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高分子理论的奠基者施陶丁格高分子理论的奠基者施陶丁格摘要：在科学的重大发现中，有一些既平凡又非凡的创新者他们的思想有时远远超越了他们所处的时代，而与当时所谓“正统”(或传统)的科学潮流有分歧，甚至背道而驰他们甘冒不被人理解的风险，以非凡的勇气和胆识及其独特的方式进行探索并坚持真理德国化学家施陶丁格就是其中这样一位具有非凡思想的创新者他毕生从事高分子化合物的性质与结构的研究，为奠定高分子理论而作出了开创性的贡献，于 1953 年荣获诺贝尔化学奖关键词：施陶丁格；高分子理论；化学史料在现代化学史上，20 世纪的二十到三十年代是个关键时期，因为它正是现代化学建立的初期以共价键的提出为契机，现代化学家和部分物理学家开始着手奠定现代化学的理论基础例如，量子化学和高分子化学两个领域在量子化学领域，以美国化学家鲍林为代表，展开了对分子结构的准确描述和对化学键本质的探索，这方面的内容在前文中已作介绍在本文中，将重点陈述和探讨德国化学家施陶丁格，为建立高分子理论而走过的艰难历程，以及他为高分子合成材料的发展所作出的历史性贡献1 化学实践召唤创新的高分子理论施陶丁格(hermann staudinger，1881～1965)，德国有机化学家和高分子化学家，出身于沃尔姆斯一个知识分子家庭，父亲是位哲学教授。

施陶丁格自幼爱好化学和化学实验，曾就读于达姆施塔特大学、慕尼黑大学，1903 年获哈雷大学博士学位后赴斯特拉斯堡大学深造，1907 年任该校讲师，1908 年任卡尔斯鲁厄工业学院副教授，1912 年任苏黎世工业大学有机化学教授1926 年任弗赖堡大学化学教授，1940 年任该大学高分子化学研究所所长，一直工作到 1951 年退休并任名誉教授终生施陶丁格从事高分子化合物研究，为此付出了常人难以想象的心血和代价其重要原因在于，他所面临的研究对象既是古老的又是新生的，无论是高分子化合物的性质，还是高分子化合物的分子结构以及高分子化合物的改性和合成，都存在着新的实践和旧的理论或新的理论与传统观点之间的冲突众所周知，高分子化合物自古以来就有之，一般称之谓“天然高分子物质” ，它与人类的生活密切相关例如，作为食物的蛋白质和淀粉，作为织物纤维的棉、毛和丝，作为涂料的天然树脂和油漆等都属于这类物质不过在古代都是采集来这些物资后直接加以利用，没有什么化学加工，因此还谈不上对高分子物质的化学研究早先，人们虽然天天在与天然高分子物质打交道，但对它们的本性却一无所知随着社会生产力和化学技术的发展，从 19 世纪中叶开始，人们逐步涉及对天然高分子物质的化学改性的实践活动，已使它们更适应于工业、生活中某种需要的性能要求。

而正是在这种化学改性的实践过程中，有些化学家开始了对天然高分子物质本性的探求1.1 天然高分子物质的核心改性首先应该提到的是橡胶的加工工艺据记载，哥伦布第二次航海(1493-1496)到达拉丁美洲的海地时，曾发现当地土著人已经开始利用天然橡胶1735 年，法国科学院考察队在南美洲亚马逊河河谷发现野生橡胶树林；1876 年，橡胶树中最重要的品种海维亚巴西橡胶被移植到英国，其后又移植到锡兰(现斯里兰卡)，而在今日马来西亚、印度尼西亚、泰国及越南等地得到了大发展19～20 世纪之交，亚洲地区橡胶的出口量已经达到 7000 多吨而要将大量天然橡胶变为适合人们所需的橡胶制品，需要一系列的橡胶加工工艺将其改性第一步是解决固体生胶的溶解问题最初是采用添加松节油和乙醚，后改进采用橡胶与硫磺及少量铅粉共煮变成弹性既好，又不发粘，而且坚韧的制品这便是最早将线型天然橡胶分子用硫磺作交联剂，使其形成网状结构的成功尝试这种硫化工艺从1885 年开始被广泛采用并运用于橡胶轮胎的制造20 世纪初期，这种硫化橡胶工艺获得了进一步发展，其主要表现是硫化促进剂(苯胺)和补强剂(碳黑)的应用，以促进硫化过程的加速和硫化温度的降低。

