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年，人们才获得了纯净的四氟化碳（CF4）——这类分子中的第一
种（也是最简单的一种）分子。目前，化学家们仍在努力研究这些
有意义的物质的化学性质。在已经研究过的碳氟化合物中，其中
之一是
1933年首次合成的四氟乙烯（CF2=CF2），可以看出，它实
际上是
4个氢原子被
4个氟原子所取代的乙烯。这就必然会使人
们想到，四氟乙烯也应像乙烯那样，能形成聚合物。第二次世界大
战之后，杜邦公司的化学家们制造出了一种长链聚合物，正如聚乙
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烯是
CH2CH2CH2……的单调地重复一样，这种聚合物也是
CF2CF2CF2……的单调地重复。这种聚合物的商品名称是特
氟隆。
特氟隆与聚乙烯相似，但并不仅此而已。碳
…氟键比碳…氢键
更牢固，因而也就更不易受环境的影响。特氟隆不溶于任何物质，
不会被任何物质所弄湿，是优良的电绝缘体，其耐热性甚至比新型
的、经过改进的聚乙烯还要好。就家庭主妇而言，特氟隆最为人所
熟知的用途便是用作煎锅的衬里，这样就能使要煎炸的食物不会
过分油腻，因为食物不会粘在不同任何物质亲和的碳氟聚合物上。
还有一种有趣的化合物，它并不是真正的碳氟化合物，而是本
书前面提到的氟里昂（
CF2Cl2）。它是
1932年作为致冷剂所推销
的商品。它比大型制冷装置所使用的氨或二氧化硫要昂贵；但从
另一方面看，氟里昂无臭、无毒、不可燃，因而偶然漏失所造成的危
险是很小的。为了证明氟里昂的无害性，它的发现者米奇利深深
地吸了一口氟里昂，然后在一根点燃的蜡烛上方缓缓吐出，结果蜡
烛熄灭了，而米奇利毫无损害。正是由于采用了氟里昂，室内空调
才成了第二次世界大战以来美国这个地方的一大特色。
玻璃和硅酮
当然，可塑性并不仅仅属于有机界。在所有可塑性物质中，最
为古老的是玻璃。玻璃的大分子实质上是由硅和氧的原子所组成
的长链：…Si…O…Si…O…Si…O…Si…，以此排列，没有穷尽。链中的每一个
硅原子都有两个尚未使用的价键，可以用来连接其他原子团。硅
原子像碳原子一样，具有
4个价键。然而，硅
…硅键不如碳…碳键那
样牢固，因此只能形成短链，而且这些短链（在化合物中称为硅烷）
很不稳定。不过，硅…氧键却很牢固，由此形成的链甚至比由碳
…碳
键形成的链还要稳定。事实上，由于地壳有半数是氧，
1/4是硅，我
第十一章 分 子
第十一章 分 子
们脚下那坚实的大地实质上可以看作是由硅…氧链组成的。
尽管玻璃的优点和用途不胜枚举，但它有一个很大的缺点，
就是容易破碎。玻璃被打碎时坚硬而锐利的碎片会四处飞散，十
分危险，甚至能致人于死命。如果用未经处理的玻璃做汽车的风
挡，一旦发生撞车事故，玻璃的碎片就会像榴霰弹一样飞向四面
八方。
然而，玻璃也可加工处理，如在两层玻璃中间加一薄层透明的
聚合物（作为一种胶黏剂加固玻璃），于是就产生了安全玻璃。之
所以称为安全玻璃，是因为它即使碎成粉末，碎片也会被聚合物牢
牢地黏住，不会飞散伤人。起初
（这要追溯到
1905年），人们就曾
用火棉胶作黏结剂，但如今大部分都已用由小分子如氯乙烯（氯乙
烯与乙烯类似，所不同的是乙烯分子中的
1个氢原子被氯原子所
取代）所构成的聚合物代替。乙烯基树脂不会因光照而变色，因此
能够确保安全玻璃不致因年深日久而发黄。
有些透明塑料可以安全代替玻璃，至少在某些应用领域是如
此。本世纪
30年代中期，杜邦公司合成了一种叫做甲基丙烯酸甲
脂的小分子，并将所得到的聚合物（聚丙烯酸塑料）压制成光亮、透
明的薄片。这些产品的商品名称叫做普列克斯玻璃和路塞特树
脂。这类有机玻璃比普通玻璃轻，更易模塑成形，也不那么脆；破
碎时，仅仅是破裂而不是粉碎。在第二次世界大战期间，模塑成的
透明塑料薄片得到了重要的应用，那就是作为飞机的窗户和座舱
的罩。在这方面，轻质和韧性具有特殊的价值。当然，聚丙烯酸塑
料也有其缺点：它们能被有机溶剂腐蚀，受热时比玻璃更易软化，
