杂质也立功？开启现代化学工业的偶然发现

十九世纪中叶的伦敦见证了化学研究的蓬勃发展。大名鼎鼎的迈克尔•法拉第（Michael Faraday）于1833年受聘首任富勒化学教授终身教职，坐镇位于海德公园东侧的皇家研究院（The Royal Institution）。距此向北不远的牛津街上，坐落着于1845年成立的皇家化学学院（Royal College of Chemistry），由德国化学家霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann）担任首任院长。

在白金汉宫和摄政公园之间的皇家化学学院（左）由阿尔伯特亲王（Prince Consort Albert）亲自奠基，现在是喧闹繁华的时尚街区里历史遗迹之一（中）。霍夫曼（右）在导师尤斯图斯•冯•李比希（Justus Freiherr von Liebig）的推荐下毕业后就来到伦敦。图片来源：Wikipedia, London Remembers, & Wikipedia

1853年10月，一位15岁的少年威廉•珀金（William Henry Perkin）进入皇家化学学院学习。珀金出生、成长在东伦敦泰晤士河北岸沙德韦尔（Shadwell）的一个富庶家庭。受从事建筑和木工行业父亲的影响，珀金从小就对搭建模型、机械和工程产生了浓厚兴趣。但12岁时，珀金被一位朋友用晶体做的化学实验深深吸引，从此一发不可收拾地迷上了化学，坚信其中孕育着突破性新发现的无限可能。

14岁就玩起了自拍的珀金兴趣广泛，还曾萌发过跟兄弟姐妹成立四重奏组合去浪迹天涯的念头。有意思的是，霍夫曼刚进大学时选择的也并非化学，而是法律和古文献学。图片来源：J. Soc. Dyers Colour.

在当时的英国，化学研究并不被认为是很有前途的职业选择。许多大众对科研的印象还停留在“有钱有闲阶层的消遣”，职业科学家若非像亨利•卡文迪什（Henry Cavendish）一样自身家财丰厚，就得像汉弗里•戴维（Humphry Davy）和法拉第师徒一样有赞助者慷慨解囊。因此珀金当时的老师、同时也是霍夫曼之前的学生霍尔（Thomas Hall）费尽心思，下了“三顾茅庐”的功夫才争取到了珀金父亲的支持。

珀金13岁开始就读的伦敦市学校（City of London School）（左）毗邻圣保罗大教堂，现在则与泰特现代艺术馆（Tate Modern）隔千禧桥（Millennium Bridge）相望，是当时全英格兰为数不多教授化学课程的学校之一。珀金还时常到离家不远的伦敦医院（London Hospital）（右）参加化学讲座。图片来源：Wikipedia & Isle of Dogs Life

拜入霍夫曼门下的珀金如鱼得水，迅速积累了大量实验和理论知识，很快以学生身份就被霍夫曼任命为荣誉助理。随后珀金研究了氯化氰和萘的反应，与朋友丘奇（Arthur Church）共同发表了第一篇研究论文，也晋升为霍夫曼实验室的正式研究助理。痴迷化学的珀金不仅在学院全身心地投入工作，还在自己家中搭建了简易的实验室。

丘奇日后成为了著作颇丰的化学教授，同时也是一位才华横溢的艺术家。图片来源：Royal Academy of Arts

转眼到了1856年的复活节假期，珀金准备在“家庭实验室”中开展一项雄心勃勃的实验计划——化学合成治疗疟疾的特效药奎宁（quinine）。在这里有必要简单交代一下时代背景，维多利亚女皇时期是所谓“日不落帝国”的极盛期，也是英帝国主义者殖民活动最为猖獗的年代。遍布非洲、南亚、东南亚及拉丁美洲的殖民地也是疟疾泛滥的温床。

当时只能从金鸡纳树皮（左）中提取的奎宁（中）稀缺且昂贵，如果能大规模合成，也算是满足了国家重大战略需求。由于奎宁本身的副作用和抗药性的出现，以青蒿素（右）为主的联合疗法逐渐成为治疗疟疾的标准方法。图片来源：Wikipedia

与此同时，第一次工业革命带动了对煤炭的巨大需求，化学家们也对干馏煤过程中的副产物煤焦油打起了“变废为宝”的主意，实际上霍夫曼研究中很重要一部分就是从煤焦油中提取分离化合物并研究它们的化学性质。但这个时代也是有机化学发展的萌芽阶段，1828年弗里德里希•维勒（Friedrich Wöhler）人工合成尿素往往被认为是有机化学的诞生，苯的六元环结构要到1865年才由奥古斯特•凯库勒（August Kekulé）首次提出。

法拉第于1925年首次分离发现的苯（左），要等到百年之后才由晶体学家凯瑟琳•朗斯黛尔（Kathleen Lonsdale）（中）通过X射线衍射明确证实苯环结构（右）。图片来源：The Royal Institution, Wikipedia, & Proc. R. Soc. A: Math. Phys. Eng. Sci.

