染料之王：靛藍

導讀

1905 年度諾貝爾化學獎授給德國化學家拜耳 (Adolf von Baeyer) ,表彰他在合成靛藍以及氫化芳烴等方面所作的杰出貢獻 。

一、古老的染料：靛藍

斜紋粗棉布用靛藍染色后制成的牛仔褲 (blue jeans) 在 70 年代后期于世界各地迅速流行開來 ,受人喜愛的程度可以從靛藍產量急劇上升來推想。例如美國 50 年代靛藍年產量為 15000t 。但到60 年代中期幾乎全部停產 ,70 年代后期產量又重新崛起 ,僅聯合化學公司一家就年產 3000t ,此后世界各地產量均以超過 100 %的速度增加著。

靛藍染料的使用已經有四五十年的歷史 ,古埃及木乃伊穿著的一些服裝、我國馬王堆出土的藍色麻織物等都是由靛藍染成的。200 多年前法國大革命和美國獨立戰(zhàn)爭時的旗幟上也染有靛藍的顏色。這種染料所以能夠長期、廣泛地為人們所喜愛 ,是由于它在染著堅牢度和耐光堅牢度上都是其它染料無法比擬的 ,故常被稱為 “ 染料之王”。

靛藍是從靛藍植物 ( Indigofera group) 如 :菘藍、蓼藍、木藍等中獲得 ,它們在我國及印度等地曾廣為栽培 ,其根稱為板藍根、葉稱大青葉、加工后的沉淀物稱青黛 ,均供藥用。

用靛藍植物染色時是先把它切碎 ,放在甕中加水浸泡任其發(fā)酵 ,發(fā)酵液中含有以吲哚酚為主要成分的隱色體 ,當織物在其中浸透后取出晾干 ,隱色體即被空氣氧化 ,形成水不溶性的靛藍而染在織物上。因此靛藍是一種還原染料 ,更因為染色是在與空氣接觸面積較小的甕中進行 ,又稱甕染染料。

19 世紀中葉 ,以紡織工業(yè)革命為先導的產業(yè)革命也促進染料的需求大幅度增加 ,當時雖然在東印度尤其是孟加拉一帶開辟了數十萬英畝良田用于種植靛藍植物 ,然而仍無法滿足印染業(yè)的需要 ,以致用化學方法合成染料的課題 ,已經擺在化學家面前。

二、合成靛藍

1905 年度諾貝爾化學獎授給德國化學家拜耳 (Adolf von Baeyer) ,表彰他在合成靛藍以及氫化芳烴等方面所作的杰出貢獻 。不過在拜耳研究靛藍之前 ,人們已經測定了它的實驗式 :C 8 H5NO及分子式 :C16 H10N2O2 。并且發(fā)現靛藍用苛性鉀低溫熔融時可以生成鄰氨基苯甲酸 ;高溫熔融得苯胺 ;用硝酸或三氧化鉻氧化時得到靛紅 。但囿于當時對分子結構的認識正處在萌芽期 ,所以也就無法推測出靛藍結構了。

1865 年凱庫勒提出苯的環(huán)狀結構 ,也就是同一年拜耳開展了靛藍研究 ,他首先認為靛藍是一種含氧化合物 ,因而可能是某種 “ 母體”物質的氧化產物。這種母體在某種程度上與苯胺相似 ,拜耳命名為吲哚 ( Indole) ,它的氧化產物應該是吲哚酚 ;更高一級的氧化產物則是吲哚醌 ,即結晶呈紅色的靛紅 :

吲哚酚和苯酚之間雖然有許多不同 ,但都是母體上的一個氫原子被羥基取代的產物 ,所以拜耳也希望能按照苯酚可以被還原成苯那樣從吲哚酚制出吲哚 ,但由于吲哚酚很容易發(fā)生樹脂化 ,以至工作半年多之后 ,仍然得不到期望的結果。

當拜耳把實驗時遇到的困難情況說給正在講授化學工藝課程的同事 Stahlschmidt 時 ,卻從他那里得到一個重要信息 ,這就是過去一直用做油漆填料的鋅粉 ,已經有人把它作為工業(yè)上的還原劑。

于是拜耳立即把它用在吲哚酚的還原上 ,盡管又經過多次反復摸索 ,但仍得不到結果 ,在萬般無奈的情況下 ,試著把二者一起放在燃燒管中加熱 ,意想不到的是在燃燒管被加熱到赤熱時 ,真的獲得了吲哚 (1866 年) 。

拜耳所以能長期系統地堅持著靛藍結構與合成方法的研究 ,應當歸功于他偶然地發(fā)現了重要的鋅粉還原法 ,從而得到靛藍的母體。當他的學生 C. Graebe 把這種方法應用到紅色植物染料 — — —茜素的研究上后 ,不但確定了它的化學骨架 ,而且很快把茜素的實驗室制法擴大到工業(yè)規(guī)模生產上(1871 年) 。這一成功不僅刺激了染料制造業(yè)者 ,也促進了拜耳研究靛藍的決心。

