科學在簡單和複雜之間(一):化學合成的誕生

By Jwu-Ting Chen, Emeritus Professor Chemistry, NTU

自從法國的拉瓦節在十八世紀的後葉,提出燃燒是物質與氧元素的反應,確立了元素的概念,和化學反應質量守恆定律,就奠立了化學的房角石。

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Antoine-Laurent Lavoisier by Jules Dalou 1866

十九世紀化學起飛

十九世紀的化學與浪漫派音樂同時展開了劃時代的旅程。1803年,貝多芬在奧地利演出了第三號英雄交響曲。從此,音樂不再只為貴族服務。英國的道耳吞則是在英國為他的「原子說」發表了第一篇關於原子與原子量的論文,他向世界宣告,我們的世界是由不同元素(element)的原子(atom)組成,原子不斷地排列組合造就了我們多樣多變的世界。

1809年,歌德完成了他的小說–「選擇的親和力」(Elective Affinity)。他用化學家認識自然界中物質的觀點來描述聚散離合:「親和力只有在離異時才顯得有趣。難道這個在今日社會裡經常聽到的悲傷字眼也發生在自然科學中嗎?的確,愛都爾回答,甚至把化學家稱為使一物和另一物離異的藝術家。對他們也算是一種恭維吧。但是如今已非如此,夏綠蒂說:現在合成才是好事。因為使事物結合才算更偉大的藝術和功勞,能夠將任何主題統合的藝術家,將會受到世人的歡迎。」

莫非歌德筆下的夏綠蒂是位化學先知?1911年,亞弗加厥根據給呂薩克的氣體反應實驗中各種氣體顯示的質量定比關係,提出氣體是以原子集結的「分子」(molecule)形式存在的假說(hypothesis)。原子為什麼要靠在一塊呢?哪些原子傾向靠在一塊呢?原子們又是如何的集結呢?懷疑原子說的科學家還少嗎?為什麼還要相信分子呢?

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Wöhler synthesis

拉瓦節於1794年在混亂的法國大革命中不幸淪為仇恨的受害者,死於斷頭台上。其後的二十年中,當時許多歐洲的重量級化學家如英國的戴維、沃勒斯登,法國的安培,瑞典的貝吉理斯等,都忙著從自然界分離純元素,或發現新元素。年輕的沃勒1823年在海德堡修完藥學學位,北上斯德哥爾摩隨貝吉理斯從事化學研究。

沃勒跟著貝吉理斯工作的機會的確讓他參與了鈹(beryllium)、矽(silicon)元素的發現。更重要的是成功單離出當今最重要的民生建材之一的金屬鋁(aluminum),還有鈹、鈦(titanium)等元素。但是沃勒的傳世成就卻是有機化學的先驅,因為他在1828年成為世界上第一位從無機物質異氰酸銨(ammonium isocyanate, NH4OCN)合成出尿素(urea, (NH2)2CO)的人。事實上,化學史公認這是世界上第一次成功的「化學合成」(Chemical Synthesis),也是第一個「有機合成」(Organic Synthesis)反應。

有機化學與生機論

貝吉理斯在1806年才提出有機化學(organic chemistry)的名稱。在十九世紀之前,阿拉伯的煉金術士早就單離了酒精,就是乙醇(ethanol, C2H5OH)。蟻酸(甲酸)、醋酸、苯甲酸、琥珀酸(丁二酸)也是早先發現的有機物質。十八世紀一位品學兼優的實驗天才,瑞典的席勒還單離了草酸、酒石酸、檸檬酸、乳酸、甘油’、氰酸和一些芳香的酯類。當時世人都相信這些物質皆源自有生命的動植物,而且也只能來自於生命的器官(organism),無法從非生命的物質,譬如礦物中取得,這就是生機論(Vitalism)。

生命器官怎麼能與機械相提並論呢?類似生機論的想法或相關的哲學在東西方都可綿溯千年,又與鍊金術、煉丹術或各種宗教結合,深植人心。在十八世紀之前另一個困擾科學逾百年的學說是燃素論(Phlogistonism)。席勒和普利斯力都發現了氧氣,但是都深陷於燃素論的泥淖中,認為燃燒現象是一種從來沒弄清楚是蝦米碗稞的「燃素」在物質間進進出出。這些思想都難免古希臘的玄學思維,放眼今天坊間媒體似是而非的想像,譬如有機食療、另類療法、奈米水、善念烹調、特異功能…,又何曾少過?

