材料星故事（一）

劉超

本欄目從這一期開始，將連續(xù)刊登多位古今中外在材料科學(xué)歷史上作出巨大貢獻的“材料巨星”們的故事，本期將向讀者講述弗里德里希·維勒，他不僅是“尿素”的首位合成者，更糾正了有機化學(xué)與無機化學(xué)之間長期存在的認(rèn)識誤區(qū)，開啟了有機化學(xué)發(fā)展的“春天”。

在近代化學(xué)的發(fā)展歷史上，長期以來，一直有一個難以打破的觀點：有機物來自于有機生命體，而無機物與生命體是無關(guān)的，兩者間存在著本質(zhì)的界限，不可因此生彼。而打破這一界限的時間節(jié)點在1928年，其關(guān)鍵人物就是德國著名化學(xué)家——弗里德里?！ぞS勒 （見圖1）。

少年維勒的癡迷

如果沒有興趣使然，很難想象那些卓越的科學(xué)家成就的“偉大”，其動力源泉是什么，難道僅僅是依靠天賦和汗水？

1800年，維勒生于德國萊茵河畔法蘭克福小鎮(zhèn)——埃斯欣姆。小維勒的父親是當(dāng)?shù)芈劽l(xiāng)里的醫(yī)生，名望甚高，備受尊敬。他希望維勒將來也能像他一樣做一名受人尊敬且技術(shù)高超的醫(yī)生，繼承自己的衣缽，光大門楣。因此，他對維勒的教育十分重視。當(dāng)維勒剛上小學(xué)的時候，他的父親就經(jīng)常在維勒的耳邊灌輸這種期望。

不懂得藥物和藥理，不會成為一名合格的醫(yī)生，這也就繞不開要接觸化學(xué)方面的知識。維勒遵照父親的叮囑，除了學(xué)好學(xué)校規(guī)定的課程外，他在業(yè)余時間學(xué)習(xí)化學(xué)知識，由此對化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。凡事就怕較真，一旦鉆進去，就會“不可自拔”。隨著對化學(xué)接觸的時間越長，維勒對化學(xué)的興趣達到了“癡迷”的程度。每天只要一放學(xué)，維勒肯定會第一時間鉆進自己的屋子里，按照化學(xué)課本上的實驗步驟，開始擺弄起燒杯、量杯、坩堝、曲頸瓶等實驗儀器?；瘜W(xué)實驗讓維勒找到了自我，沉迷中已經(jīng)忘記了父親對他的期望，他不再希望自己將來能成為一名醫(yī)生，而是更想在長大以后當(dāng)一名化學(xué)家。這顯然與維勒醫(yī)生對他的期望背道而馳。沉迷于化學(xué)實驗，讓維勒醫(yī)生對少年時期的維勒大為不滿，他甚至沒收了維勒的化學(xué)實驗書籍和實驗儀器。為此，小維勒經(jīng)常跟父親發(fā)生“思想上的碰撞”。

維勒醫(yī)生的一位至交好友名叫布赫，也是一位德高望重的醫(yī)生。當(dāng)小維勒與父親生氣時，他經(jīng)常會跑到布赫醫(yī)生家里，訴說自己“不可名狀的遭遇”。布赫醫(yī)生年輕時也曾是一位化學(xué)迷，而且在學(xué)術(shù)領(lǐng)域還有一些人脈。當(dāng)小維勒每次受了委屈找到他時，他就會拿出一些從好友那里獲得的關(guān)于化學(xué)領(lǐng)域最新的信息與小維勒共享。不僅如此，布赫醫(yī)生家里藏有大量的化學(xué)專著和理論書籍，更是讓小維勒大開眼界。布赫醫(yī)生支持小維勒進入到書籍的海洋，像海綿一樣吸取知識，還經(jīng)常與小維勒討論一些他感興趣的問題。他很注意對小維勒的啟發(fā)，針對一個問題總會鼓勵他不斷地運轉(zhuǎn)大腦，他對小維勒說過一句話：你如果想要成為一名科學(xué)家，就應(yīng)該盡可能地學(xué)習(xí)更多的知識。這句話深深地印在了小維勒的腦海里。

就這樣，從小學(xué)到中學(xué)，愉快的少年生活轉(zhuǎn)瞬即逝，小維勒即將步入大學(xué)的殿堂。這期間，他早已與布赫醫(yī)生成了無所不談的忘年交。

