●　看电视

吃完晚饭并收拾好厨房后，你坐在客厅的沙发上看电视。你对电视节目缺乏兴致，因为你只是偶尔看看新闻、自然和科学纪录片以及电影。你一直都认为电视是一个非常棒的传媒工具，具有巨大的文化潜力（在过去的意大利，它有着重要的教育作用）。但一段时间以来，电视节目内容的平均质量屡创新低。不过，撇开节目内容，电视机本身可以称得上技术瑰宝，其背后是几个世纪以来积累的科学知识，当然其中也不能缺少化学。

几年前，几乎所有电视的显示器使用的都是阴极射线管（cathode-ray tube， CRT）。阴极射线管最早由英国物理学家、化学家威廉·克鲁克斯于1870年左右研制。克鲁克斯借助这种装置揭示了所谓的阴极射线（cathode ray）。19世纪末，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森发现，阴极射线由带有负电荷的微观粒子束组成，这些粒子被称为电子。原子的外部就是由电子构成的，因此所有的化学反应都伴随着电子的转移（见第一章第2节拓展：化学键）。对化学家来说，电子就像神一样，没有电子就不会有化学！

1897年，德国物理学家卡尔·费迪南·布劳恩（Karl Ferdinand Braun， 1850—1918）使用克鲁克斯管（阴极射线管）制作了第一台阴极射线管示波器（cathode ray oscillograph），这是一种能够在屏幕上显示电信号的仪器。1907年，俄罗斯科学家、发明家鲍里斯·罗辛（Boris Rosing， 1869—1933）做了一个实验，他成功地在用阴极射线管制成的屏幕上显示出了几何图形——这就是电视机的雏形。

阴极射线管屏幕上的图像由阴极的电子束产生，电子束会被适当的电极加速，并由源自电视电路的电磁场“驱动”。屏幕内部由荧光粉覆盖。荧光粉是磷光材料，当它们被电子束击中时会发光。电子束的能量将荧光材料的最外层电子激发到更高的能级，当这些电子返回到它们原来的能级时，它们会以光的形式释放出多余的能量。最常用的荧光材料之一是硫化锌（ZnS），除了它，我们也会使用锌、镉、锰、铝、硅和一些稀有金属（稀土）的氧化物、硫化物、硒化物、卤化物或硅酸盐。但是，为了能够发挥其效果，这些材料中必须加入少量的磷光活化剂（Phosphorescence activator）。磷光材料是一类半导体（见第一章第1节），活化剂的存在会在禁带内产生新的能级，这是触发磷光现象的必要条件。对于硫化锌荧光材料，广泛使用的活化剂是铜和银。

彩色电视使用了能够发出红、绿、蓝3种不同颜色的荧光粉，还都具有聚焦系统的3个阴极。每个阴极产生一个电子束，而每个电子束又只能激发3种颜色中的1种荧光粉。阴极射线管的电子束会产生少量的X射线，所以电视机的屏幕是由铅玻璃制成的，它可以吸收X射线。

目前，用阴极射线管制成的电视几乎完全被平板电视取代。平板电视的实现通常会使用到各种类型的技术，如[可能带有LED（发光二极管）背光的]液晶显示（LCD）、等离子显示（PDP）和有机电致发光显示（OLED）。

关于LCD和LED，我们已经在第一章第1节中的闹钟部分讲到过。当然，彩色电视的屏幕技术比闹钟的显示屏技术更为复杂，但它们的工作原理基本上是一样的。

而等离子显示器（PDP）使用的原理就有所不同了。“等离子体”是指由正离子和电子（同样来自气体原子的电离）的集合体组成的离子化气体状物质。它被认为是物质聚集的第四种状态，其他3种是固态、液态和气态。它的发现要归功于前面提到的威廉·克鲁克斯。但“等离子体”这个名字则是由美国人欧文·朗缪尔（Irving Langmuir， 1881—1957）——1932年的诺贝尔化学奖得主在1927年首创的。等离子体有特殊的性质，它由可以自由移动的电荷组成，所以它的导电性能优良，并且对电磁场也很敏感。在地球上，等离子体很少会自发形成，只有在闪电和北极光中才会出现等离子体。但在宇宙中，等离子体就很常见，比如恒星和星云就是由等离子体构成的。

