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科学松鼠会刊出的汤姆斯河系列文章为2014年普利策非虚构小说获奖作品《汤姆斯河:一个美国癌症村的故事》的系列节选。该书讲述了一个美国无名小镇与一家国际著名化工企业之间迁延半个多世纪,关于污染与经济的爱恨情仇。

本章讲述的是最终在汤姆斯河造成严重污染的染料合成工业是如何从一间阁楼实验室诞生出来并大放异彩的。汽巴、巴斯夫、山德士......这些当年争相追逐染料配方的“小作坊”日后都成为了化工行业的巨擘,而这些化工企业自诞生之初,就背负着“原罪”。

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那个改变汤姆斯河,重塑全球经济的宏伟创想1856年诞生在一间阁楼实验室里。实验室的主人威廉·亨利·珀金年仅十八岁,还和父母住在伦敦东区,在学习化学,小有所成。当时是复活节,利用假期时间,珀金照着他老师,皇家化学学院化学家奥古斯特·威廉·冯·霍夫曼的建议进行了一些煤焦油实验。

霍夫曼对煤焦油化学性质的了解无人能及,而谁都知道它的重要性。可以说,它是工业废物中分布最广的。19世纪中期,很多欧洲和美国的城市都用煤气和焦炭代替了蜡烛、动物油脂和木材作为主要的光热源和烹饪燃料。煤气和焦炭都是煤炭在缺氧状态下高温燃烧获得的,这个过程同时会产生黏稠而难闻的棕色液体,这种液体看上去很像给木质船舶做防水的松焦油,被称为煤焦油。但不经蒸馏,煤焦油密封性能不佳,还有毒,因而不易处置。直接烧掉会产生有害的黑烟,填埋后周围会寸草不生。通常只能将它倒在露天矿场或是排水沟里,也不是很好。但霍夫曼相信煤焦油可以变成有用的东西,这位来自德国黑森的移民对实验有无穷的耐性。在皇家化学学院,他作为项目主持人进行了系统的实验。煤焦油的不同成分会在不同温度下蒸发出来,霍夫曼据此花费多年时间分离出了多种组分。19世纪40年代,他的成果促成了木材“浸渍”产业: 铁轨枕木和电线杆浸泡在煤焦油中分离出的木馏油中后可以防止腐坏。但木材浸渍中用不到煤焦油组分中更轻质易于挥发的组分,它们还是无用而有害的——事实上毒性还大于未经蒸馏的煤焦油。所以霍夫曼和他的学生仍在继续研究。

年轻的威廉·珀金就是这些学生之一。霍夫曼让他做的工作包括将煤焦油中的一些主要成分上的含氮基团分解为胺。霍夫曼知道,奎宁也是一种胺,和煤焦油中包括石脑油在内的几种组分结构很相近,而奎宁是当时唯一能治疗疟疾的药物,对大英帝国至关重要。他也知道,只有秘鲁的金鸡纳树的树皮能生产奎宁,因此这药极贵,而且不易获得。要是石脑油或者煤焦油里其他什么没用的成分能够合成这个神奇的药物呢?霍夫曼认为这个想法不太现实,但觉得对他那个年纪轻轻的得意门生,这倒是一个很好的研究项目。

珀金和导师一样沉迷于实验,他迫不及待地接受了挑战。工作从复活节假期开始,当时霍夫曼在德国。在自己家阁楼上那个简陋的实验室里,珀金打算试试甲苯——煤焦油中的一种有毒成分,它后来在汤姆斯河镇扮演了重要角色。珀金分离出了一个衍生物,N烯丙基对甲苯胺,试图在重铬酸钾和硫酸的混合液中将其氧化为奎宁。实验结束的时候烧瓶里有一种红黑色粉末,并非他预期的澄清药物。他打算用结构更简单的苯胺再试一次,苯胺是苯的衍生物,苯也是煤焦油的一种组分,后来变得臭名昭著。再一次,珀金将苯胺和重铬酸钾、硫酸混合在一起,还是不行,这次在瓶底的是黑色粘稠状物质,显然不是奎宁。

