論尿素的人工合成
尿素——一種生命的產物——在燒瓶裡用礦物鹽造了出來,全程沒有任何生命參與。
如果你本想造一種乏味的小小鹽,結果盤子裡的晶體,竟是你自己的身體在腎裡造出的那種東西呢?
核心想法
很長一段時間裡,化學家把世界一分為二。一邊是「無機」物質——你能挖出來、能在爐火裡煅燒的礦物、鹽與金屬;另一邊是「有機」物質,即生命之物:糖、血、尿。許多人相信,有機物只能由活的身體來製造,靠的是一種實驗室無從提供的特殊「活力」。
1828 年,弗里德里希·維勒幾乎是無意間越過了那條界線。他本想造一種叫氰酸銨的簡單鹽,最後卻得到了尿素——一種眾所周知的生命產物,正是讓尿液發出氣味的那種東西——而它完全是用人人稱之為礦物的原料造成的。最奇的是:他想要的那種鹽,和他得到的尿素,由數目完全相同的同樣原子構成。他什麼也沒添加;那些原子只是重新排成了一種新物質。
它是如何誕生的
維勒當年二十七歲,在柏林一所技術學校任教,不停地給他的老師、瑞典大化學家貝采利烏斯寫信。他正在製備氰酸鹽——一種棘手、不穩定的鹽——想把氰酸與氨化合,得到氰酸銨。可每當他蒸發溶液,總得到一些漂亮透明的晶體,偏偏不肯像他想要的那種鹽那樣行事。他一檢驗——竟是尿素。
他的興奮,從 1828 年二月寫給貝采利烏斯的那封信裡滿溢而出:他寫道,自己再也「憋不住這泡化學的尿」了,不得不坦白,他能造出尿素,「而無需用到腎——人的也好,狗的也好」。可在那篇謹慎發表的論文裡,他要克制得多,只問這是否可算用無機物造出了一種有機物。多年以後,他與一生的摯友尤斯圖斯·馮·李比希,將一同建起有機化學的大半江山。
它為何重要
這場實驗悄悄切中了當時一個最深的假設:生命的化學是另成一格之物。如果生命體的一種產物,能用普通的礦物鹽拼裝出來,那麼也許,生命物質歸根到底也是靠尋常化學運轉的——這個疑念在此後的幾十年裡,逐漸硬化成了整門有機合成的科學。
它還遞給化學一個無法迴避的謎題:兩種物質——那鹽與那尿素——原子的配方一模一樣,本性卻全然不同。貝采利烏斯給這謎題起了名字——同分異構——而那個教訓從此扎下了根:一種物質之為何物,不僅取決於它含有哪些原子,還取決於這些原子如何排佈。
一個可以想像的畫面
想想一個詞裡的字母。把同一組字母重新排序,你能拼出一個全然不同的詞——就像英文裡 listen(聆聽)能重排成 silent(寂靜)。字母一樣,意思卻不同。氰酸銨與尿素,就像用同一套「原子字母」拼出的兩個詞。維勒並沒有添來新字母,他只是把原本就在那裡的重新排了排,於是一種不穩定的鹽,變成了你身體賴以為生的那個穩定的小分子。
它的位置
維勒出現的時刻,比拉瓦節把化學放上天平(lavoisier-1789)、道爾頓給化學帶來原子(dalton-1808)晚了一代人。他們立起了物質的記帳法;維勒則表明,同一套記帳法一直伸進了生命的化學,而兩種物質縱然帳目分毫不差,本性也可以全然不同。「排佈」更深的含義——究竟是什麼把原子按在各自的位置上——則要晚些才到來,先是十九世紀中葉的結構理論,再到路易斯的共享電子對(lewis-1916)。而尿素本身,會在一個世紀之後重新登場,成為身體如何排出氮的核心一環(krebs-1937)。
Diese künstliche Bildung des Harnstoffs, kann man sie als ein Beispiel von der Bildung einer organischen Substanz aus unorganischen Stoffen betrachten?
Ich kann, so zu sagen, mein chemisches Wasser nicht halten und muß Ihnen sagen, daß ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren oder überhaupt ein Thier, sey es Mensch oder Hund, nöthig zu haben. Das cyansaure Ammoniak ist Harnstoff.