等离子显示屏由两片玻璃组成，在这两片玻璃之间有成千上万个小单元，小单元里含有惰性气体氖（Ne）和氙（Xe）的混合物。在单元上连接着两组电极。通过适当的放电，惰性气体的混合物被转化并保持在等离子体状态。交流电压使带电粒子（离子和电子）来回移动。在这些条件下，气体等离子体发出人眼看不到的紫外线辐射。紫外线辐射通过覆盖在单元内壁上的磷光物质（荧光粉）转化为可见光。因此，每个单元就表现得像一个微型的荧光灯。

每个单元（对应一个像素）包含3个独立的子单元，每个子单元都有不同颜色的荧光粉，分别是红色、绿色和蓝色。通过改变流经不同单元的电流，控制系统可以改变每个子单元中颜色的强度，利用三色技术（见第一章第5节）创造出数十亿种不同的绿、红、蓝组合，提供极其精确的色彩渲染。液晶显示器（LCD）和等离子显示器（PDP）与老式的阴极射线管显示器（CRT）相比有几方面优势。首先是它们的尺寸更小。另外就是LCD和PDP还提供了更稳定明亮且不闪屏的图像，这样即使我们近距离观看也不会感到疲劳。不过，这些显示器的单个像素的视角方面存在一些缺点，尤其是对于LCD屏幕来说。LCD屏幕也有可能在黑色的深度方面（屏幕无法做到纯黑）出现问题。因为即使液晶面板是“封闭”的，却仍有一些光线通过。而PDP屏幕就不会发生这样的情况，因为封闭的等离子面板不会发出任何光线。另一方面，在PDP屏幕中，像素的大小不能低于某个限制的值。正因此，才没有小于32英寸的等离子显示屏（屏幕尺寸是指其对角线的长度）。最后一点就是，PDP显示器中的荧光粉可能会随着时间的推移出现老化的迹象，从而使画面质量降低。

一段时间以来，市场上已经出现了采用OLED新技术制造的电视机。OLED是指有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode）。正如我们在第二章第1节最后那里解释的那样，有机化合物是含碳化合物。用于OLED的有机物质有两种类型：小分子和聚合物（这里我们说的是LEP，发光聚合物，见第三章第2节）。

20世纪50年代初，在南锡大学（University of Nancy）的法国化学家和物理学家安德烈·贝尔纳诺斯（Andr Bernanose，1912—2002）首次观察到有机物质在有电流的情况下发出光来（电致发光）。1960年，物理化学家马丁·波普（Martin Pope，生于1918年）在纽约大学进一步开展了对有机化合物的电致发光现象的研究，为该现象的理论解释做出了重要贡献。1965年，加拿大国家研究委员会的沃尔夫冈·海尔弗里希（Wolfgang Helfrich，生于1932年）和威廉·乔治·施奈德（William George Schneider，1915—2013），以及陶氏化学公司（Dow Chemical）的研究人员又做出了其他的贡献，他们为一种制备电致发光元件的方法申请了专利。