而且容易出现擦痕。例如，当聚丙烯酸塑料用作汽车风挡时，在尘
埃颗粒的撞击下会很快出现擦痕，而且变得模糊不清，而这是非常
危险的。因此，看来玻璃永远不会被完全取代。事实上，现在玻璃
确实已具有许多新的用途。玻璃纤维可以纺成细线，它像有机纤
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维一样柔软，并且有一个可贵的优点——绝对不会着火。
除这些玻璃代用品外，还有一种可称之为“类玻璃”的产品。
我在前面说过，在硅…氧链中，每个硅原子都有两个空闲的键来连
接其他原子。在玻璃中，这些“其他原子”是氧原子，但并不一定非
是氧原子不可。如果所连接的不是氧原子，而是含碳的原子团，那
情况又会怎样呢？这时你会得到一种带有有机分支的无机物链，
也就是说，得到一种介于有机物与无机物之间的中间物。早在
1908年，英国化学家基平就合成了这样的化合物，即大家都知道
的硅酮。
在第二次世界大战期间，各种长链的硅酮树脂大量涌现。这
些硅酮的耐热性要优于纯有机聚合物。通过改变主链的长度和侧
链的性质，可以获得玻璃所不具有的一系列理想的性能。例如，某
些硅酮在室温条件下是流体，其黏度在相当大的温度范围内变化
极小，也就是说，它们既不随温度的升高而变稀，也不随温度的降
低而变稠。对于液压流体——如用于飞机起落架的那种流体——
来说，这是一种特别有用的性能。另一些硅酮可以制成柔软的、与
油灰类似的封泥，这种灰泥在同温层的低温下既不变硬，也不开
裂，而且防水性能良好。还有一些硅酮可作为抗酸润滑剂，等等。
合成纤维
在有机合成的故事中，有关合成纤维的章节具有特殊的趣味。
第一批人造纤维（同第一批塑料一样）是以纤维素为原料制成的。
化学家们自然是从硝化纤维素开始，因为它有足够的数量可以利
用。1884年，法国化学家夏尔多内将硝化纤维素溶解于乙醇和乙
第十一章 分 子
第十一章 分 子
醚的混合物中，并迫使所得到的黏稠液体通过一些小孔喷出。在
这种液体喷出之后，乙醇和乙醚随之蒸发，于是便剩下胶棉细线似
的硝化纤维素。（这实际上就是蜘蛛织网和春蚕吐丝的那种方式：
它们从身体上的小孔中喷吐出一种粘液，这种黏液遇空气而变成
固态纤维。）这种硝化纤维素纤维太容易着火，不宜使用。不过，通
过适当的化学处理能够去掉硝酸根，结果便得到了一种外观像蚕
丝一样的带有光泽的纤维素细丝。
然而，夏尔多内的方法并不实用。且不说有硝酸根存在的中
间阶段非常危险，也不说用作溶剂的乙醇和乙醚的混合物极易着
火，单是将硝酸根加上去又去掉这一点，这种方法就十分费钱。
1892年，人们发现了一些溶解纤维素的方法。例如，英国化学家
克罗斯将纤维素溶解于二硫化碳，并将所得到的黏稠液体（叫做黏
胶）做成细丝。麻烦的是，二硫化碳易燃、有毒且气味难闻。
1903
年，一种有竞争力的方法投入使用。这种方法以醋酸作为溶剂的
一部分，生产出一种叫做醋酸纤维素的物质。
这些人造纤维被称为人造丝。人造丝主要有两个品种，通常
分为黏胶人造丝和醋酸人造丝。
顺便提一下，如果将黏胶通过一条狭缝挤压出去，就会得到一
种柔软、透明和防水的薄膜——玻璃纸。这种方法是法国化学家
布兰登伯热于
1908年发明的。一些合成的聚合物同样也能够通
过一条狭缝挤压成薄膜。例如，乙烯基树脂能制成名为萨纶的覆
盖物。
直到本世纪
30年代，才出现第一批完全合成的纤维。
让我先讲一点有关蚕丝的故事。蚕丝是由蚕蛾的幼虫——
蚕——所吐的丝。蚕对食物要求极严，而且需要精心照料。蚕丝
必须从蚕茧上小心地抽取下来。由于这些缘故，蚕丝十分昂贵，而
且不能大量生产。早在两千多年前，中国便开始生产蚕丝，而且中
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国人对生产蚕丝的方法严加保密，以便在出口中保持有利的垄断
地位。然而，秘密终有泄漏之日，尽管采取了种种保密措施，养蚕
缫丝的秘密还是流传到了朝鲜、日本和印度。古罗马是通过横贯
亚洲的漫长的陆路输入蚕丝的，由于经纪人一路上步步设卡抽取
通行税，所以蚕丝到那里后非常昂贵，除了豪门巨富，一般人是可