在这期间化学家们主要通过燃烧分析确定化合物中碳氢氧氮等元素的比例含量进行鉴别，对一些简单的官能团反应性质也有初步的了解，但尚未形成基本的化学结构和化学键理论。在此基础上，霍夫曼于1849年提出化学组成合适的两分子芳香胺可以通过缩合反应生成经验式为C₂₀H₂₄N₂O₂的奎宁。

在今天看来十分荒谬的实验设计，却已经代表了当时最先进的化学水平

受霍夫曼猜想启发的珀金首先通过烯丙基碘和甲苯胺反应制备了甲基-N-烯丙基苯胺，再进一步用重铬酸钾氧化，结果得到了与洁白奎宁晶体相去甚远的红棕色沉淀。用今天的视角下看这个结果当然是不出所料，但当时给珀金带来的只有更多的困惑，好在他并没有因此而沮丧放弃，而是决定回到最简单的芳香胺——苯胺来深入研究这一氧化反应。

奎宁的全合成（左）则要等到88年后由罗伯特•伍德沃德（Robert Burns Woodward）和他的博士后助理威廉•多林（William von E. Doering）（右）首次报道。图片来源：J. Am. Chem. Soc. & Nature

珀金继续用重铬酸钾氧化苯胺的硫酸盐，这次也只是得到了一团黑色沉淀。当时有机化学家们普遍追求干净漂亮的晶体，对黑色甚至是有颜色的产物往往弃之如敝履。但珀金并没有受到这种想法的影响，反而尝试用变性乙醇（含5%甲醇添加剂）去溶解这团脏兮兮的黑色产物，想找到能帮助他了解反应本质的答案。也正是珀金这一或有意或无意的举动带来了一个划时代里程碑式的发现。

珀金亲手染制的丝绸样品，至今依旧色彩鲜明。图片来源：Science History Institute

没想到的是，那一团黑乎乎沉淀的乙醇溶液却呈现鲜艳的紫色，更让珀金惊奇的是，溅到溶液的一块布料被染上了紫色，而且无论如何再也洗不掉。从小在纺织染色工业发达的沙德韦尔耳濡目染的珀金，敏锐地意识到自己可能无意中合成了一种性能优异的紫色染料。随后他又用丝绸、羊毛等不同材质进行尝试，发现不仅染出的色彩鲜艳，而且在空气中和阳光下都十分稳定，哪怕是用肥皂洗也不会掉色。相比之下，当时常见的紫脲酸铵（Murexide）则很容易在当时伦敦严重污染的酸性空气中迅速褪色。

呈紫红色的紫脲酸铵最早由李比希和维勒从蛇粪中提炼出来，后来海鸟粪成了它的主要来源。图片来源：Wikipedia

根据现代化学知识，这个意外发现中其实存在一个很大的问题：正常情况苯胺在酸性和强氧化剂的条件下，应该生成绿色的聚苯胺。那为什么珀金会得到紫色的产物呢？关键就在于当年的分离纯化水平有限，煤干馏得到的苯中往往混有甲苯，经过硝化再还原后的苯胺纯度不高，难免夹杂甲苯胺，也就是说杂质在其中起到了至关重要的作用！尽管不清楚原理，珀金不久后也意识到使用其他来源制备的苯胺是无法得到紫色产物的。

珀金苯胺紫染料样品。如果珀金的苯胺原料纯度较高，那么他将得到导电高分子聚苯胺，但恐怕受时代所限并不会认识到这种材料的重要意义。照片来源：Science Museum UK

经现代仪器分析，这种后来被命名为苯胺紫（Aniline Purple，商品名Mauveine或Mauve）或珀金紫（Perkin's mauve）的染料其实是由多种结构类似的化合物组成的混合物。以Mauveine A为例，苯胺、对甲苯胺和邻甲苯胺按2：1：1的比例先发生一系列分子间的碳氮偶联反应，再通过分子内碳氮偶联成环以及氧化脱氢后形成。

确定各苯胺紫的分子结构并非易事，直到快150年后的1994年才初步有了定论

再说回一百多年前珀金偶然合成的紫色染料，在现代人眼中可能并没有什么不寻常之处，但当年全世界范围内的纺织业依靠的完全是天然来源染料。紫色之所以从古至今都是尊贵的象征，就是因为稳定的天然紫色染料非常稀少。骨螺作为一种分布广泛的海生贝类，鳃下腺能分泌一种在光照下变为紫色的黏液，这就是著名的骨螺紫。史料表明早在公元前1200年，地中海东岸的腓尼基人就掌握了骨螺紫染色。但骨螺紫的提取异常困难，大约一万只骨螺最终才能提取出一克的染料，这也导致在某些历史时期骨螺紫的价格能达到黄金的十到二十倍。

骨螺紫的主要成分是6,6'-二溴靛蓝，跟来自板蓝根等植物的靛蓝Indigo有着相同的分子骨架。骨螺紫又叫泰尔紫（Tyrian purple），得名于如今还饱受战火袭扰的黎巴嫩滨海城市泰尔Tyre。图片来源：Wikipedia