而首次对聚合物薄膜进行电致发光观察的则是英国国家物理实验室（National Physical Laboratory）的罗杰·帕特里奇（Roger Partridge）。他在此过程中使用的是2.2微米厚的聚乙烯基咔唑[Poly（N-vinyl carbazole）， PVK]薄膜，他们的成果于1975年获得专利，并于1983年发表。1987年，在伊士曼柯达公司（Eastman Kodak Company）工作的中国化学家、物理学家邓青云（生于1947年）和美国化学家史蒂文·范·斯莱克（Steven Van Slyke）制作了第一台高效率、低电压的有机显示器。这些显示器由两层有机材料组成，一层作为空穴接受体，另一层作为电子接受体，从而以低电压实现高亮度。1990年，剑桥大学卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory of Cambridge）的杰里米·伯劳斯（Jeremy H. Burroughes）及其合作者利用100纳米厚的聚对苯乙烯[Poly（p-phenylene vinylene）， PPV]薄膜的电致发光，实现了一个高效率的装置，使这一领域的研究又向前迈进一步。最后，在2008年7月，索尼（Sony）、东芝（Toshiba）和松下（Panasonic）公司宣布联合生产OLED技术的显示屏。典型的OLED屏幕是由位于两个电极（阳极和阴极）之间的有机材料层组成的，其阳极和阴极全部沉积在基板上。

导电聚合物之所以会导电，是因为其特殊的结构，即结构中碳原子之间的单键和双键交替出现[共轭聚合物（Conjugated polymer）]。这些材料的导电性能可与无机半导体相媲美。量子力学表明，这些分子拥有特殊的能级，该能级与被称为HOMO（最高占据分子轨道）和LUMO（最低未占分子轨道）的轨道有关，HOMO与LUMO之间的能量差对应于无机半导体的价带和导带之间的能隙。这种类型的聚合物中第一个被合成的是聚乙炔（Polyacetylene， PAC），于1959年由居里奥·纳塔实现。但纳塔得到的是粉末状的聚乙炔，这显然没有什么意义。1974年，日本化学家白川英树（Hideki Shirakawa，生于1936年）制得了薄膜状的聚乙炔。1977年，新西兰化学家艾伦·格雷厄姆·麦克迪尔米德（Alan Graham MacDiarmid， 1927—2007）和美国物理学家艾伦·杰伊·黑格（Alan Jay Heeger，生于1936年）发现，聚乙炔可以像无机半导体一样进行掺杂，从而打开了有机电子学的大门。白川、麦克迪尔米德和黑格因这一发现获得了2000年的诺贝尔化学奖。

OLED技术可以制造出非凡的显示器，这种显示器屏幕如纸一般轻薄且极具柔韧性。而且，与普通的LCD显示器不同，OLED显示器不需要背光源，因为它们自身会发光，这样就可以节省大量的能耗。另外，由于OLED是由塑料材料制成的，因此可以使用油墨打印机，甚至是丝网印刷技术轻松地将材料印刷在任何基板上。OLED显示屏色彩丰富，亮度不错，视角也比LCD宽，黑色这个颜色的质地也要好很多。OLED的最大缺点就是它寿命有限，就目前而言，它比LCD和PDP的寿命都要短。但是这项技术还未成熟，未来肯定还会有很大发展。OLED的一个最新发展是AMOLED（有源矩阵有机发光二极管）。它也是由3层结构组成，包括阴极层、有机分子层和阳极层。然而，阳极层结合了一个形成矩阵的薄膜晶体管（Thin Film Transistor， TFT）网络。这个薄膜晶体管网络构成电路，而电路决定哪些像素会被打开形成图像。这项技术使显示器变得更薄、更轻、更坚固，能在低功耗下运行，并以较低的成本（与普通的LCD相比）提供更好的图像质量。一些最新的智能手机已经使用了这种技术。

●　一个惊喜：烟花表演

由于电影非常无聊，你在沙发上睡着了，但是一声巨响让你惊醒。从窗户望去，你看到对面的山丘上在为庆祝守护神节日而进行的烟花表演。你发现烟花表演要比电影有趣得多，所以就站在窗前看起了烟花，这真是一个惊喜。

花炮的制造，或者说烟花的制造，起源于中国。欧洲在1300年前后开始发展烟花技术。这是一门古老的艺术，尽管它基本上是在经验的基础上发展起来的，但还是包含了有趣的科学，尤其是化学方面。

