文/李 哲

化學(xué)不會(huì)自我炫耀，但沒有它，一些真正令人矚目的成就不可能達(dá)成。它在食品和藥品、衣服和住房、能源和材料、交通和通訊等方面為人類做出了極其重要的貢獻(xiàn)。在現(xiàn)代，化學(xué)品對(duì)生活的影響無處不在。盤點(diǎn)一天的生活，早起洗漱用的牙膏、香皂，出門乘車所需的汽油，單位上班必備的紙筆，下班聚餐吃的美味大餐……隨時(shí)隨地都離不開化學(xué)。如：利用化學(xué)生產(chǎn)化肥和農(nóng)藥，以增加糧食產(chǎn)量；利用化學(xué)合成藥物，以抑制細(xì)菌和病毒，保障人體健康；利用化學(xué)開發(fā)新能源、新材料，以改善人類的生存條件；利用化學(xué)綜合應(yīng)用自然資源和保護(hù)環(huán)境以使人類生活得更加美好。

“一個(gè)沒有化學(xué)的世界將沒有合成材料，這意味著沒有電話、沒有電腦、沒有電影院、沒有合成布料。那也將是一個(gè)沒有阿司匹林、肥皂、洗發(fā)水、牙膏，沒有化妝品、避孕藥、紙張（因此也就沒有報(bào)紙和書籍），沒有膠水和油漆的世界。”1987年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主萊恩這樣說。

化學(xué)，通過其研究主題——分子和材料，顯示了創(chuàng)造力，即產(chǎn)生新的、前所未有的分子和材料的能力。這些原創(chuàng)物質(zhì)及其無限的變異形態(tài)，通過原子組合和結(jié)構(gòu)的重新排列而被創(chuàng)造出來。石頭、聲音和文字并不是雕塑家、作曲家或作家打造的作品，而化學(xué)家用構(gòu)成物質(zhì)的元素創(chuàng)造了原創(chuàng)分子、新材料和未知物質(zhì)。

難以忘懷的“的確良”

“的確良”，這個(gè)活躍在20世紀(jì)七八十年代的物品，如今說來讓人依然懷舊。手感滑爽、耐穿易干、不用燙、顏色艷、不褪色，尤其是印染出的鮮亮，對(duì)熟悉了粗布粗衣或者是洋布洋衫的單一灰暗

曾風(fēng)靡大江南北的“的確良”襯衫

的中國人來說，不能不說是一次巨大的視覺沖擊。

“的確良”的化學(xué)名稱是聚酯，學(xué)名聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，屬于合成纖維。合成纖維是將人工合成的、具有適宜分子量并具有可溶（或可熔）性的線型聚合物，經(jīng)紡絲成形和后處理而制得的化學(xué)纖維。通常將這類具有成纖性能的聚合物稱為成纖聚合物。與天然纖維和人造纖維相比，合成纖維的原料是由人工合成方法制成，生產(chǎn)不受自然條件的限制。合成纖維除了具有化學(xué)纖維的一般優(yōu)越性能，如強(qiáng)度高、質(zhì)輕、易洗快干、彈性好、不怕霉蛀等外，不同品種的合成纖維還具有某些獨(dú)特性能。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界合成纖維年產(chǎn)量大約為1500萬噸，已超過天然纖維產(chǎn)量。形象地說，這相當(dāng)于30萬畝棉田或250萬頭綿羊的產(chǎn)量。再如工業(yè)用的一種合成材料——芳綸，它具有5～6倍于鋼絲的超高強(qiáng)度，但重量僅為鋼絲的1/5。而且，它耐酸堿，在560度的高溫下不分解、不融化。

當(dāng)今最主要的3大合成材料——合成塑料、合成纖維和合成橡膠，它們均主要以石油、天然氣或煤等為原料，全球年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)億噸。這些材料在工農(nóng)業(yè)、國防以及人民生活等方面正發(fā)揮著巨大的作用。假如沒有這些材料，我們今天的生活顯然是無法想象的。事實(shí)上，這些合成材料的發(fā)明徹底改變了人類的生活方式。

青霉素的發(fā)現(xiàn)