染色性能如此卓越的苯胺紫让珀金看到了潜在的巨大商业价值。在哥哥托马斯（Thomas Dix Perkin）的帮助下，珀金优化了合成工艺，他的染色样品也得到了当时著名染坊主的认可。珀金还在丘奇的建议下为苯胺紫申请了专利并成功获批，当时的珀金仅仅18岁，而当时按惯例专利仅授权给21岁以上的申请人。

跟珀金的专利一起传世的还有他发现苯胺紫的“家庭实验室”，这栋位于卡布尔街（Cable Street）的公寓楼外墙上有一块并不醒目的蓝匾，默默诉说这段历史。图片来源：Wikipedia

在父亲的支持和哥哥的加盟下，珀金于1858年创建了珀金父子公司（Perkin & Sons）。事实证明，尽管苯胺紫的发现意义重大，那也仅仅是染料事业开端的一小步。在解决了棉布染色、大规模生产工艺等一系列棘手问题后，珀金的公司才算开始走上正轨。但当时英国国内的染坊主并不愿意尝试新的染料和工艺，反而在未受到专利保护的法国，“山寨”苯胺紫大受欢迎（Mauveine这个名字其实来源于锦葵花的法语名Mauve），倒逼了英国的产业升级，最终使珀金的公司取得了商业上巨大成功。

出伦敦城一路向西北路过温布利（Wembley）紧接着就到了珀金父子公司原址所在的格林福德（Greenford），不难看出从1858年到1873年工厂扩张迅速（左），工厂旧址现在也成了重要历史遗迹（右）。图片来源：J. Soc. Dyers Colour. & Wikipedia

珀金父子公司成功的深远意义更在于拉开了现代化学工业的序幕，在此之前并不存在任何基于多步反应的规模化生产。而苯胺紫的迅速流行也在欧洲范围内引发了对苯胺衍生染料的研究热情，随之而来的有苯胺红、苯胺蓝以及霍夫曼紫等合成染料。

1869到1870年间，珀金和德国路德维希港（Ludwigshafen）一家新成立的公司几乎同时开始红色染料茜素（Alizarin）的生产，这也是人类历史上第一次工业化生产天然产物。德国这家公司的全名是巴登苯胺和苏打工厂（Badische Anilin- und Soda Fabrik），也就是赫赫有名的BASF。图片来源：Wikipedia

霍夫曼当年并不赞成珀金离开实验室投身工业界，但是珀金从未中断自己的化学研究。在染料公司取得商业成功后，珀金决定出售公司以便自己能投入全部精力重返科研。此后的三十多年间，珀金发表了六十余篇研究论文，包括他最重要的两项成果：香豆素重排反应又称珀金重排反应（Perkin rearrangement）和常用于制备肉桂酸及同系物的珀金反应（Perkin reaction）。

珀金并没有将香豆素这种重要的香料商品化，但他的贡献却为人工合成香水工业奠定了基础

1906年珀金荣获以业师冠名的霍夫曼奖章，由时任德国化学会主席的埃米尔•费歇尔（Hermann Emil Fischer）颁发，倘若彼时霍夫曼泉下有知，应该会倍感欣慰。同年，一向谦逊的珀金在儿子们的劝说下接受封爵，也获得了美国化学工业协会颁发的首届以他自己命名的珀金奖章。这一年恰好是苯胺紫发现的五十周年，人工合成染料的种类已达两千种之多！

霍夫曼奖章（左）和珀金奖章（右）。图片来源：GDCh & Wikipedia

珀金的影响力当然远不止于此。英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry）作为历史最为悠久的化学学会，出版多种知名学术期刊，而在RSC所有现行和已经停刊或合并改名的主要刊物中，仅有三本刊物是以人名命名的。

除了珀金外，另外两人分别是被誉为近代化学之父的约翰•道尔顿（John Dalton）和法拉第，珀金在英国乃至全世界化学界的地位由此可见一斑。图片来源：RSC

2013年，威廉珀金圣公会高中（William Perkin Church of England High School）在格林福德创立，为纪念珀金的贡献，学校的校色选定为苯胺紫色。校徽从左上角逆时针开始分别代表教会、皇室、化学（苯胺分子的球棍模型）以及校训。在校徽上出现化学分子的恐怕是独此一家了。

这所学校的校训源自《新约圣经》中《约翰福音》的第10章第10节，因此在校徽上写作“X:X”。图片来源：BBC & Wikipedia

学校校训的全文是“I have come that you should have life and life in all its fullness”，可译为“我来是要他们得生命，并且得的更丰盛”，把这句话作为虔诚基督教徒珀金一生的写照，恰如其分。

2018年Google在珀金诞辰一百八十周年之际推出了纪念涂鸦，Google一词由飘扬的紫色缎带拼写而成。图片来源：Google

参考文献：

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Cova, T. F. G. G., Pais, A. A. C. C., & Seixas de Melo, J. S. (2017). Reconstructing the historical synthesis of mauveine from Perkin and Caro: procedure and details. Scientific Reports, 7(1), 6806. 

（本文由SulfuriumUranide供稿）