化學革命
Promethus

Promethus

Sisyfus

Sisyfus

遐想、玄思、哲思、夢想、幻想…,哪一種更簡單?哪一種更合理?哪一種更簡單?哪一種更人性?生命值得投注在一個具有一致性、連貫性、歷史性、智人性的信念上嗎?科學究竟傾向選擇普羅米修斯(Prometheus)前瞻的深思遠慮,寧可獻上永遠的命運,也要為世人取得焉知禍福的火種;抑是薛西弗斯(Sisyfus)的後裔,昧於自以為是的智慧,驕傲的挑戰那無休無止的使命?雖然兩者都可能淺嚐瞬間成就的喜悅!

拉瓦節對科學的信念是伽利略、迪卡爾與牛頓的跟隨者,洞悉了物質與氧氣的化學反應(chemical reaction)不僅可以捨棄燃素論,解釋燃燒現象。也符合牛頓建立的力學系統下的物質世界。最重要的是經過他仔細研究的化學反應,皆能符合物質守恆的邏輯證據,擺脫糾纏逾千年,人各一把號的鍊金術的困惑。新的化學必須遵從理性、邏輯的推理,更要符膺有證據的實驗法則。而元素(element)正是無法再分解為其他物質的基本成分!如果還可以分解的純物質(substance)就是化合物(compound)。

人類可以複製,或甚至創造物質嗎?十九世紀初,貝吉理斯眼中的有機化學是有機反應背後必然有些未知的,和生命有關的調控力量。所以他把純物質分成有機化合物(organic compound)和無機化合物(inorganic compound)。沃勒任教於柏林技術學校時,在異氰酸鹽和氯化銨的反應中獲得了一些無色的結晶。經過分析,他發現竟然和尿液中分離的尿素結晶是同一種物質。沃勒在驚訝之餘,立刻寫信給貝吉理斯,並且強調這個尿素合成反應沒有使用任何動物的腎臟器官、組織、或生命成分!不論伯齊理斯當時是否完全信服,他的回信卻是樂觀與鼓勵兼具,肯定沃勒發現的重要性與前瞻性。

尿素是在18世紀從尿液中發現的物質。今天我們知道它含有兩個醯胺基(H2NCO),其實是兩個胺基(-NH2)接在同一個醯基(C=O)的碳原子上。在哺乳類的肝、腎中的尿素循環(urea cycle),淨反應就是將多餘的氨(NH3)與二氧化碳結合形成尿素,以尿液排出,以維持身體中氮素穩定的含量。

沃勒的發現無可避免的引起了科學界意識形態的戰爭。沃勒落在與生機論者抗爭的漩渦中心,在往後的研究中也的確用心的尋找更多將無機物轉變成有機物的例子。但是面對當時仍然十分原始的分析及鑑定有機化合物之技術,他也慨歎:「有機化學真是令人抓狂,就像一個沒有邊界卻充滿怪獸或驚人事物的原始林,惟恐一踏進去就無路可逃了。」又說:「我或許可以自誇在這新領域有些貢獻,但是複雜的化學式真是不得其門而入!」

簡單和複雜之間

複雜的事物較諸簡單的更具有挑戰性,科學研究更是如此。從蘇格拉底以降,分析方法正是化繁為簡,一旦能認清、掌控簡單的對象,求知的挑戰心和成就感就可能吸引有志者更上層樓。反之,面對過於複雜的現象,嚴謹求證者可能不得其門而入,穿鑿附會的想像卻敢夸夸而談。

所以科學在簡單與複雜之間是如何蘊育與成長呢?黑格爾曾說:「存在的就是真實;真實的就是存在。」卓姆斯基認為無知有兩種,如果面對不解的事物仍然提出合理的問題,即便沒有立刻獲得解答,常常可在探究的過程中獲得洞見與知識,和繼續尋找的線索。但是貿然訴諸神秘,就會侷限於愕然與困惑,不知所措的窘境。科學正是要尋找真實的存有,但是必須問對問題,才能踏上正途。