相信很多人都有過做青霉素皮試的經(jīng)歷，感冒發(fā)燒或者扁桃體發(fā)炎就打青霉素，這恐怕是人類的集體記憶。因?yàn)榀熜黠@而且價(jià)格便宜，20世紀(jì)，青霉素曾被親切地稱為“一針靈”。然而，在20世紀(jì)40年代以前，當(dāng)時(shí)若某人患了肺結(jié)核，那么就意味著此人不久就會(huì)離開人世。為了改變這種局面，科研人員進(jìn)行了長期探索，然而在這方面所取得的突破性進(jìn)展卻源自一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)。

1928年的一天，英國細(xì)菌學(xué)家弗萊明在一間簡陋的實(shí)驗(yàn)室里研究導(dǎo)致人體發(fā)熱的葡萄球菌。由于蓋子沒有蓋好，他發(fā)覺培養(yǎng)細(xì)菌用的瓊脂上附了一層青霉菌。這是從樓上的一位研究青霉菌的學(xué)者的窗口飄落進(jìn)來的。使弗萊明感到驚訝的是，在青霉菌的近旁，葡萄球菌忽然不見了。這個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)深深吸引了他，他設(shè)法培養(yǎng)這種霉菌進(jìn)行多次試驗(yàn)，證明青霉素可以在幾小時(shí)內(nèi)將葡萄球菌全部殺死。弗萊明據(jù)此發(fā)現(xiàn)了葡萄球菌的克星——青霉素。

1929年，弗萊明發(fā)表學(xué)術(shù)論文，報(bào)告了他的發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)未引起重視，而且青霉素的提純問題也

1935年，英國牛津大學(xué)生物化學(xué)家錢恩和物理學(xué)家弗羅里對(duì)弗萊明的發(fā)現(xiàn)大感興趣。錢恩負(fù)責(zé)青霉菌的培養(yǎng)和青霉素的分離、提純和強(qiáng)化，使其抗菌力提高了幾千倍，弗羅里負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)物觀察試驗(yàn)。至此，青霉素的功效得到了證明。

1942年，青霉素正式應(yīng)用于臨床，挽救了二戰(zhàn)中12%～15% 盟軍士兵的生命。為了表彰這一造福人類的貢獻(xiàn)，弗萊明、錢恩、弗羅里于1945年共同獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)。

青霉素只是現(xiàn)在全世界正在使用中的成千上萬種化學(xué)合成藥物中的一員。2009年，全球前200個(gè)銷售額最大的藥物中，至少有140種是化學(xué)合成藥物，這還不包括那些半合成的化學(xué)藥物。但是，僅從青霉素的發(fā)展歷程中便可以窺見化學(xué)所起的巨大作用。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必需品

19世紀(jì)以前，農(nóng)業(yè)上所需氮肥的來源主要是有機(jī)物的副產(chǎn)品，如糞類、種子餅及綠肥等，用現(xiàn)在的話說，這叫“有機(jī)肥”，天然、環(huán)保，但這并不能滿足農(nóng)業(yè)的需求，因?yàn)楫?dāng)時(shí)需要的是提高產(chǎn)量。由于大氣中4/5都是氮?dú)?，如何將大氣中極其穩(wěn)定的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成可被植物利用的物質(zhì)形式即所謂的“固氮”，一直是科學(xué)家關(guān)注的重大課題。

利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個(gè)挑戰(zhàn)性課題，從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，經(jīng)歷了150多年的時(shí)間。1909年，德國物理化學(xué)家哈勃在600℃、200個(gè)大氣壓下，用金屬鋨作催化劑，以6%的收率成功地在實(shí)驗(yàn)室中獲得合成氨，開啟了合成氨的新紀(jì)元。后來，化工專家博施進(jìn)一步改進(jìn)了這一技術(shù)（以鐵為催化劑），成為著名的“哈伯-博施法”合成氨過程。

今天，合成氨已經(jīng)成為最為重要的化工產(chǎn)品之一，世界上每年合成氨產(chǎn)量超過2億噸，以合成氨為原料的尿素產(chǎn)量達(dá)到1.5億噸，在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有重要地位。合成氨的工業(yè)技術(shù)結(jié)束了人類完全依靠天然氮肥的歷史，農(nóng)業(yè)上使用的其他氮肥，例如硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以合成氨為原料，大大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。由于這項(xiàng)革命性的合成技術(shù)，哈勃和博施分別獲得1918年和1931年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