因“法老之蛇”而聲名鵲起

在維勒20歲那年，他以優(yōu)異的成績考入了馬爾堡醫(yī)科大學(xué)，雖然維勒自幼酷愛化學(xué)，但在選擇專業(yè)的時候，依然遵從父親，選擇醫(yī)學(xué)專業(yè)。然而，大學(xué)的繁忙課程并沒有讓維勒放棄他對化學(xué)的執(zhí)著喜愛，在保證所有專業(yè)課保持優(yōu)異成績的同時，每天都要擠出時間悶在宿舍學(xué)習(xí)最感興趣的化學(xué)知識，或者做化學(xué)實驗。如果有一天沒有接觸那些化學(xué)實驗儀器，他甚至?xí)摺Ｔ谶@期間，維勒對硫氰酸鹽展開了研究，并成功制得硫氰酸汞并揭示了這種物質(zhì)的一些基本性質(zhì)。

維勒為了得到自己想要的實驗結(jié)果，他經(jīng)常不顧時間的持續(xù)進行實驗。有一次，維勒將硫氰酸銨溶液與硝酸汞溶液混合，生成了白色沉淀硫氰酸汞，將這些沉淀物過濾后讓其慢慢自然干燥。連續(xù)的實驗已經(jīng)讓他深感疲憊，維勒打算休息一下睡個覺。但是，他閉上眼睛后，滿腦子都是實驗的過程，越想越清醒，干脆他就起身盯著還未干燥的硫氰酸汞沉淀，等著它慢慢變干。沉淀干燥后，維勒取了少許粉末放在瓦片上加熱，當(dāng)瓦片被燒熱后，上面的粉末迅速膨脹，同時劈啪作響。膨脹物呈現(xiàn)黃色，就像是一條從瓦片上突然鉆出的蛇，過程異常罕見與壯觀。這條形狀像蛇的東西則被化學(xué)界稱為“法老之蛇”（見圖2），而硫氰酸汞受熱分解產(chǎn)生物迅速膨脹的反應(yīng)也在化學(xué)膨脹反應(yīng)中最具代表性。為了驗證這一現(xiàn)象的可重復(fù)性，維勒反復(fù)多次進行了這個實驗，產(chǎn)物和燃燒后的現(xiàn)象完全一樣。隨后，維勒將這一實驗過程和生成物的燃燒膨脹過程進行了詳細(xì)描述，整理成論文。他找到“忘年交”布赫醫(yī)生，向其說明想將這一論文發(fā)表的愿望。在布赫醫(yī)生的幫助下，這篇關(guān)于硫氰酸汞如何發(fā)生熱分解的論文發(fā)表在了當(dāng)年的《吉爾伯特年鑒》上。這篇論文一經(jīng)發(fā)表，就引起了被稱為“有機化學(xué)之父”、瑞典最負(fù)盛名的大化學(xué)家貝采里烏斯（圖3）的高度評價，他在《年度述評》中對維勒的發(fā)現(xiàn)給出肯定且贊許的評價。

名家的稱贊，并未讓維勒沾沾自喜。為了在化學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)有所建樹，維勒決定去海德堡大學(xué)（圖4），拜在被稱為“海德堡的貝采里烏斯”的著名化學(xué)家列奧波德·格美林的門下。在海德堡大學(xué)，維勒見到了慕名已久的格美林教授，當(dāng)他表明來意并希望格美林教授收下自己為學(xué)生的時候，當(dāng)格美林教授得知維勒學(xué)的是醫(yī)學(xué)專業(yè)時，果斷地拒絕了他。格美林教授說：“您現(xiàn)在在化學(xué)方面所取得的成績和學(xué)識，已經(jīng)超過我所有學(xué)生太多，也超過了我講授課程的范圍，沒必要再在我的課堂上浪費寶貴的時間?！苯淌诘幕卮穑尵S勒大失所望?！爱?dāng)然，您做我的學(xué)生，我是不會同意的。但如果您愿意來到我的實驗室工作，我會感到十分的高興。在這里，我相信您能做出更加有意義的成績?！备衩懒纸酉聛淼脑挘尵S勒如釋重負(fù)，他毫不猶豫就答應(yīng)了。當(dāng)時，格美林教授的實驗室是德國國內(nèi)當(dāng)時最著名的化學(xué)實驗室，許多人都視進入該實驗室工作為無比驕傲的事情，當(dāng)然也是維勒夢寐以求的。