但当珀金把黑乎乎的东西从烧瓶里弄出来的时候,有什么东西吸引了他的目光: 在烧瓶的最底下有一种亮紫色的残留物,这东西紧紧地附着在瓶底,颜色鲜亮。更有趣的是,当他用酒精清洗附着物的时候,紫色完美地转移到了他用来擦瓶子的棉布上。无意中,珀金发现了苯胺的分子魔法。苯、甲苯和其他煤焦油组分都是无色的,因为它们吸收的是人眼不可见的紫外光。但如果这些芳香烃在酸性环境中生成了苯胺或其他胺类,再进行几步反应,新合成的分子就会高效吸收可见光波段的光子。年轻的化学家并不知道这颜色为何如此艳丽: 分子中各个电子键的结构决定着分子对特定波长光子的吸收能力,这一点还要再过五十年才会被人类发现。他甚至都不知道他合成的是什么: 他合成出的新化合物的确切结构要到20世纪90年代才能确定。但珀金只需要一双眼睛就知道,他瓶子底下的这个东西大有用处,特别是当他看到棉布上的漂亮颜色以后。几个月前珀金和一个同学试着合成用于纺织品的染料,失败了。现在,他想要合成疟疾药物,却得到了染料。他知道,如果能生产出第一个用于丝绸、棉布和其他织物印染的人造染料,是会发大财的。年轻人心里想,实验失败也许不是坏事。

染料业一直都是非常大的产业。给自己的身体披上颜色是人类的原始冲动。从印度到美洲,古代文明都用从木材、动物和花朵中提取的颜料给自己的皮肤或衣服染色。(注:根据食谱记载,埃及人从胭脂花、茜草和红花中提取淡红色染料,从马棘或槐蓝中提取蓝色用于印染缠绕木乃伊用的亚麻布。希腊人用大桶的靛蓝染他们羊毛或麻布做的长袍。几个世纪后,罗马人入侵不列颠时,他们吃惊地发现凯尔特人用可能是菘蓝提取的蓝色涂抹身体。事实上,“不列颠”可能得名于希腊语的“prettanoi”,或者“纹身的人”。)而且,古代最高贵的颜色就是泰尔紫。它只能从地中海东部的骨螺和其他某几种海螺的黏膜分泌物中提取。紫红色染料价格昂贵,因为它不单炫目,而且极其罕有。基本上每只骨螺只能在刚被捉到时产生几滴染料。这种颜色的起源很传奇,据说是大力士赫拉克利斯发现的。希腊神话描述,这个英雄发现自己的狗在咬过黎凡特海边的贝壳后嘴被染成了紫色,他觉得这个颜色很高贵,就给腓尼基王进献了一件紫色的长袍。腓尼基王立即宣布这种颜色是皇室的象征,泰尔便成了古代骨螺染料生产的中心。所以,公元前44年3月15日,尤里乌斯·恺撒在罗马议政大厅被布鲁图刺杀时,穿的是他的泰尔紫的加冕长袍。同样,十三年后阿克提姆海战时,克里奥帕特拉的皇室帆船被染成亮紫色。

随着罗马帝国的衰落,他们建立起来的详细的骨螺养殖与染料生产系统不复存在,紫色也一同消失了。随后的一千年是灰、棕、黑的世纪。(唯一的例外是君士坦丁堡的一间有着华丽的紫色墙壁的内庭,那里是拜占庭王室子嗣出生的地方,在那里出生的孩子被称作“紫衣贵族”,所谓“佩紫而生”。)直到中世纪晚期,新的染料产业才出现,天主教的枢机主教们得以披上由小小的胭脂虫的壳染制的猩红色的长袍,地毯纺织工开始用原产印度和巴西的巴西木做染料织出鲜艳的红色。(注:葡萄牙人1500年抵达南美洲海岸时因为发现了巴西木而异常兴奋,于是他们将新发现的领地称作“Brasil的土地”,因为那里的树能生产一种像炭烧红了似的红颜色,这种颜色在中世纪法语中叫做braise。)紫色也有,大部分是苔藓提炼,颜色寡淡还容易褪色。而恺撒和赫拉克利斯的紫红色,权利与财富的颜色,那个色彩之王,则仅存于传说之中,不在染匠的调色板上,它消失了。

然后,突然之间,它出现了,紧紧地粘在十八岁少年威廉·亨利·珀金的玻璃烧瓶底上,和海螺没什么关系。不出六个月,珀金注册了染料生产专利,离开了皇家化学学会(不顾导师霍夫曼认为他太鲁莽的反对意见),投身于染料生产,他将那个颜色称为泰尔紫。后来,他又将其改名为珀金紫(Perking's mauve),又叫苯胺紫,因为这是化工合成的第一个商业产品,这个名字终将载入史册。最初珀金和他哥哥托马斯在自己家顶楼的实验室里合成染料,后来换到了他们家后院,最后迁到了伦敦郊区邻近大章克申运河的工厂里。珀金兄弟很幸运,1857—1858年间,英法的沙龙里浅紫色正时髦。法国人叫它淡紫,那是法国的欧仁妮皇后和她的密友英国维多利亚女王都喜欢的颜色。而珀金的新颜色不单比他们法国同行从苔藓中辛苦提炼的淡紫色更亮丽,价钱还便宜。多亏了他,时髦女性能穿得起欧仁妮皇后喜欢的颜色,于是,1858年她们就都穿成了这个颜色。欧洲的染料坊都惊觉了,开始恶补苯胺化学工艺研究,同时向伦敦派去代表,和珀金协商要买他的生产秘方。

