴趣主要在对分子生物学的研究。

1965年9月8日，施陶丁格安然去世，享年84岁。