就這樣，維勒成為格美林教授實驗室中的一員。然而，當(dāng)聽說醫(yī)學(xué)專業(yè)的維勒進入了化學(xué)教授的實驗室這件事情之后，海德堡的另一名教授、著名生理學(xué)家弗蘭德里奇·蒂德曼坐不住了。他認(rèn)為，維勒是難得的天才，如果不好好學(xué)醫(yī)真是太可惜了。蒂德曼想要將維勒收為自己的學(xué)生。2位名師爭搶一個學(xué)生，在海德堡大學(xué)還是未有之事，不僅讓全校師生為之驚嘆，更是讓維勒本人無地自容。在2位教授的協(xié)商之下，決定讓維勒跟隨蒂德曼教授繼續(xù)學(xué)習(xí)生理醫(yī)學(xué)專業(yè)，跟隨格美林教授研究生理學(xué)中的化學(xué)問題。

大傷腦筋的化學(xué)實驗

蒂德曼和格美林2位教授的傾囊相授，開啟了維勒的化學(xué)人生。蒂德曼教授建議維勒：尿液是有機生命體排泄出的重要化學(xué)物質(zhì)，對生理學(xué)有巨大的研究價值和學(xué)術(shù)價值。1823年，經(jīng)過一年多的鉆研，維勒從人尿和狗尿中成功分離出了一種白色晶體，他又在格美林教授的指導(dǎo)下，對這種白色晶體的化學(xué)成分進行了分析，測定了晶體中碳、氫、氧、氮的含量，證實就是尿素（圖5—6）。他掌握了尿素一些主要的化學(xué)性質(zhì)和在動物機體中的生理作用。同年9月，憑借此成就，維勒在23歲時就獲得了海德堡大學(xué)的醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。鑒于維勒對化學(xué)的由衷熱愛，格美林教授又將他推薦給了瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的化學(xué)大師貝采里烏斯，讓“化學(xué)巨匠”的光環(huán)照耀著維勒在化學(xué)之路上繼續(xù)前行。

貝采里烏斯初識年輕的維勒，就想起來幾年前維勒在《吉爾伯特年鑒》中發(fā)表的論文，于是對其更加喜愛。因為欣賞，貝采里烏斯對維勒的關(guān)懷遠(yuǎn)超出了其他的學(xué)生。在斯德哥爾摩大學(xué)（圖7），維勒向貝采里烏斯學(xué)到了更加具有創(chuàng)新性的試驗方法和理論，眼界大開。維勒跟隨貝采里烏斯學(xué)習(xí)了礦物的化學(xué)分析方法，熟練地掌握了分析和制取各種元素的新方法，同時開始研究氰酸類物質(zhì)。一年后，維勒離開了貝采里烏斯教授，回到德國。雖然師生2人相處一年多，但卻因為老師對學(xué)生的欣賞和學(xué)生對老師的敬仰而結(jié)下了深厚的友誼，2人雖然時而在學(xué)術(shù)觀點上分歧巨大，但這份友誼卻一直延續(xù)到貝采里烏斯去世。

回到家鄉(xiāng)，維勒在家繼續(xù)對氰酸類進行研究，他要尋找一種能簡便制出氰酸銨的方法。他讓氰酸與氨氣這兩種無機物進行反應(yīng)，意圖直接制取氫酸銨。讓維勒詫異的是，兩者反應(yīng)后的生成物不是氰酸銨，經(jīng)分析是草酸。他懷疑可能是在反應(yīng)過程中出現(xiàn)了某種差錯，進而再次進行試驗，結(jié)果居然與第一次完全一樣，還是草酸！繼續(xù)反復(fù)多次實驗，結(jié)果依然不變。維勒改用氰酸與氨水進行反應(yīng)，這是個復(fù)分解反應(yīng)，結(jié)果生成了草酸和一些白色結(jié)晶體。這種結(jié)晶體不會是氰酸銨（因為用這種物質(zhì)與苛性鉀反應(yīng)，沒有放出氨氣；與酸反應(yīng)，也沒有產(chǎn)生氰酸）。迫于家里沒有更好的實驗條件，維勒不能證明這種白色物質(zhì)是什么，讓他大傷腦筋。

過了一段時間，柏林化學(xué)和礦物學(xué)校的負(fù)責(zé)人慕名登門拜訪，想聘請維勒到學(xué)校任教，這所學(xué)校雖然不是出名學(xué)府，但教學(xué)硬件已經(jīng)在當(dāng)時的德國名列前茅，實驗室的儀器和設(shè)備應(yīng)有盡有。維勒做夢都想擁有一間屬于自己的設(shè)備完善的實驗室，面對巨大誘惑他欣然接受了聘書。