这不仅降低了成本，而且改善了橡胶轮胎的强度和耐磨性，从而提高了生产效率和产品质量其次，天然纤维素的化学改性也是一项意义重大的天然高分子加工工艺主要涉及硝化纤维即“火药棉”的制造和“人造丝”的制作1846 年，瑞士化学家申拜恩(c.f.schonbein)用硝酸一硫酸混合酸处理纤维素得到了火药棉(含氮量在 12.0～13.5％，相当于纤维素三硝酸)起初火药棉不稳定易爆炸，后经对产品长时间的水煮打浆处理、经干燥得到化学稳定的硝化棉1868 年，有化学家建议把压缩的硝化棉用作高级炸药；1875 年，瑞典化学家诺贝尔(a.b.nobel，1833～1896)发现硝化甘油和火药棉(或硝化棉)混合可以生成一种比较稳定而又具有强大爆炸性的胶状物(含有92％的硝化甘油和 8％的火药棉)；它是最强烈的炸药之一，常用于爆破岩石、开山筑路如果把其中的硝化甘油的比例减少，可以得到慢性炸药，用于作炮弹的发射药，具有重要的军事意义关于诺贝尔，值得推荐的是他把一生都献给了科学事业他的主要化学发明都与炸药有关，每一次化学实验都是在死神的威胁下进行的为了向大自然索取动力，他宁愿付出血的代价尤其令人崇敬的是，他把因从事与炸药有关的商业活动而积蓄的财产设立一项专用基金，并立下遗嘱：“将上述财产兑换成现金，然后进行安全可靠的投资，以这份资金成立一个基金会，将基金所产生的利息每年将给在前一年中为人类作出杰出贡献的人。

”一一这就是当今学术界最高荣誉诺贝尔奖的由来改性后的纤维素(硝酸纤维以及后来兴起的醋酸纤维)更广泛的用途则是制作人造丝 “人造丝”的想法是人们受自然界生物功能的启示而产生的通常人们对蜘蛛、蚕等昆虫吐丝结网作茧的奇妙自然现象颇感兴趣作为先行者是一些动物学家详细地研究了吐丝的蝶、蛾类的生理构造，发现它们的体内有许多粘稠的液体，通过它们的小口吐出，遇到空气便会凝结成丝有些化学家从中也受到某种启迪，试图用人工方法仿制出类似的粘液，然后通过小孔进行抽丝前面提到的申拜恩，在 1846 年制得的纤维素硝酸酯溶于有机溶液后，就具有这种类似粘液的性能1855 年，安地玛尔(a andemars)以桑树枝为纤维原料，将其硝酸酯溶在乙醚一乙醇混合溶液中后，再把所得粘液通过毛细针管挤压到空气中，溶剂蒸发后就凝固成光亮、柔韧的丝，从而获得世界上第一根人造丝(artificial silk)但这种物质极易爆燃，妨碍了它的工业化生产后经法国技师夏东奈(h.de chardonnet)革新，把棉花的硝化纤维素用 nh4hs 脱硝转化成安全脱硝硝化纤维素，再把它溶于酒精一乙醚后抽成人造丝，并于 1889 年，在巴黎国际博览会上展出，引起轰动，受到人们的赞赏。

1891 年，夏东奈在法国贝尚松建厂，日产约 50 公斤，成为世界上第一家人造丝厂这项天然纤维素改性的加工工艺的成功，向人们展现了人造丝的光辉前景，并有力推动了这方面的研究1.2 高分子物质本性的探究正是在对天然高分子物质进行化学改性的化学实验和生产实践中，化学家们开始了对高分子物质的性质与结构的理论性探究这种探究长期以来进展缓慢，是跟高分子物质本身的复杂特性有着密切关系，例如，化学家们—直搞不清高分子的分子量究竟是多少；为什么它难于透过半透膜而类似胶体；为什么它没有固定的熔点和沸点且不太容易形成结晶等问题以当时流行的化学观点来看，这些独特的性质是很难理解的于是，个别化学家开始尝试一种对高分子物质性质的理论解释早在 1861 年，胶体化学的奠基人、英国化学家格雷阿姆(t.graham，1805～1869)曾将高分子物质与胶体相比较，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的某些性质着眼，提出了所谓“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，得到较多称谓“胶体论者”的化学家们的支持他们套用胶体化学的理论观念来阐述高分子物质的可能存在的结构，认为：“纤维素是葡萄糖的缔合体” ，即认为它是一种小分子的物理集合。

