Chemistry 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Chemistry
标  题: [转载] 化学合成与农作物增产 刘旦初
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Sun Jun 13 19:59:02 2004)

   大约在一万多年前，人类开始探求稳定获取食物的方法，以满足自身生存的需求，于是

出现了农业。当时的人口仅1500万。到 1850年，地球的人口已达到10亿，120年之后的19

70年，地球人口猛增到50 亿，2000年则突破了60 亿。民以食为天，人类面临着需要给自

己提供足够的食物和营养的严重问题。1983年，全球有2000万人，即当时世界人口的0.5％

，因饥饿而死亡，此外尚有5亿人严重营养不良。解决这一问题的办法是提高单位土地面积

的粮食产量，而化学合成工作在农业增产方面扮演着极为重要的角色。


   化肥：简单反应不简单


   植物生长过程需要氮、磷、钾等营养成分，其中，植物茎叶生长所需的氮肥，是植物生

长过程中不可缺少且需求量极大的营养素。除少数豆类植物外，植物所需的营养是靠植物

根部从土壤中吸取的。为此农业耕种的要素之一就是不断地向土壤施肥。传统的方法是施

用农家肥，但以人和牲畜的粪便为主的农家肥有两个缺点：其一是含氮量不高，因此肥效

用农家肥，但以人和牲畜的粪便为主的农家肥有两个缺点：其一是含氮量不高，因此肥效

较差；其二是大面积施用农家肥会严重污染环境。用人工合成的化学物质来代替传统的农

家肥于是成为共识。


   人工合成的化学物质用作肥料必须符合下列条件：简单且易于合成；原料丰富且价格低

廉；含氮量要高，极易溶于水。根据这些条件，人们很快想到了氨。氨由氢和氮即可合成

，且氮气可从空气中取之不尽；氢气的来源也十分丰富，可水解煤气获得。氨在水中有极

大的溶解度，摄氏零度时，1体积的水可以吸收1200体积的氨，在 20℃时也可吸收 700体

积的氨。最为突出的优点是氨分子中含氮量在82％ 以上。


   虽然氢和氮合成氨是一个非常简单的化学反应，实现起来却十分困难。化学反应从本质

上讲是一个破旧立新的过程：打开旧的化学键再形成新的化学键。在合成氨的这个反应中

，要把氮的叁键打开需要极高的能量，反应难以进行。为达到合成氨的目的，化学家采用

催化剂，改变了化学反应的途径，从而降低化学反应所需的活化能，以实现氨的合成。



   德国化学家哈伯（F.Haber） 首先在1910年找到了合成氨的铁催化剂，实现了氨的人工

合成。该反应的温度为500℃左右，压力为40兆帕，催化剂为 α-Fe。1913年出现了第一个

合成氨工厂。



   氨溶于水后，氨水可以直接使用。但氨是有刺激性的气体，使用浓度不能太高，否则会

伤及植物的茎和叶；氨又是一种易挥发性气体，为保持肥效，使用时要挖沟施洒，再用土

埋上，以避免风吹日晒而挥发。由于氨水的种种限制和操作上的不便，出现了第二代氮肥

：固体氨盐氮肥。


   氨可制成各种水溶性的固体氮肥：硫酸铵〔(NH4)2SO4〕、硝酸铵〔NH4NO3〕、氯化铵

〔NH4Cl〕和 碳酸氢铵〔NH4HCO3〕。这类氮肥一问世，立刻受到欢迎，人们喜称“肥田粉

”。因为它们不仅不会伤及农作物，使用也极为方便。但这些盐类化合物的阳离子被吸收

之后，留下的阴离子对土壤有影响。几年之后它们会使土壤酸化和板结。化学家不得不再

作改进，氮肥进入了第三代，即尿素。尿素的合成方式为:


   2NH3+CO2→NH2-CO-NH2。


   作为新一代的氮肥，尿素有更多的优点：含氮量是所有氮肥中最高的，达到47 ％左右

；水溶性极好，使用方便；被植物吸收之后，不会留下不良后遗症。显然，尿素的问世宣

告了氮肥制造的大功告成。人类从此再也不会为氮肥而担忧了。化学家哈伯也因此获得了

1918年的诺贝尔化学奖。



   从科学研究的角度分析，氮肥依然存在问题。因为所有的氮肥都建立在合成氨基础上，

而合成氨的生产则是在极端条件下进行的，尚有诸多不便之处。科学家追求的目标是希望

这个反应能在平和的条件下进行，于是开始探究豆类植物为什么可以在常温常压下将空气

中的氮转化为自身的营养。其实，豆类植物根部的根瘤菌在化学家看来就是催化剂。目前

，已经分析出根瘤菌中某些关键物质的化学成分和结构。一旦揭开了根瘤菌的秘密，那么

，从空气中的氮直接合成氨，就不需要在高温高压的条件下进行了。


   化学农药：始于杀虫剂


   从某种意义上说，农药是从杀虫剂开始的。由于虫害的侵袭，影响农作物收成，杀虫剂

便应运而生。


   第一代杀虫剂是以自然界已有矿石和植物为主配制而成的。最有名的就是石灰硫磺合剂

及玻尔多液 (硫酸铜加石灰水)。这类杀虫剂曾挽救过欧洲一大批葡萄果园。如今到了冬季

，园林工人在大树树干上仍然会涂抹这类白色的杀虫药。


   人们对第一代杀虫剂并不满意，首先自然界的原料有限，配方有限。其次，效果并不十

   人们对第一代杀虫剂并不满意，首先自然界的原料有限，配方有限。其次，效果并不十

分理想。1939年，瑞士的一位医生米勒（P.Müller）向化学家呼吁，能否人工合成一些化

学物质，专门用来杀灭害虫，这个建议竟成了化学发展历史上的一个里程碑，它导致了合

成农药的出现。有人将合成农药称之为第二代农药。最具代表性的就是有机氯化合物。首

先推出的是DDT，因为这种商品最初被命名为二氯－二苯－三氯乙烷，在英语中，二、二、

三分别为Di,Di,Tri，于是简称为DDT，其化学式如下。








   这种化合物在1804年由德国的齐德勒（E.Zeidler）合成出来。米勒的功劳在于发现了

杀虫活性。 DDT 的使用曾平息了欧洲的一场大瘟疫。但DDT的大量使用，导致了昆虫对DD

T的抗药性，且这种抗药性会遗传。这迫使人们加大剂量，于是恶性循环，严重污染了人类

的生存环境，这种有机氯农药也就不得不被淘汰。


   新的杀虫剂又问世了，如敌敌畏，这种有机磷农药化学式如下。



   　　





   有机磷农药比有机氯农药有更高的杀虫活性,这就促使化学家们推出了更多的有机磷农

药,如 1605、1059、甲胺膦等。但同时，这类农药对人和牲畜的毒性也极高。为安全起见

，化学家提出了合成农药所必须遵循的八字方针，即低毒、高效、广谱、价廉。


   高效可以直接用灭虫的活性来衡量，而低毒却不能直接以人来做试验。动物试验成为研

制农药安全与否的主要方法，在动物试验中用致死中量( LD50)来衡量农药的毒性。所谓L

D50，即能使某生物群体50％死亡所需的药剂量，通常以每公斤动物体重所需的量来计算。

如：敌敌畏为 50～80 毫克/公斤；1605为 4～13毫克/公斤；1509为 2～3毫克/公斤；甲

胺膦为 20～30毫克/公斤。LD50对于区别农药的毒性有很大用处，数值愈小，毒性愈大。

数值大时，毒性小些。由于对人畜有太大的毒性,以及昆虫对这类农药的抗药性，有机磷农

药和有机氯农药一样，也正在被逐步淘汰。人们期待着更安全更有效的新农药。


   瑞士嘉基公司（Ciba-Geigy）的技术人员在翻阅17世纪欧洲冒险家手记时，了解到非洲

尼日利亚卡拉巴省的爱非克土族有一种非常独特的审判方式，喝卡拉巴豆乳液。喝了之后

尼日利亚卡拉巴省的爱非克土族有一种非常独特的审判方式，喝卡拉巴豆乳液。喝了之后

，嘴巴突出且颤抖而死者为有罪，如果仅仅是呕吐则无罪。这引发了技术人员对卡拉巴豆

的极大兴趣。经研究后得知，所谓卡拉巴豆其实就是毒扁豆。其有效的毒性成分如下所示

。


   　　