開啟化學(xué)新時代

直到1928年，維勒終于證實了幾年前在自己家里用氰酸與氨水反應(yīng)生成的白色物質(zhì)正是他在大學(xué)時期從動物尿液中分離出來的尿素。舉一反三，維勒還用氯化銨與氰酸銀（或以氨水與氰酸鉛）反應(yīng)，都能得到比較純凈的尿素。維勒本意是制出氰酸銨，結(jié)果卻意外合成了尿素。這次意外雖然沒有得到維勒想要的結(jié)果，但卻意外實現(xiàn)了用無機物人工合成有機物的壯舉。在此之前，以其老師貝采里烏斯為代表的一批化學(xué)家認(rèn)為：無機化學(xué)定律對有機化學(xué)不起作用，人們只能合成無機物，不能合成有機物。這就是在十八、十九世紀(jì)生物學(xué)界和化學(xué)界普遍流行的“生命力論”。而維勒的實驗結(jié)果打破了這一存在了很多年的論斷。

1928年底，維勒以《論尿素的人工制成》為題，將論文發(fā)表在了當(dāng)年的《物理學(xué)和化學(xué)年鑒》第12卷，引起了化學(xué)界的震動。他遠(yuǎn)在瑞典斯德哥爾摩大學(xué)大學(xué)的亦師亦友貝采里烏斯看到這篇論文后，斷然不信。在他給維勒的信中打趣調(diào)侃道：可以在實驗室里造出一個孩子來嗎？甚至就連維勒在海德堡大學(xué)的導(dǎo)師格美林教授都不相信能用無機物能人工合成有機物。

雖然維勒的成績被許多人質(zhì)疑，尤其是自己的2位老師，但也得到了不少化學(xué)領(lǐng)域的著名科學(xué)家的支持。他的好友、同為德國偉大化學(xué)家的尤斯圖斯·馮·李比希（圖8）就堅定地站在維勒一方。2人因在氰酸類物質(zhì)的研究中同時發(fā)現(xiàn)了同一種分子式的不同種結(jié)構(gòu)（即“同分異構(gòu)體”）產(chǎn)生了共鳴，成為一生的好友。在維勒的啟發(fā)下，不少科學(xué)家嘗試有機物的合成：1845年，德國化學(xué)家科爾貝人工合成了有機物醋酸，接著人們又合成了葡萄酸、檸檬酸、蘋果酸等有機酸；1854年，法國化學(xué)家貝特羅人工合成了油脂類物質(zhì)；1861年，俄國化學(xué)家布特列洛夫人工合成了糖類物質(zhì)等等。以維勒為發(fā)端，之后的一系列有機化學(xué)合成實驗取得了巨大的進展。貝采里烏斯不得不承認(rèn)維勒等人的成就，橫亙在無機化學(xué)與有機化學(xué)之中多年的鴻溝終于被逾越。到19世紀(jì)下半葉，化學(xué)家已經(jīng)合成出了絕大多數(shù)的簡單有機物，為人類在20世紀(jì)合成蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子奠定了堅實的基礎(chǔ)。

因尿素的人工合成，維勒瞬時間享譽世界。1836年，德國著名學(xué)府——哥廷根大學(xué)（圖9）聘請維勒擔(dān)任化學(xué)教授；1854年，維勒成為英國倫敦皇家學(xué)會會員，法國科學(xué)院院士；1872年獲得該會的科普利獎。

可以說，維勒一生中的每一個成就，都可以載入化學(xué)和材料的史冊：成功首次人工合成尿素；發(fā)現(xiàn)了“同分異構(gòu)體”；制備了鋁單質(zhì)；發(fā)現(xiàn)了鈹、釔元素，并且命名了“鈹”；分離出硼；對硅烷和鈦及其化合物的基本性質(zhì)進行了闡述；與李比希一道發(fā)現(xiàn)了苯甲酸基團，共同發(fā)現(xiàn)了扁桃苷；證明碳化鈣與水反應(yīng)生成乙炔；發(fā)現(xiàn)了對二苯酚（氫醌）。

1882年9月23日，弗里德里希·維勒在哥廷根逝世。此時，他所開創(chuàng)的有機化學(xué)的人工合成方向，已經(jīng)成為一股推動有機化學(xué)向前發(fā)展的巨大洪流。維勒開創(chuàng)了一個有機合成的新時代。1982年，在維勒逝世100年的誕辰之際，德國 （西德）為紀(jì)念他特地發(fā)行了紀(jì)念郵票，以此提醒人們永遠(yuǎn)銘記他的功績 （圖10）。

參考文獻

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