任何烟花的基础都是火药，也称为有烟火药或黑火药，它们同样也起源于中国，后由罗杰·培根（Ruggero Bacone，约1214—1294）传播到欧洲，他在1242年公开了火药成分。现在的火药成分和过去的一样，由75%的硝酸钾（或称硝石，KNO3）， 15%的煤粉和10%的硫黄粉（S）组成。在正常的燃烧中，燃料（还原剂）和助燃剂（氧化剂）发生化学反应，而火药（以及一般的传统炸药）的燃烧与正常的燃烧相差无几。唯一的区别就在于，火药的助燃剂（氧气）不是由空气提供，而是由组成火药的混合物中的一种固体成分（硝酸钾）提供。

在化学反应过程中，燃料向助燃剂释放电子，并与氧气结合。生成物中的特殊化学键比反应物中的特殊化学键更稳定。因此，该反应放热放能。点火后，反应发生得非常迅速，类似于能量的迸发。

烟花中的火药既是推进剂，也是炸药。火药中的燃料包括碳和硫。除此以外，也有其他可燃物质被用于烟花，如糖（用于烟幕弹）、硅和硼（主要用于引信）以及铝、镁和钛等金属元素。金属元素与空气中的氧气接触燃烧，产生高温并发出非常强的亮光（镁也用于摄影，以产生拍照时经典的闪光，见第一章第5节）。金属元素还用于产生伴随烟花爆炸时的发射光，十分引人注目。烟花表演中看到的光基本上来自3种机制：白炽、原子发射和分子发射。爆炸释放出的热量会使固体粒子达到高温状态，发射出宽范围的辐射光谱（白炽：某些物质由于处在高温状态下而发光的现象）。温度越高，发出的辐射波长越短。例如，镁燃烧产生的氧化物粒子的温度可达到3000℃，这个温度会导致物质发出非常强烈的白光。用高氯酸钾（KClO4）和铝的混合物也可以获得类似的闪光。

许多金属原子一旦因接收到了能量而被激发，就会发出属于可见光（波长为380～780纳米的电磁辐射）区域的电磁辐射。每种金属元素都有自己的发射光谱，该光谱的特点就是有明确的波长值（因此也有明确的颜色）。辐射的发射是由于能量较高的轨道（电子被激发后到达的轨道）和能量较低的轨道之间的电子跃迁。每个电子跃迁都确定了一个光子的发射，而这个光子的能量就等于发生跃迁的两个轨道之间的能量差。类似的机制也适用于那些一旦被激发就能发出辐射的分子。另外，激发分子也需要提高温度，但如果温度过高，分子就会分解，因此温度的把控尤其重要。

烟花表演中所看到的颜色来自物质的原子发射和分子发射，而这些物质是通过向火药中添加特定的焰色添加剂而形成的。因此，为了获得红色，我们添加了锶（Sr）的化合物，它会产生波长在605～682纳米的辐射。黄色是通过使用钠（Na）的化合物获得的，这种化合物发射波长为589纳米的辐射。添加钡（Ba）的化合物可以发出绿色，它发出的辐射波长为507～532纳米。烟花制造者要解决的一个难题是如何制得蓝色的烟花，因为没有任何元素会发出这种波长的辐射。氯化亚铜（CuCl）的使用解决了这个问题。只要温度保持在一个精确的范围内，氯化亚铜分子就会发出美丽的蓝色辐射。然后，通过结合不同的物质还可以获得特定的颜色。例如，紫色是从氯化锶（SrCl2）和氯化铜（CuCl2）的联合发射中获得的。

除了颜色，烟花在天空中描绘的“图案”也很重要。弹道方面由烟花的构造方法来调节。装填的火药作为推进剂，将火焰带到高空。在发射的那一刻，还点燃了延时引信，以便爆炸在高空中发生，最后爆炸就会诱发焰色反应。发射筒的结构可以实现多次连续的爆炸，产生奇异的效果。

