3 2 下班后的放松（第2页）

图28　橡胶硫化过程中形成的二硫键

异戊二烯在高温和催化剂参与的条件下发生聚合反应。除异戊二烯外，还有许多其他分子在聚合后也会生成具有橡胶特性的材料，其中，在弱应力下形变显著，应力松弛后能迅速恢复到接近原有状态和尺寸的高分子材料，称为弹性体（elastomer）。

弹性体的长分子链在静息状态下会自行折叠，似线团般交缠。在牵引力的作用下，分子链伸展平铺，当撤除机械应力时，分子链又会恢复原状，这样一来，材料就可以发生弹性形变。目前已知的弹性体众多，而化学家们对它们的合成也已轻车熟路。弹性体通常分为热塑性弹性体（thermoplastier）和热固性弹性体（thermosettiomer）。20世纪60年代末，人们开始生产热塑性弹性体。这种弹性体在达到一定温度时就会软化，因此可以被模压成型。它们一般由苯乙烯-丁二烯共聚物、聚烯烃和共聚酯组成。而热固性弹性体通过聚合物链交联固化而成，就像最初的硫化过程一样（但不一定要使用硫黄）。交联的过程需要在高温下进行，一旦成型，产品就不能再加热再塑造。

●　口香糖

跑步时你嚼的口香糖也是一种橡胶。历史上最早食用口香糖类似物的似乎是玛雅人，他们会咀嚼一种从热带常绿树上提取出的橡胶球（人心果树胶，chicle）。这种树叫作人心果树（Manilkarazapota），多产于美洲的中南部。而现代口香糖的发明要归功于俄亥俄州（Ohio）一名叫作威廉·森普（le）的牙医，他于1869年12月28日为自己的想法申请了专利。森普将天然橡胶溶解在适当的溶剂中，并加入惰性材料和香料，就这样制造出了他的第一块口香糖。1871年，第一批口香糖在新泽西州（NewJersey）上市，但它们又软散又寡味。随着生产技艺的逐步提高，我们生产出了今天的产品。我们目前使用的橡胶是合成橡胶，主要是聚异丁烯（polyisobutylene），它的弹性性能可以通过适当添加化学制剂来改善。其中所谓的黄原胶（Xanthangum，在食品中标注为E415）是糖类经由某些微生物（黄单胞杆菌，Xanthomoris）发酵后而得到的一种多糖。除口香糖外，黄原胶还可作为各种食品（布丁、蜜饯、糖果等）的增稠剂。

●　生物化学：糖、能量、乳酸等

你已经跑了约半个小时了。在训练效果亟待提高的同时，你的腿已经隐隐酸痛。这一次，化学依旧可以帮助你了解这背后的成因。

我们的肌肉通过生物体内一系列复杂的生化反应去降解糖类，以持续供能。降解从所谓的糖酵解开始[“糖酵解”一词来源于希腊语γλυκ??（glykys，意为“甜的”）和λ?σι?（lysis，意为“分裂”）]。糖酵解包括一个过程，该过程会将具有6个碳原子的葡萄糖分解成两个具有3个碳原子的丙酮酸（pyruvicacid）[2-氧代丙酸（2-oxopropanoicacid）]分子[这个过程的发生得益于一种叫作烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的氧化还原性辅酶的介入]。丙酮酸随后经过其他生化反应，在氧气的作用下，将葡萄糖分解成水和二氧化碳。所有的这些反应都会产生大量的能量以支持肌肉的运动。如果肌肉活动非常激烈（就像协调你跑步时的那样），身体组织中存在的氧气含量就不足以降解所有产生的丙酮酸。因此，丙酮酸就积聚在细胞中，然后在辅酶还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的参与下，被还原成乳酸（lacticacid）[2-羟基丙酸（2-hydroxypropanoicacid）]。图29为乳酸的分子结构。这个反应被用来再生被氧化的NAD，这样糖酵解的过程就会循环往复，永不终结。

图29　乳酸的分子结构

乳酸是一种不能被细胞用来产生能量的产物。因此，它被运送到肝脏中，在那里通过糖异生（gluesis）的过程（可以被认为是糖酵解的反过程），被转化为葡萄糖，然后形成的葡萄糖被运回肌肉，在肌肉中再次被分解[科里循环（Coricycle）]。因此，肌肉中乳酸的形成需要一定时间。这个循环将肌肉的一部分工作量转移到肝脏中，它还能使在糖酵解中消耗的NAD再生，使糖酵解的过程得以延续。肌肉中乳酸的积累是我们在过度运动后感到疲劳和疼痛的原因[2]。疼痛是我们的身体向我们发出的警告。我们最好听它的话，停下来并深呼吸，让肌肉组织重新补充氧气。