如果不施用農(nóng)藥，世界糧食產(chǎn)量將因受病、蟲、草害的影響而損失1/3。舉例來說，在美國，如果不使用農(nóng)藥，農(nóng)作物和畜產(chǎn)品將減產(chǎn)30%，而農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格將增長50%～70%。如果不用除草劑，人工除草不僅會(huì)大大增加農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，土壤流失的風(fēng)險(xiǎn)也將急劇增加；如果不用殺菌劑，不僅花生的產(chǎn)量將下降60%多，由病菌產(chǎn)生的天然毒素（毒性可能強(qiáng)于某些農(nóng)藥）的量也可能會(huì)急劇增加，對(duì)人類的健康產(chǎn)生威脅。

不可否認(rèn)的是，農(nóng)藥的長期大量使用，對(duì)環(huán)境、生物安全和人體健康都可能產(chǎn)生較大的不利影響。上世紀(jì)曾一度廣泛使用的農(nóng)藥DDT就是一個(gè)典型的例子, 這給科學(xué)家們提出了一個(gè)不容回避的現(xiàn)實(shí)問題：在充分肯定農(nóng)藥的有利作用的同時(shí)，如何充分認(rèn)識(shí)農(nóng)藥對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生的危害以及如何防治農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染危害。

人工合成的牛胰島素結(jié)晶

人工合成結(jié)晶牛胰島素的貢獻(xiàn)

人和動(dòng)物胰臟內(nèi)有一種呈島形分布的細(xì)胞，分泌出一種叫胰島素的激素，具有降低血糖和調(diào)節(jié)體內(nèi)糖代謝的功能。胰島素是一種蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生物體的主要功能物質(zhì)，生命活動(dòng)主要通過蛋白質(zhì)來體現(xiàn)。1889年，德國的敏柯夫斯基首次發(fā)現(xiàn)了胰臟和糖尿病的關(guān)聯(lián)后，就不斷有人研究胰臟的“神秘內(nèi)分泌物質(zhì)”。1921年，加拿大的弗雷德里克·班廷等因首次成功提取到了胰島素，并成功地應(yīng)用于臨床治療，獲得了1923年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)；英國化學(xué)家弗雷德里克·桑首次闡明了胰島素分子的氨基酸序列，獲得了1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

作為一種蛋白質(zhì)，胰島素由A、B兩條肽鏈，共17種51個(gè)氨基酸組成。A、B 兩條鏈間有兩個(gè)硫硫鍵，A 鏈上另有一個(gè)硫硫鍵。不同動(dòng)物的胰島素有種屬差異性，其主要表現(xiàn)是A 鏈第 8、9、10 位的氨基酸及B鏈氨端區(qū)與羧端區(qū)的氨基酸有所不同。我國人工合成結(jié)晶牛胰島素是分三步完成的：第一步，先把天然胰島素拆成兩條鏈，再把它們重新合成為胰島素，并于1959年突破了這一難題，重新合成的胰島素是同原來活力相同、形狀一樣的結(jié)晶。第二步，在合成了胰島素的兩條鏈后，用人工合成的B鏈同天然的A鏈相連接。這種牛胰島素的半合成在1964年獲得成功。第三步，把經(jīng)過考驗(yàn)的半合成的A鏈與B鏈相結(jié)合。經(jīng)過嚴(yán)格鑒定，純化結(jié)晶的人工合成牛胰島素的結(jié)構(gòu)、生物活力、物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶形狀都和天然的牛胰島素完全一樣。

1965年9月17日，我國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中用人工方法成功地合成了結(jié)晶牛胰島素。這是世界上首次人工合成蛋白質(zhì)，也是人類認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象歷史上的義一次飛躍。它有力地推動(dòng)了我國生命科學(xué)基礎(chǔ)系列的研究；加快了國內(nèi)外與胰島素有關(guān)的激素的研究和應(yīng)用；促成了生化試劑和藥品的生產(chǎn)，為挽救人類生命作出了巨大貢獻(xiàn)。