   实际上这是一种称为氨基甲酸酯的化合物。在这个酯化合物中，具有杀虫活性的部分是

氨基甲酸根。嘉基公司的技术人员模拟这种结构，合成了一大批氨基甲酸酯的化合物。经

试验，产品符合八字方针。


   然而，在制备氨基甲酸酯的过程中要用到的一种原料异氰酸酯是一种剧毒物质。空气中

含量百万分之十五，人吸入后就会中毒。1984年12月3日，在印度的博帕尔市，由于美国联

碳公司的一个异氰酸酯储罐泄漏，造成了几千人死亡。由于在制备过程中存在着潜在的危

险，人们不得不去开发更安全的农药。印度有一种菊花，称为除虫菊。因为这种花在开花

期间，没有任何虫子敢停留其上。经多年的研究，科学家确定了其中有一种称作除虫菊酯

的化学物质，具有除虫活性。尽管这种物质的化学结构比较复杂，但化学家们还是模拟合

成出了这种物质。由于不可能合成出完全一致的东西，所以称为拟除虫菊酯。这种化合物

既有杀虫活性，对人和牲畜也安全。至此人们终于找到了一种理想的杀虫农药。目前，大

家普遍使用的喷罐杀虫剂以及电蚊香等的有效成分都是它。
家普遍使用的喷罐杀虫剂以及电蚊香等的有效成分都是它。


   昆虫和植物激素：新概念农药


   由于杀虫的速度远不及虫子的繁殖速度，所以无论杀虫剂的效果如何，始终未能完全消

灭害虫。为了更有效地消灭害虫，一部分化学家另辟蹊径，开始研究害虫本身。


   化学家研究害虫方式不同于生物学家，他们研究的是昆虫在不同生长阶段体内的化学物

质有什么不同。他们发现，昆虫一旦进入幼虫阶段，体内立刻就出现了一种特殊的化学物

质。而当这种化学物质消失，虫子会立刻转入下一个生长阶段。可见，这种化学物质是主

宰虫子是否处在幼虫阶段的关键物质，这种物质称作保幼激素。化学家们分离并鉴别出这

种物质的结构，模拟合成了一大批保幼激素。当把保幼激素洒在幼虫群中时，就会使幼虫

体内一直留有这种物质，本该离开幼虫阶段的虫子会依然呆在幼虫阶段，正常的生理阶段

被破坏并最终导致虫子的死亡。


   保幼激素还被应用在正面效应上。蚕是一种幼虫，为了使蚕能够多产丝，就必须让蚕的

个头长得大一点，从而结一个较大的茧。蚕农们在蚕行将结茧之前，在喂食的桑叶上，喷

洒一点保幼激素，可使蚕在幼虫阶段多呆几天。用这种方法，每年可使蚕丝的产量提高 1

0 ％。
0 ％。


   保幼激素的成功，使更多的化学家投身于昆虫激素的研究。他们注意到自然界中有许多

植物，天生就会产生和储藏许多用于防御昆虫的化学物质。其中一类防御物质是由干扰进

食的化学物质组成的。许多拒食剂已被鉴定，它们包括苯酚类、醌类等，其中印苦楝子素

可能是目前分离到的最强的拒食剂。在楝树和苦楝树的种子中就可找到这种物质，使用这

种物质可以阻止昆虫进食。尽管目前化学合成这种物质还有困难，但相信化学家们终会取

得成功。


   昆虫的性激素也是化学家的注意点。北欧三国，有大批的森林，但缺乏人力管理，受到

害虫侵袭。科学家开始研究森林害虫的性激素。这种性激素是昆虫在繁殖期间分泌的一种

信息物质，目的在于吸引配偶。在鉴定了这种物质结构之后，化学家模拟合成了这种物质

，并用以制成陷阱诱惑昆虫就范。


   无论是研究杀虫剂，还是昆虫激素，目的都是为了农作物增产。为了使产量提高得更快