望而不可及的。550年，蚕子被偷偷地带进君士坦丁堡，从此欧洲
便开始了蚕丝生产。尽管如此，蚕丝在不同程度上仍然属于奢侈
品。另外，直到目前为止，蚕丝仍然没有好的代用品。人造丝固然
具有与蚕丝相似的光泽，但却不及蚕丝纤细、柔韧。
蚕丝是一种蛋白质（见第十二章）。蛋白质的分子是由一种叫
氨基酸的单体构成的，而氨基酸则含有
1个氨基和一个羧基。氨
基与羧基通过二者之间的
1个碳原子相连接；如果以
a表示氨基，
以
c表示羧基，再用短线表示中间的碳原子，我们就可以把氨基酸
写作：
a—c。这些氨基酸以从头至尾的方式聚合起来，也就是说，
前面的
1个氨基同后面的
1个羧基缩合，这样便成了蚕丝分子：
……a—c、a—c、a—c……
本世纪
30年代，杜邦公司的化学家卡罗瑟斯对一些含有氨基
和羧基的分子进行了研究，希望借此找到一种较好的方法，将它们
缩合成具有大环结构的分子。（这类分子对于香料制造业是很重
要的。）与他的愿望相反，他发现这些分子缩合成了长链分子。
卡罗瑟斯早已预料到可能会出现长链分子，因此没有错过这
一机会。他立即对此作了进一步的研究，最后用己二酸和己撑二
胺制成了纤维。己二酸分子含有两个羧基，中间被
4个碳原子隔
开，因此可以用
c————c表示。己撑二胺由两个氨基构成，
中间被
6个碳原子隔开，因此可写为：
a —————— a。当卡
罗瑟斯将这两种物质混在一起时，它们就缩合成具有下列结构的
聚合物：……
a —————— a。 c ———— c。 a —————
第十一章 分 子
第十一章 分 子
— a。c ———— c。 a —————— a……可以看出，用点标出
的缩合部位具有与蚕丝相同的构型“c。a”。
最初生产的纤维并不是很好，主要是强度太差。卡罗瑟斯断
定，问题就出在缩合过程中所生成的水上。水的存在产生了一个
相反的作用——水解反应，它使聚合反应不能持续很久。卡罗瑟
斯找到了一种补救办法，即让聚合反应在低压下进行，这样水就会
蒸发并很容易被清除掉（在邻近反应液体上方斜放一块冷却的玻
璃板，水蒸气就会凝结在上面并自行流走，这种装置叫做分子蒸馏
器）。这样，聚合反应就能不断地进行下去，并形成很长的直链。
1935年，卡罗瑟斯终于为合成理想的纤维奠定了基础。
将由己二酸和己撑二胺缩合而成的聚合物熔化，再通过许多
小孔挤压出来，然后再经过拉伸，使纤维平行地排列起来，并成为
晶束似的纤维束。这样就得到了一种与蚕丝相似的带有光泽的细
丝，它可以织成像丝绸一样轻柔美观、甚至比丝绸还要结实的织
品。用这种方法生产的第一批完全合成的纤维叫做尼龙。然而，
卡罗瑟斯未能看到他的发现所结出的硕果，他于
1937年就去世
了。
杜邦公司于
1938年宣布合成纤维问世，并于
1939年开始进
行商业性生产。在第二次世界大战期间，美国陆军部队收购了全
部尼龙产品，用以制造降落伞和百余种其他军需品。战后，尼龙在
制袜业上完全取代了蚕丝，因此，妇女的长袜现在叫做尼龙袜。
尼龙的合成为许多其他合成纤维的生产开辟了道路。丙烯
睛，或称为乙烯基氰化物（
CH2=CHCN），也可以聚合成与聚乙烯
类似的长链，所不同的是，与每个单元中第二个碳原子相连的是氰
基（在这里它是完全无毒的）。这种产品叫做奥纶，1950年投入使
用。如果再添加上氯乙烯，则最终的长链既含有氯原子，又含有氰
基，这就是氯丙纶（达耐尔）。如果通过使用醋酸乙烯（
CH2=
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CHOOCCH3）来添加醋酸根，则产品就是醋丙纶（阿克利纶）。
英国于
1941年制造出了聚酯纤维。这种纤维是由一个单体
的羟基同另一个单体的羟基缩合而成的长链。这种产物就是通常
的那种由碳原子构成的长链，只是每隔一定的距离插入
1个氧原
子。这种产品在英国叫做涤纶，在美国则叫做大可纶。
这些新型合成纤维的防水性能比大多数天然纤维好，而且不
怕潮湿，不易沾污，不遭虫蛀。某些合成纤维不会起皱，可用来纺
织成“耐洗耐磨”的织品。
合成橡胶
如果有人告诉你，人类使用橡胶轮子的历史不过一百来年，你
会感到非常吃惊。在过去的几千年间，人们所坐的车使用的一直