我们说，烟花技术的发展基本上是建立在经验的基础上，并由少数家族世代相传。直到最近，科学界才开始研究这一主题。也因此，关于烟花技术的文献不是很多。在过去的作品中，值得一提的是范诺西奥·比林吉奥（Vannoccio Biringuccio， 1480—约1539）的《论烟火》（De la pirotecnia）。作者死后，这本书于1540年在锡耶纳（Siena）出版。这部作品涉及从金属的提取和加工以及火药的军事用途等各种主题[69]。

●　亲密生活中的化学：

避孕药和治疗**功能障碍的药物

令人惊喜的烟花表演结束了，你看了下时间，该睡觉了。你钻进被窝，但你和妻子都还没有睡意，然后……也许你从未想过这个问题，但化学也可以介入亲密关系中，影响你生活中最隐私的方面。

早在古代，人们就琢磨着如何节育，并且那时候就不乏化学方法的使用[70]。

埃及的《彼得里纸莎草书》（Petri papyrus），其历史可追溯到公元前1850年，上面有内容表明，在男女发生关系前必须将某种被认为是避孕制剂的东西塞进**。在另一部公元前1550年的纸莎草书——《埃伯斯纸莎草书》（Ebers papyrus）中则详细描述了可以被认为是历史上第一种能够杀死**的工具，它就是用蜂蜜和阿拉伯树胶浸湿后的羊毛棉球。其杀精效果可能源于阿拉伯树胶的发酵，因为发酵产生的乳酸为**的活动创造了一个不利的环境。在其他埃及纸莎草书中，也有建议使用浸泡在蜡和石榴籽提取物中的棉球。我们今天知道，石榴籽含有植物雌激素（phytoestrogen），这种物质能够与雌激素（estrogen，女性激素，见下文）的受体结合，影响促性腺激素（gonadotropin）的产生。公元前1世纪的印度教文献中记录了用化学手段避孕的方法，该方法使用的是药用植物，我们今天已经知道这些植物具有抗促性腺激素活性。在《塔木德》（Talmud）中还描述了浸有各种植物成分的**海绵的使用。在公元前5世纪，希波克拉底（Ippocrate）提出了一些口服避孕的方法，包括吞服硫酸铁和铜的混合物以及从各种植物（如番红花、月桂树、荨麻种子或牡丹的根部）中提取的制剂。

在罗马帝国时期，除了使用清洗避孕法外，动物的**也开始被用作受精的机械障碍，由此出现了第一种简单粗糙的**。多个世纪以来，动物薄膜（**和肠子）和布料是用于这一目的的仅有材料。1555年，来自摩德纳（Modena）的医生、自然学家加布里埃尔·法洛皮奥（Gabriele Falloppio，约1523—1562）发表了关于男用**的科学文章，表明**除了用于避孕，还可以有重要的预防作用，特别是防止梅毒的感染。直到1839年查尔斯·古德伊尔（Charles Goodyear）发现了橡胶的硫化过程（参见第三章第2节），我们才有了制作**的合适材料，并且由此促进了**的传播。但与此同时，人们也在继续努力寻求有效的化学避孕方法。例如，1880年，伦敦的药剂师沃尔特·伦德尔（Walter Rendell）发明了一种杀精制剂，该制剂具有卵子的形状，由可可脂和硫酸奎宁制成。在20世纪，人们为获得有效的化学避孕方法不懈努力着。