，科学家们想到研究植物本身，于是形成了植物生长调节剂的研究领域。在植物生长过程

中，很多化学物质起着关键作用。如植物生长素（化学名称吲哚乙酸）、赤霉素（俗称 9

20）等，都是植物生长促进剂，它们都是植物的天然内源激素，各有独特的生理调节功能

，彼此之间有相互增强或相互拮抗的作用。达到平衡就能促进植物正常的生长发育，失去

平衡，就会出现不正常生理变化。化学家们据此找到了这些物质，并模拟合成这些物质，

平衡，就会出现不正常生理变化。化学家们据此找到了这些物质，并模拟合成这些物质，

用它们来调节植物的生长。一个意外的收获就是研制成了除草剂。首先问世的除草剂是 2

，4－D，它的化学名称为 2，4，二氯苯氧基乙酸。利用它可杀灭粮食作物田间的杂草，而

粮食作物不受影响。


   此外，某些化学物质还能控制植物生长方向。例如，能抑制作物细胞伸长，但不抑制细

胞分裂，可使植物长得矮而壮，而不至于在收获季节受大风的影响倒伏。目前市场上的“

矮壮素”就是这样的产品。


   据美国1985年出版的《化学的机遇》（Opportunities in Chemistry） 一书报道，美

国科学家正在研究一种叫芸薹素内酯的物质。芸薹素内酯是植物体内最为神奇的一种激素

。为了能从植物体内提取出这种激素，美国化学家从在油菜花上采过花粉的蜜蜂腿上刷下

227公斤花粉，再从中分离出 15 毫克的芸薹素内酯，这种植物激素能显著促进植物的生长

。科学家希望能化学合成这种植物激素，以增加一种有效促进植物生长的手段。


   化学合成有时会出现奇迹，化学家们帮助非洲农民消灭寄生草就是一个极好的例子。亚

细亚刚毛草是蹂躏粮食作物的一种寄生草，粮食作物一经播种，几天之后必然会有亚细亚

刚毛草的须根粘在粮食作物的主根上，大肆吸取营养，致使粮食作物枯萎。经过化学家、

农学家和生物学家的合作研究，发现亚细亚刚毛草的种子上应该有一种特殊的“化学雷达

”，它能探知粮食作物在生长时所渗出的一些化学物质。一旦得知粮食作物已经发芽，它

”，它能探知粮食作物在生长时所渗出的一些化学物质。一旦得知粮食作物已经发芽，它

便破土出芽。而它有四天的生长独立期，即在头四天里它可以不需要外来营养，四天后，

它必须抓住宿主植物以维持生命。它所特有的化学雷达和宿主植物渗出的化学信息物质，

使它能够如愿以偿。


   科学家的目标是找出这种信息物质，以便阻断这种信息的传递。然而，由于这种渗出的

物质极其微量，竭尽全力也只能收集到千分之几毫克，所以一直未能解析出这种物质的化

学结构。直到精密核磁共振仪的诞生，科学家才探明这种信息物质的全部化学结构。它并

不是结构十分复杂的物质，化学家可以在实验室里将它合成出来，并在播种前，洒在大地

里。亚细亚刚毛草种子的“化学雷达”收到农民“种粮”信号后，便破土出芽，结果无法

找到宿主而死亡，农民清理掉枯死的寄生草之后，再播种粮食就不会受到干扰。科学家们

可以用同样的方法，识别另外一些寄生草的信息物质，从而制服了更多的寄生草。





   （本文作者为复旦大学化学系教授。）








   （本文作者为复旦大学化学系教授。）
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