1870 年拜耳和他的學生一起把靛紅用三氯化磷處理后生成的產物再以鋅粉2鹽酸還原時得到了靛藍 ,這使拜耳次看到了人造靛藍的曙光 ,這時所用的靛紅 ,雖然還是來自靛藍植物 ,但到1878 年拜耳已經能由苯乙酸來制取了。

1879 年拜耳進一步發(fā)現 ,如果將鄰硝基肉桂酸的溴化物與堿共煮 ,也能得到少量靛藍 ,稍后又發(fā)現用鄰硝基苯丙酸制取靛藍的方法 ,并將這一發(fā)明在 1880 年 3 月 19 日申請到個關于合成靛藍的專利 ;同年 12 月發(fā)表了篇合成靛藍的科學論文 ,1883 年提出了靛藍的結構式  ,這種通過化學反應推導出的結構式和 45 年后 (1928 年) 由 X 射線衍射法測出的結果 (2) 只是在順式及反式上稍有不同而已：

有了靛藍的結構 ,就有辦法尋找更方便的合成方法 ,就有可能通過結構的化學修飾制出新型染料。靛藍的工業(yè)生產 ,終雖然沒能按照拜耳在實驗室中的特殊步驟來進行 ,而是采用 K. Heumann以苯胺和乙酸為初始原料的路線 (1890 年) ,但是投產后對工業(yè)和農業(yè)的影響卻是全球范圍的。到19 世紀末 ,生產合成靛藍的化工廠已經替代了各地種植靛藍植物的農莊。人們還驚奇地發(fā)現 ,古老的泰爾紫 (Tyrian purple) 就是含有兩個溴原子的靛藍 ,這種名貴的紫色染料 ,長期以來都是在極其秘密的情況下 ,用蝸牛螺骨制取的 ;靛藍的同分異構體 — — — 靛玉紅 ( Indirubin) 卻具有神奇的治療血癌作用。

三、阿爾道夫· 拜耳

阿爾道夫· 拜耳 ,1835 年 10 月 31 日生于柏林 ,父親曾是普魯士軍隊的將軍 ,退役后任普魯士大地測量學院的院長 ,母親是著名法學家和歷史學家的女兒。拜耳少年時期就對化學產生了濃厚興趣 ,正如后來他在講演合成靛藍時所說“ : 我從幼兒時期就注意到那些來自東印度的、神奇且有特殊氣味的染料”。

1853 年拜耳為了學習化學 ,離開當時還沒有化學實驗室的柏林去了海得堡 ,從師于本生 ( R.Bunsen) ,還結識了凱庫勒 (A. Kekule) 。1858 年以有機砷化物為研究內容的論文獲得博士學位 。

拜耳畢業(yè)后先在霍夫曼 (A. W. Hoffmann) 實驗室工作 ,1860 年回到柏林在一所技術學校任教師 ,同時開展科學研究。他在研究尿酸的過程中發(fā)現了一種有意義的酸 ,并把它稱為巴比妥酸(barbituric acid) ,這一名稱是用他要好的女友 Barbara 的名字命名的 ,后來這類化合物被發(fā)展成一大類安眠藥和麻醉品。

1865 年拜耳開始把注意力轉向靛藍的研究 ,在研究的過程中 ,不但發(fā)現了酚酞 ,而且還制出了苯酚與甲醛的縮聚物 ,可惜的是對于這種粘稠性物質 ,被認為是一種和染料無關的非結晶體而未深入研究 ,后來這一發(fā)現卻在貝克蘭 (L. Beakeland) 的深入鉆研下制出了酚醛塑料 ,導致塑料時代的來臨。

1872 年拜耳到新組建的斯特拉斯堡大學任化學教授 ,三年后 ,由于慕尼黑大學的著名化學家李比希 (J . F. Liebig) 的去世而被聘為該校的化學教授 ,成為李比希的接班人 ,此后一直在這里進行教學和科學研究 ,直到 80 歲高齡。

拜耳在發(fā)表了靛藍結構式之后 ,又把研究方向轉向萜類及高不飽和的多炔類化合物 ,先后還確定了α 2蒎烯、蒈酮、萜品醇等氫化芳烴類的分子結構。1885 年還提出了 “ 張力學說”,成為早應用范特霍夫 (J . H. Van’t Hoff) 和勒貝爾 (J . A. Le Bel) 的碳原子四面體構型理論、闡述碳環(huán)化合物穩(wěn)定性的人 ,拜耳張力學說后來雖有更準確的表述 ,但它在化學史上仍不失其重要意義。

隨著靛藍、茜素等染料生產的工業(yè)化 ,也帶動了德國有機化學工業(yè)的發(fā)展。在這些新興工業(yè)的工廠中 ,位于重要崗位上的人員 ,大部分都受過拜耳這位實驗家、理論家也是當時著名化學教育家和導師的化學培訓。在拜耳門下的諸多英才中 ,尤其是以研究嘌呤化學、糖化學以及蛋白質化學等而著稱于世的德國化學家費歇爾 ( E. Fischer) 更是一顆璀璨的明星 ,這真的應了我國的一句老話“ 青出于藍勝于藍”了。