1901年，奥地利生理学家路德维希·哈伯兰特（Ludwig Haberlandt， 1885—1932）证实，月经受到卵巢以及大脑产生的一种激素的调节。哈伯兰特还在1919年证实，将妊娠母兔的卵巢切除，然后移植到非妊娠兔子的体内，可以抑制非妊娠兔子的排卵。1929年，德国生物化学家阿道夫·布特南德（Adolf Butenandt， 1903—1995）成功地分离出雌酮（estrone），随后又分离出其他主要的男性和女性的性激素，如雄甾酮（androsterone， 1931年）、孕酮（progesterone）和睾酮（testosterone， 1934年）。由于这些成就，他在1939年获得了诺贝尔化学奖。同时，由于玛格丽特·桑格（Margareth Sanger， 1879—1966，她是一名护士，也是节育倡导者）等人的斗争，在医学领域和社会层面，人们开始接受计划生育，尽管此时还有宗教阵营不断进行意识形态上的抵制。1912年，英国开设了第一家节育诊所。1926年，上议院授权启动了有关这些主题的教学课程。与此同时，第一批激素类的避孕药也开始投放市场。1934年，在德国先灵制药公司（Schering AG）的实验室里，化学家欧文·史威克（Erwin Schwenk）和弗里茨·希尔德布兰德（Fritz Hildebrand）成功合成了用于还原雌酮的雌二醇（estradiol）。1934年，同样是在先灵公司实验室里，德国化学家汉斯·英霍芬（Hans Inhoffen， 1906—1992）和医学家沃尔特·霍尔维格（Walter Hohlweg， 1902—1992）成功合成了炔雌醇（ethinylestradiol）（图36）。这一成就非常重要，因为炔雌醇至今仍是口服避孕药中常用的雌激素成分。他们还制作出了第一种合成孕激素制剂。1944年，哥廷根（Gottingen）的维尔纳·比肯巴赫（Werner Bickenbach）和保利科维奇（E. Paulikovics）通过使用孕酮成功实现了对女性排卵的抑制。

图36　炔雌醇的分子结构

口服避孕药发展的转折点是在1950年，创立了美国计划生育协会（Planned Parenthood Federation of America）的玛格丽特·桑格遇到了美国生理学家格雷戈里·平卡斯（Gregory Pincus， 1903—1967）。平卡斯一直在进行激素实验，但他资金告急，研究面临中断的风险。桑格便设法让凯瑟琳·德克斯特·麦考密克（Katharine Dexter McCormick， 1875—1967），一位坚定地捍卫妇女权利的富有寡妇，向他捐赠了一大笔钱。几年后的1956年，格雷戈里·平卡斯与他的同事、中国生物学家张明觉（1908—1991）和哈佛大学的妇科医生约翰·洛克（John Rock， 1890—1984）一起，进行了对雌激素、孕激素药片（药片中的激素剂量比今天高40倍）的首次临床试验。这项实验在美国被认为是非法的，因此该实验是在波多黎各（Porto Rico）和海地（Haiti）的67名志愿者妇女身上进行的，并且宣称是一项针对月经紊乱的研究。随后他们又在波多黎各和墨西哥进行了进一步的实验。最后实验的结果非常成功，第一批避孕药于1960年在美国注册并开始销售。1961年6月10日，柏林的先灵制药公司在欧洲和澳大利亚上市了第一款口服避孕药Anovlar?。

避孕药的上市引发了无休止的道德和宗教争论，意识形态常常凌驾于科学之上。1968年的学生起义[3]极大地促进了避孕药的普及。在意大利，直到1971年，宪法法院才废除了关于禁止避孕的《刑法》第533条，并于1975年建立了公共咨询中心，为人们提供关于避孕的正确信息。

如果说避孕用具，特别是避孕药的传播代表着人们的思想观念和生活作风发生了深刻的改革，使数百万妇女摆脱了意外怀孕的风险，那么最近，化学又促进了人们亲密生活的第二次革命，不过这次是针对男性的。