●　轻微的扭伤：冰敷

稍微休息一会儿后，你又开始跑步了，但也许是因为你累了，一个踉跄，就轻微扭伤了脚踝。你觉得这并不严重，只是略微有点疼痛，你知道在这种情况下，最好的办法是立即冰敷。是的，但要在公园里弄到冰块并不容易。幸运的是，你看到不远处有一家药店，虽然你一瘸一拐的，但还是走到了药店并向药师求助，药师十分好心地建议你买一袋速冷冰袋。这是一个简单的塑料袋，如果你按压袋子的中心，它就会马上开始冷却，直到温度达到-10℃左右。这听起来就像魔法一样，但这一次仍然是化学反应让我们明白发生了什么。冰袋里其实有两个隔层：一层是单纯的水，另一层是无水硝酸铵（NH4NO3）。当我们按压袋子时，破坏了两层中间的隔膜，硝酸铵与水就可以接触了。硝酸铵极易溶于水，而且溶解过程具有明显的吸热现象。这说明硝酸铵的溶解会吸收环境中的热量，从而使溶液冷却。之所以会出现这种情况，是因为NH4+和NO3-溶解（还记得我们在第三章第1节中讲过的关于水的极性吗）在水中形成硝酸铵溶液的这个过程，与固体硝酸铵和水分开时的初始情况相比，需要更多的能量。形成溶液所需的能量来自环境，因此环境的温度会降低[这个过程虽然需要能量，却是自发的。对于这一点我们会在第四章第1节的最后（反应的自发性、热力学和动力学）做出更好的解释]。

除了吸热过程，还有放热过程，也就是指能量的释放过程。这样的反应过程也能运用于实践中。例如暖手宝，它的工作原理与速冷冰袋一模一样，不同的是一个放热一个吸热。前段时间市场上有售一类即饮咖啡，它被一个双层底的小杯子装着。我们按一下杯底，几分钟后咖啡就沸腾了。在这种情况下，双底部之间装有分开的水和氯化钙（CaCl2），按压挤破了水和氯化钙之间的隔膜，使氯化钙溶解，产生加热咖啡所需的热量。

拓展：高分子化学

纳塔教授，您用一种新的方法成功地制备了具有规则空间结构的大分子。您的发现所带来的科学技术影响是巨大的，大到现在还不能完全估计[59]。

有些分子可以相互结合，形成长链。这样得到的大分子被称为聚合物（来源于希腊语，意为“很多单元”），而组成大分子的小分子则被称为单体（monomer，“一个单元”）。分子链中有重复单元，这些单元在聚合物中是相同的，但在共聚物（er）中也可以是不同的。

自然界中存在着无数的高分子化合物。许多生物分子就具有这种结构[生物聚合物（biopolymer）]。比如，蛋白质是由多个氨基酸分子通过肽键连接而成的高分子化合物。而多糖（淀粉、纤维素、糖原）是由单糖通过糖苷键连接而成的高分子化合物。核酸（DNA和RNA）也是生物大分子化合物，它的单体是核苷酸（ide），而核苷酸又由核糖或脱氧核糖、含氮碱基和磷酸基团构成。

化学家们对高分子的合成早已驾轻就熟，高分子化学对社会产生了巨大的影响，比如应用广泛的塑料和合成纤维都是由高分子化合物制成的[60]。

我们最早可以在法国人亨利·布拉科诺（HenriBraot，1780—1855）和德国人克里斯蒂安·尚班（S）的工作中看到对合成高分子的研究。1832年，布拉科诺用浓硝酸处理木材和棉花，得到了一种可燃性化合物——赛劳丁硝化淀粉（xyloidin）。1845年，尚班在他家的厨房里蒸馏硝酸和硫酸的混合物时，用妻子的棉质围裙清理了一些飞溅的**。随后，他将围裙放在烤箱附近晾晒，但不料围裙却猛然起火。布拉科诺和尚班都曾制得硝酸纤维素（Nitrocellulose），这种纤维素被认为是第一种人造高分子化合物。

1860年，美国发明家约翰·韦斯利·海厄特（Joh，1837—1920）通过混合硝酸纤维素和樟脑发明了塑料（赛璐珞，Celluloid），后来由同样是美国人的汉尼拔·威利斯顿·古德温（HannibalWillistonGoodwin，1822—1900）申请了专利，使电影业得以诞生。1865年，还实现了醋酸纤维素的合成。