密切注意珀金的成果的人中,包括两位来自瑞士巴塞尔的同行。一个是约翰·鲁道夫·嘉基梅里安,他的家族在巴塞尔做植物染料生意已经四代,一百多年前的1758年,他的曾祖父约翰·鲁道夫·嘉基格穆绍伊斯建立了这个公司。另一个是嘉基的竞争对手亚历山大·克拉维尔,他刚到瑞士不久,是法国人,选择巴塞尔定居是因为这个城市的战略位置: 它在莱茵河边,紧邻德法两国,是一个纺织品贸易的中心。嘉基梅里安和克拉维尔都着迷于珀金在苯胺化学上的突破和产生的廉价而鲜艳的染料。当1858年第二种苯胺染料诞生的时候,他们坐不住了。新染料是淡红色的,称作品红,或洋红,生产成本比珀金的苯胺紫还低。

对嘉基和克拉维尔来说,山寨珀金是理所当然的,尤其是这个英国年轻人在除本国之外的其他国家都没有申请到专利。而且,就算有专利,在巴塞尔也是无关紧要的,因为瑞士不执行专利,也不视化学反应过程为需保护的知识产权,这种状况五十年后才有所改变。(愤怒的法国人把瑞士叫“造假之国”,更愤怒的德国人则叫它“海盗国”。)嘉基和克拉维尔根本没想过和珀金协商,珀金和太多人讨论过他的方法,基本上是尽人皆知——至少在没有专利的瑞士是这样的。1859年底,嘉基和克拉维尔各自在莱茵河的运河边建起了自己的苯胺染料生产车间,彼此仅相隔几英里。借此,两家公司后来得以跻身于世界最大化工公司的行列。而且若干年后,他们成了一个庞大的制造业工厂的合作伙伴,这个工厂地处新泽西州的一个小镇,这个镇子有着自己的海盗历史:汤姆斯河镇。(译注:此处原文中用的piracy既有海盗之意,也有盗版的意思,作者语意双关。)

其后十年,沿着莱茵河,德国和瑞士境内生产苯胺染料的工业如火如荼,起先是紫、红和黑,后来就五彩斑斓,这个产业将一个个家族企业变成了跨国巨擘。到1870年,借着新技术合成染料的东风,大部分将在未来一个半世纪中掌控化工工业的企业已成长为跨国公司。

包括嘉基、拜尔、赫斯特、爱克发(Agfa是“苯胺生产公司”的首字母缩写),还有他们中最大的:巴斯夫,取自“苯胺与碳酸钠生产厂”。亚历山大·克拉维尔的工厂也很成功,特别是他1873年将其售出之后。十一年后公司更名“巴塞尔化工公司”,简称汽巴。巴塞尔的第三大染料制造商山德士随后在1886年加入了染料产业。

这些大公司的成功始于盗用珀金的宏伟创想,却不仅限于此。其后更重要的决定是跟随珀金的导师霍夫曼的直觉,彻底分离煤焦油,为它的各个组分——不仅是苯胺——找到利用价值。继苯胺染料之后,以苯为干基,从甲苯生产品红,从蒽生产红色,从苯酚生产粉红,从萘生产靛蓝。这些碳氢化合物是有机化工工业廉价而充裕的砖瓦。在化学制造的新世界里,碳氢化合物至关重要,如同在生命体的化学反应里碳元素和氢元素不可或缺。碳原子和氢原子生成分子的时候倾向于形成稳定的环状或长链状结构,这样原子间通过共用电子形成的键更牢固。四十亿年前,这些牢固的碳氢键使得地球的原生汤中演化出了长链有机物——氨基酸、DNA和蛋白,生命得以出现。现在,借着煤焦油中碳氢聚合物的模板,化学家们开始构建一个新材料的世界,比大自然提供的更强大,更迷人,也更廉价。

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One Response to “汤姆斯河(二) 溯源·化工鼻祖(上)”

  1. 熊松松说道:

    期待续集~