19 世纪末，随着人们对胶体一系列物理化学特性的发现及展开，一些从事胶体化学研究的物理化学家进一步助推了“高分子胶体论” ，并将其引伸为“高分子聚集体论” 该理论认为：胶体是一种物理的凝聚体，而有胶体性质的高分子化合物不仅是一种小分子的物理聚合或缔合；而且它还是由小分子借分子间的范德华力而结合产生的聚集体所组成该理论强调高分子特性和分子外部作用力的对直与关联20 世纪初期，当施陶丁格初登高分子化合物研究舞台之际，他所面临的理论境况是：胶体论者或聚合体论者主导着高分子化合物性质与结构研究的局面对于施陶丁格来说面临着这样的抉择：要么顺应胶体论或聚集体论的潮流去推波助澜；要么努力创新去开拓研究高分子化合物性质与结构的新途径施陶丁格选择的是后者，因为他崇尚：“研究学术，最重要的是需要具有自由的意志和独立的精神；没有自由思想、没有独立精神，就不可能发现科学真理，亦即不能研究学术理论” 基于长期从事有机合成反应的研究，施陶丁格大胆着手对这种新途径的探究他从 1908 年就开始了对人工合成橡胶的研究，发明了“异戊二烯合成法” 1912年到 1926 年，施陶丁格就任瑞士苏黎世工业大学教授期间，还着重研究了乙烯酮、异戊二烯等不饱和烯烃。

他从这些化合物的大量反应中发现和归纳出一个很值得关注的规律性特点，即这类化合物不仅容易与其他物质发生加成反应，而且它们自己还能进行自聚(即自身加成)这样所生成的物质虽然在化学成分上与原来的单体没有什么不同，但化学性质和物理、机械性能都表现出极大差异于是他指出：这不是一般的有机合成，而是一种新型的反应，即加成聚合反应；由苯乙烯聚合成聚苯乙烯就是典型的案例异丁烯、醋酸乙烯酯等单体的聚合反应也产生类似的结果很多实验表明，高分子物质可以由低分子单体物质经化学键(共价键)重复连接聚合而成这—重要发现后来就导致高分子理论的诞生从 20 世纪 20 年代起，施陶丁格在论文中首先使用“makromolekul”(高分子)这一名词来标记这类聚合物；并不断阐明他的这种观点，强调指出：“这类聚合物的微粒是真正的分子，并不是小分子的物理集合(或缔合)物而且事实上，休想用别的任何试剂使它变成我们通常所说的那种典型的低分子溶液” 显然，施陶丁格的这种新观点是与当时流行的并占主导地位的“胶体论”或“聚集体论”的观点是相对立的于是，一场激烈的学术论争已经不可避免2 学术论争中诞生的高分子理论1922 年，施陶丁格明确提出了高分子是由长键大分子构成的观点，他把当时作为小分子聚合体的一批有胶体特性的物质(橡胶、纤维素、淀粉、蛋白质等)看成是由成千上万个碳原子通过聚合反应由共价键连接起来的长链状大分子(或高分子)。

这种创新的高分子观念动摇了胶体论或聚集体论的基础同时，由于施陶丁格的高分子理念超越了当时的分子概念，跟传统的观念相抵触而互不相容，故遭到胶体论者或聚集体论者激烈反对不少持保留态度的学者曾劝阻他：离开大分子(或高分子)这个概念吧!根本不可能有大分子那样的东西存在；有的甚至责难他缺乏足够的实验根据又无法证明所谓的高分子的分子量是多少面对种种对高分子理论的非议，施陶丁格没有退缩他—方面认真地思考反对者的质疑，深入地对高分子概念进行再论证；另—方面设法在理论与实践的结合上去解决高分子物质的分子量的测定问题此时，关键是要直面责难、大胆宣传正确的理论主张为此，施陶丁格先后在 1924 年及 1926 年召开的德国博物学及医学会议上、1925 年召开的德国化学会的会议上多次详细介绍和阐明了自己的高分子理论，跟“胶体论者”或“聚集体论者”展开了面对面的学术辩论这场持续多年的学术论争，主要围绕三大焦点问题而展开2.1 橡胶加氢过程实质的研判胶体论者或聚集体论者认为，天然橡胶等是通过小分子之间的范德华力而缔合起来的；这种缔合归结于异戊二烯的不饱和状态他们甚至预言：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小分子(或低分子)烷烃。