是木制轮子，或者再在轮子周围加上金属轮辋。在古德伊尔发明
了实用的硫化橡胶之后，许多人都曾想到，应该用橡胶代替金属来
包裹车轮。1845年，英国工程师
R。 W。汤姆森出了个好主意，他
在车轮周围套上一个合适的充气橡胶管，并获得了这项设备的专
利。到了
1890年，轮胎被正式用在自行车上；到了
1895年，被用
在各种老式汽车上。
令人惊奇的是，尽管橡胶是一种柔软而易破损的物质，但却比
木头或金属更加耐磨。橡胶的耐用、减震等性能，加上充气轮胎的
巧妙设计，使乘车的人觉得比以往任何时候都更加舒适。
随着汽车数量的大量增加，用于制造轮胎的橡胶的需求量也
变成了天文数字。在最近的半个世纪内，全世界的橡胶产量增长
了
42倍。只要我告诉你这样一个事实，你就可想象今天用于制造
第十一章 分 子
第十一章 分 子
轮胎的橡胶的数量：仅在美国，每年在公路上磨损掉的橡胶就不下
20万吨，尽管每辆汽车磨损掉的橡胶的数量是相当少的。
橡胶需求量的不断增加，给许多国家的战略物资的储备带来
了一定程度的危机。随着战争的机械化，军队和军需物资都开始
用装有橡胶轮胎的车辆来运输。然而，那些最有可能参加“文明”
战争的“文明”国家，却又都远离惟一能够大量供应橡胶的马来半
岛（马来半岛并不是橡胶的原产地，这里的橡胶树是从巴西移植来
的，但却生长得非常好，而原产地巴西的橡胶产量却逐年下降）。
美国的橡胶供应在它开始参加第二次世界大战的初期便被切断，
那时日本已经侵占了马来西亚。但美国在这方面早有戒备，因此，
甚至在日本偷袭珍珠港之前，战时实行的第一种定量配给物资就
是橡胶轮胎。
甚至在机械化刚刚起步的第一次世界大战中，德国就曾因为
协约国的海军切断了橡胶供应而运转不灵。
那时已经有理由考虑制造合成橡胶的可能性。这类合成橡胶
的天然原料自然是天然橡胶的结构单元——异戊二烯。早在
1880年，化学家们就发现，异戊二烯放置过久就会变软发黏，经酸
化处理后则会变成类似橡胶的物质。德皇威廉二世曾让人用这种
物质制成皇家汽车的轮胎，借以炫耀德国化学方面的高超技艺。
然而，用异戊二烯作为合成橡胶的原料，有两个困难：第一，异
戊二烯的主要来源正是橡胶本身；第二，异戊二烯在聚合时往往是
毫无规律地排列起来。在橡胶长链中，所有的异戊二烯单元都朝
向同一方向：……uuuuuuuuu……而在固塔坡胶长链中，它们则是
严格地按照一正一反的方向排列的：……
ununununun……然而，
如果在实验室中以通常的条件使异戊二烯聚合，则
u和
n就会毫
无规律地混合在一起，形成一种既不是橡胶也不是固塔坡胶的物
质。由于这种物质缺少橡胶的弹性和柔性，所以不能用来制造汽
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车轮胎（仅用于国事活动的皇家汽车当然是个例外）。
后来，一些与
1953年齐格勒在制取聚乙烯时使用过的催化剂
类似的催化剂，终于使人们有可能将异戊二烯聚合成与天然橡胶
几乎完全相同的产品。不过当时已经研制出许多种具有实用价值
的、化学性质与天然橡胶极不相同的合成橡胶。
人们自然是首先用一些既与异戊二烯相似而又容易获得的化
合物来制造聚合物。例如，在第一次世界大战期间，迫于橡胶匮
乏，德国人采用了二甲基丁二烯：
CH2 CC CH2
CH3 CH3
二甲基丁二烯与异戊二烯的不同之处在于，前者的
4碳链的
中间两个碳原子各连接
1个甲基（
CH3），而后者只有
1个碳原子
与甲基相连。由二甲基丁二烯聚合而成的化合物称为甲基橡胶，
这种橡胶可以大量生产，而且价格低廉。在第一次世界大战期间，
德国大约生产了
2 500吨甲基橡胶。尽管这种橡胶的耐压性能不
理想，但它毕竟是第一种具有实用价值的合成橡胶。
大约在
1930年，德国和苏联都采取了新的方针，利用根本不
带甲基的丁二烯作为单体：
CH2 CH CH CH2
这两个国家以金属钠作为催化剂，合成了一种叫做丁钠橡胶
的聚合物。
作为一种合成橡胶，丁钠橡胶对于应付橡胶匾乏而言还算是
令人满意的。添加其他单体（它们在长链中与丁二烯相间地排列
起来）可