与其他动物不同，人类男性的**中没有骨头。因此，为了**，必须发生一系列决定****的复杂生理过程。但这一切并不总是都能正常进行，**功能障碍的问题一直困扰着男性，各种迷信、谗言以及旁人的嘲弄永无休止，舆论中心的人们也深陷沮丧和屈辱。在古代，人类和动物的生育能力以及农业，一直与神奇的宗教仪式联系在一起。因此，那些患有**的人会求助特定的神灵，这些神灵通常以**的**形式出现。例如，希腊人和罗马人都会有“**游行”，这是为了纪念普里阿普斯（Priapus）和狄俄尼索斯（Dionysus）而举行的庄严游行，游行中伴随着歌唱和舞蹈，人们抬着巨大的木制男性**前进。在《圣经》中，**被描述为神的惩罚。《创世纪》中说，上帝使杰拉卡（Geraca）的国王阿比梅勒赫（Abimelech）患有**，因为他觊觎亚伯拉罕（Abramo）的妻子莎拉（Sara）。根据希波克拉底（约前460—前377）的说法，****是由气息（空气）的流动和生命精神决定的。只有在达·芬奇的解剖学研究中，人们才知道**是由于血液流动促成的。1677年，荷兰医生和解剖学家莱纳·德格拉夫（Reiner de Graaf， 1641—1673）对此进行了演示，他们通过向髂内动脉注水使尸体的**发生了**。

在中世纪，为了治疗**，人们在饮食上依赖于形状像**的蔬菜和水果，或者牡蛎和动物睾丸，他们相信这些东西具有壮阳的效果。从16世纪开始，举行了多次教会庭审来决定婚姻的无效性。在这些庭审中，被怀疑**的丈夫不得不在神学家、医生和助产士面前公开展示他们的**能力，其中的羞辱和挫败可想而知。

随着时间的推移，医学的发展使得人们能够更好地了解****的机制，并将**功能障碍与各种器质性原因以及心理原因联系起来。但是，问题依然没有得到解决，在20世纪60年代，人们开始实验阴茎假体的使用。在80年代，对局部注射的药物进行了实验。但这些补救措施都存在很多问题。直到90年代，这一问题的研究取得了前所未有的飞跃性进展。

1989年，在英国桑威奇（Sandwich）的辉瑞中央研究院（Pfizer Central Research），由彼得·邓恩（Peter Dunn）和阿尔伯特·伍德（Albert Wood）领导的研究小组在研究一种新分子（以缩写UK-92480表示）的特性，它能够抑制磷酸二酯酶V型（phosphodiesterase type 5， PDE5）的活性。这种分子可以舒张血管，起到扩张血管的作用，因此，人们认为它可以用于治疗心血管疾病，例如心绞痛和高血压。1991年，这种分子制成的药物获得了专利，并推进了临床试验计划，以便投放市场。但是，在试验过程中，接受治疗的病人注意到了该药物的一个奇怪的副作用，那就是****次数异常增加。起初，这一副作用并没有被人们重视。但该药物在治疗血管疾病方面效果平平，增加了人们对这种意外的副作用的兴趣。另外人们注意到，该药物还能重新激活患有**的受试者的**功能。同时，关于**生理学的一些研究已经明确，**是由于阴茎中动脉平滑肌的松弛而发生的，这个过程中会有血流量增加。此机制由一个简单的分子，即一氧化氮（NO）介导。这些研究的推进主要归功于意大利裔美国药理学家路易斯·伊格纳罗（Louis J. Ignarro，生于1941年）、美国生物化学家罗伯特·弗朗西斯·弗奇戈特（Robert Francis Furchgott， 1916—2009）、美国医生和药理学家费里德·穆拉德（Ferid Murad，生于1936年）。三人获得了1998年的诺贝尔生理学或医学奖。《科学》杂志曾在1992年将一氧化氮分子评为年度最佳分子[71]。

继续进行UK-92480的实验，我们了解到它正是通过上面提到的这种机制发挥作用的。当男性受试者受到性刺激时，他的大脑会通过向周围神经发送信号来触发**。这些信号导致**区域的血管中释放出大量的一氧化氮，刺激血管扩张和血流量增加，从而产生**。**发生问题通常是由神经末梢产生的一氧化氮不足引起的。UK-92480分子通过放大气体的作用在分子水平上发挥效能。但是，应该注意的是，该分子只能在已经存在一定浓度一氧化氮的血管中才会发挥作用。这意味着这种分子本身不能产生**，而只有在大脑发出信号的情况下，也就是只有在受到性刺激时才会产生。