1884年，法国工程师、发明家希莱尔·德·夏尔多内（Hilairedeet，1839—1924）将硝酸纤维素溶解在酒精和乙醚中，并将得到的混合物放入纺纱机中，得到了第一种人造纺织纤维，即“夏尔多内纤维”。尽管这种纤维高度易燃，但它仍然是天然纤维的有效替代品。早在1855年，乔治·安德曼斯（GeesAudemars）就已经发明了类似的产品，也就是后来的人造丝（rayon）。两位英国的工业化学家查尔斯·弗雷德里克·克罗斯（CharlesFrederickCross，1855—1935）和爱德华·约翰·贝文（EdwardJohnBevan，1856—1921）在19世纪80年代初开发了一种工艺，是用烧碱和二硫化碳来处理纤维素。这样得到的木浆[黏胶纤维（viscose）]可以在纺纱机里通过含硫酸和硫酸钠的凝固浴处理后得到优质的纤维。该专利被英国企业家塞缪尔·考塔尔德（SamuelCourtaulds，1876—1947）买下，并于1906年开始工业化生产。在第一次世界大战前夕，该方法承包了80%的人造丝的生产。

以前的人造高分子材料，不管怎么说都是以天然高分子——纤维素为起始原料的，因此它们可归为半合成高分子化合物。要想得到真正的合成高分子，我们还得等到1907年。那年，移居美国的比利时化学家利奥·贝克兰（LeoBaekeland，1863—1944）通过甲醛和苯酚的反应，得到了第一个完全人工合成的聚合物。这是一种被称为电木（bakelite）的树脂。

同一时期，德国化学家弗里德里希·赫尔曼·劳克斯（FriedriLeuchs，1879—1945）进行了氨基酸N-羧基-环内酸酐（Animoa-hydride）的合成，获得了第一个合成多肽。随后，德国人赫尔曼·施陶丁格登场，在高分子化学的历史演变中贡献了浓墨重彩的一笔。1922—1932年，为了让大家接受高分子这一概念，施陶丁格在德国科学界辛勤耕耘。因为赫尔曼·埃米尔·费歇尔和海因里希·奥托·威兰（HeinrichOttoWieland，1877—1957）等杰出的有机化学家其实并不接受这一概念。不过施陶丁格最终得偿所愿，也正是因为在高分子化学方面的贡献，他获得了1953年的诺贝尔化学奖。

同样是在那几年，美国人华莱士·卡罗泽斯（WallaceCarothers，1896—1937）对聚合反应进行了重要研究。1931年，他发明了第一种称为氯丁橡胶[Neoprene，聚氯丁二烯（polye）]的合成橡胶，1937年，他合成了尼龙66[nylon66，聚六亚甲基己二酰二胺（polyhexamethyleneadipamide）]，这是第一种在各种技术领域得到广泛应用的合成聚合物。

20世纪50年代初，德国人卡尔·齐格勒（KarlZiegler，1898—1973）发明了能够用于聚合乙烯（比如厨房用的保鲜膜的成分就是聚乙烯）的特殊催化剂。意大利人居里奥·纳塔使用了类似的催化剂来聚合丙烯，由此获得的聚丙烯（全同立构聚合物）由蒙特卡蒂尼（Moini）公司[后来的蒙特尼迪森（Montedon）公司]以莫普纶（Moplen）为商标名进行工业生产[吉诺·布拉米耶里（GinoBramieri）在广告节目《旋转木马》（Carosello）中广泛宣传此产品，该产品的一些广告语也变得很有名]。那是一场真正的技术革命，许多家用品和工业用品都是用这种新材料制成的。齐格勒和纳塔在1963年获得了诺贝尔化学奖（纳塔是唯一获得这一令人羡慕的化学奖的意大利人）。图30为聚丙烯链的不同结构。

1966年，为了制造新型轮胎所需的坚实且有弹性的橡胶，斯蒂芬妮·露易丝·克沃勒克（StephanieLouiseKwolek，生于1923年）合成了一种新型芳香尼龙。1973年杜邦（DuPont）公司以凯夫拉（Kevlar）为商品名申请了这种材料的专利。通过对这种材料的进一步改进，我们得到了强度是钢的15倍的产品。

随后，获得1974年诺贝尔化学奖的美国人保罗·弗洛里（PaulFlory，1910—1985）对聚合反应的动力学进行了重要的研究。

图30　聚丙烯链的不同结构

a　全同立构，其中所有碳原子具有相同的相对构型；

b　间同立构，其中相邻的碳原子具有交替的相反构型；

c　无规立构，其中碳原子的构型是无规律分布的

如今，可利用技术合成且具有特殊性能的高分子聚合物材料产量巨大，用途广泛。

直到20世纪70年代，所有的合成聚合物都是电绝缘体。在最近的几十年里，人们合成了具有特殊导电性能的高分子化合物，这种特殊性能使它们在电子领域有了极为有趣的应用。我们将在第四章第2节中讨论这个问题。

[1]此处酶的含义，不包括核酶。

[2]近现代运动生理医学的研究成果并不支持“运动后乳酸堆积导致肌肉酸痛”这一观点。——译者注