Woehler

Friedrich Wöhler, 1800 – 1882

沃勒的挑戰不僅是化學。生機論的對手認為他用的起始物的根源仍然是生命。1981年諾貝爾化學獎得主霍夫曼描述沃勒合成反應的意義,不僅是在化學反應上,而是推倒了時代的高牆。生機論的信念不容混淆,生命與非生命的物質涇渭分明。面對根生蒂固的思想高牆,沃勒的工作好比薛西弗斯的巨石。1948年。他在哥廷根大學的學生柯耳伯從無機化合物合成了醋酸(acetic acid, CH3CO2H),再度重擊生機論。

生命是如此複雜與神秘,生機論在今天的社會中,甚至科學界未必全然消失。偉大睿智的法國醫生路易巴斯德曾以無氧發酵的過程,在1858年堅持細胞具有的生命素質並非如萊比錫主張的化學催化劑所能取代。萊比錫常被譽為是另一位有機化學的創始者。他創立了學校教育中有機化學實驗室教學的傳統,萊比錫發明的凝結裝置(Liebig kaliapparat)至今仍然是美國化學學會的標誌。

卡爾士魯赫大會(Karlsruhe Congress)

1860年9月3-5日,決定苯的環形結構的凱庫勒聯合了伍爾茨、威爾欽在卡爾士魯赫(Karlsruhe)召開了世界上第一個國際化學會議。會中,年方34的卡尼札諾在一百多位國際最顯赫的化學家面前討論眾說紛紜的原子量與分子量的問題。他從定比、倍比定律結合拉瓦節的元素論、道耳吞的原子論、亞弗加厥的分子論,將氫視為雙原子分子,優雅的推論出碳原子的原子量為12,氮原子為14,氧原子為16。在有機化學方面,碳原子是所有有機化合物的骨架。碳原子量的塵埃落定促成有機化合物化學結構式的共識。終於在十九世紀結束前迫使生機論的爭論從此雲淡風輕,有機化學及化學合成的進展遂得以展翅高飛。

卡爾士魯赫大會成功的簡化了化學家面對複雜世界的複雜爭論。這些爭論可能多少都影響到生物學與醫學的發展,他們都是在化學成為成熟的科學之後,在二十世紀才迎頭趕上。值得一提的是與會者中有一位二十幾許的小伙子。從聖彼得堡來的年輕的門德列夫在會議中大受啟發與激勵。他在1869年發表了第一個化學元素週期表,為拉瓦節歷史性的文明啟蒙立下美麗的新里程碑。這份成就未能在他1907年離世前獲得諾貝爾獎,應該是諾貝爾獎最大的損失之一!

嚴格來說,生機論的魂魄仍然糾纏在世間。從人文的角度看來,科學仍然不能確定是普羅米修斯或是薛西弗斯的後裔。

 

拉瓦節 (Antoine Lavoisier, 1743 –1794);貝多芬 (Ludwig van Beethoven, 1770–1827);道耳吞 (John Dalton FRS, 1766 – 1844);歌德 (Johann Wolfgang Goethe 1749 –1832);亞弗加厥 (Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e di Cerreto, 1776 –1856);給呂薩克 (Joseph Louis Gay-Lussac, 1778 –1850);戴維 (Sir Humphry Davy, 1778 –1829);沃勒斯登 (William Hyde Wollaston PRS, 1766 – 1828);安培 (André-Marie Ampère, 1775 – 1836);貝吉理斯 (Baron Jöns Jacob Berzelius, 1779 –1848);沃勒 (Friedrich Wöhler, 1800 – 1882);席勒 (Carl Wilhelm Scheele, 1742 – 1786) ;普利斯力 (Joseph Priestley FRS, 1733 – 1804);黑格爾 (Georg Wilhelm Friedrich Hegel, 1770 –1831);卓姆斯基 (Avram Noam Chomsky, 1928~);霍夫曼 (Roald Hoffmann, 1937~);柯耳伯 (Hermann Kolbe, 1818 – 1884);巴斯德 (Louis Pasteur, 1822 – 1895);萊比錫 (Justus Freiherr von Liebig, 1803 – 1873);凱庫勒 (Friedrich August Kekulé, 1829 – 1896);伍爾茨 (Charles Adolphe Wurtz, 1817 – 1884);威爾欽 (Karl Weltzien, 1813 –1870);卡尼札諾 (Stanislao Cannizzaro FRS, 1826 – 1910);門德列夫 (Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834 – 1907)

https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_chemical_element_discoveries#Recorded_discoveries

http://science.howstuffworks.com/life/27866-100-greatest-discoveries-synthesis-of-urea-video.htm

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2 Responses

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