论尿素的人工合成
尿素——一种生命的产物——在烧瓶里用矿物盐造了出来,全程没有任何生命参与。
如果你本想造一种乏味的小小盐,结果盘子里的晶体,竟是你自己的身体在肾里造出的那种东西呢?
核心想法
很长一段时间里,化学家把世界一分为二。一边是「无机」物质——你能挖出来、能在炉火里煅烧的矿物、盐与金属;另一边是「有机」物质,即生命之物:糖、血、尿。许多人相信,有机物只能由活的身体来制造,靠的是一种实验室无从提供的特殊「活力」。
1828 年,弗里德里希·维勒几乎是无意间越过了那条界线。他本想造一种叫氰酸铵的简单盐,最后却得到了尿素——一种众所周知的生命产物,正是让尿液发出气味的那种东西——而它完全是用人人称之为矿物的原料造成的。最奇的是:他想要的那种盐,和他得到的尿素,由数目完全相同的同样原子构成。他什么也没添加;那些原子只是重新排成了一种新物质。
它是如何诞生的
维勒当年二十七岁,在柏林一所技术学校任教,不停地给他的老师、瑞典大化学家贝采利乌斯写信。他正在制备氰酸盐——一种棘手、不稳定的盐——想把氰酸与氨化合,得到氰酸铵。可每当他蒸发溶液,总得到一些漂亮透明的晶体,偏偏不肯像他想要的那种盐那样行事。他一检验——竟是尿素。
他的兴奋,从 1828 年二月写给贝采利乌斯的那封信里满溢而出:他写道,自己再也「憋不住这泡化学的尿」了,不得不坦白,他能造出尿素,「而无需用到肾——人的也好,狗的也好」。可在那篇谨慎发表的论文里,他要克制得多,只问这是否可算用无机物造出了一种有机物。多年以后,他与一生的挚友尤斯图斯·冯·李比希,将一同建起有机化学的大半江山。
它为何重要
这场实验悄悄切中了当时一个最深的假设:生命的化学是另成一格之物。如果生命体的一种产物,能用普通的矿物盐拼装出来,那么也许,生命物质归根到底也是靠寻常化学运转的——这个疑念在此后的几十年里,逐渐硬化成了整门有机合成的科学。
它还递给化学一个无法回避的谜题:两种物质——那盐与那尿素——原子的配方一模一样,本性却全然不同。贝采利乌斯给这谜题起了名字——同分异构——而那个教训从此扎下了根:一种物质之为何物,不仅取决于它含有哪些原子,还取决于这些原子如何排布。
一个可以想象的画面
想想一个词里的笔画或字母。把同一组字母重新排序,你能拼出一个全然不同的词——就像英文里 listen(聆听)能重排成 silent(寂静)。字母一样,意思却不同。氰酸铵与尿素,就像用同一套「原子字母」拼出的两个词。维勒并没有添来新字母,他只是把原本就在那里的重新排了排,于是一种不稳定的盐,变成了你身体赖以为生的那个稳定的小分子。
它的位置
维勒出现的时刻,比拉瓦锡把化学放上天平(lavoisier-1789)、道尔顿给化学带来原子(dalton-1808)晚了一代人。他们立起了物质的记账法;维勒则表明,同一套记账法一直伸进了生命的化学,而两种物质纵然账目分毫不差,本性也可以全然不同。「排布」更深的含义——究竟是什么把原子按在各自的位置上——则要晚些才到来,先是十九世纪中叶的结构理论,再到路易斯的共享电子对(lewis-1916)。而尿素本身,会在一个世纪之后重新登场,成为身体如何排出氮的核心一环(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.