从化学的角度来看，UK-92480分子具有相当复杂的结构和一个很难读出来的名字：1-{[3-（6,7-二氢-1-甲基-7-氧代-3-丙基-1H-吡唑并[4,3-d]嘧啶-5-基）-4-乙氧基苯基]磺酰基}-4-甲基哌嗪柠檬酸盐，即1-{[3- (6,7-dihydro-1-methyl-7-oxo-3-propyl-1H-pyrazolo[4,3-d]pyrimidin-5-yl) -4-ethoxyphenyl]sulfonyl} -4-methylpiperazine citrato（见图37）。

简洁一点，它被称为枸橼酸西地那非（Sildenafil Citrate），但更简洁一点，它就是我们所说的“伟哥”（Viagra）。伟哥是美国食品药品监督管理局于1998年3月27日批准其上市后给予它的商品名称。经过4年的进一步试验（涵盖4000多名受试者）它才获批上市，在试验期间，人们试图通过优化剂量来获得药物预期的效果并将副作用降至最低。

图37　伟哥的分子结构

因为**问题极为普遍，所以伟哥以及其他类似药物的市场推广有效地解决了几千年的难题，使数百万男性恢复了“性”福。据估计，2012年欧洲有此类问题的男性人数超过了3000万，其中仅意大利就有300万人。这一人数似乎还在上升。据预测，到2025年，将有4300万名男性会受到**功能障碍的困扰。

拓展：化学与药物

疾病不是靠说话而是靠药物来治愈的，一个人不是靠说话而是靠实践来成为农民或水手的[72]。

“药品”这个词来源于希腊语的φαρμακ??（Pharmakós），最初表示献祭牺牲者、替罪羊。如果说最初的Pharmakós仪式是一种残忍的献祭，那么随着时间的推移，它就变成了一种象征性的献祭。例如，希腊诗人伊波纳特（Ipponatte，公元前6世纪）讲述了一个因丑陋而被选中的人为了集体的利益而被供养，然后在某一天，人们为了远离他的不幸和疾病而粗暴地将他赶出城市的故事。

随着时间的推移，Pharmakós一词变成了Pharmakéus，指某种能够抵御疾病的物质（药剂、药物等）或人（医者、萨满等）。最后，这个词又进一步变成了φ?ρμακον（phármakon），表示治疗性的植物、毒药或药物，从而接近今天的含义。

人类使用的第一种药物当然是由动物、植物和矿物的产品组成。古代最流行的药物之一是解毒糖剂（teriaca或triaca）。这是一种能够治疗许多疾病的奇药，含多种成分，其中包括必不可少的蝰蛇肉。尽管解毒糖剂的治疗效果不大，但是它的使用横跨了几个世纪。在中世纪，人们对植物特别感兴趣。为了利用植物的治疗特性，在“简单的花园”中种植了许多植物品种。

直到文艺复兴时期，人们才首次尝试了化学药理学的研究。瑞士医生、炼金术士和占星术家帕拉塞尔苏斯（Paracelsus，全名Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim， 1493—1541）是医疗化学（iatrochemistry）的主要代表人物。“医疗化学”这个词来源于希腊语，?ατρ??（iatrós）意为“医生”，χημε?α（chemeía）意为“化学”。根据这一概念，我们可以通过摄入某些合成物质来恢复健康。

医疗化学有一个更为广泛的概念，叫作spagirica（来自希腊语σπ?ω， spáo，意为“分离”，和?γε?ρω， aghéiro，意为“结合”）。这是一种基于自然规律研究的医学学说，与希波克拉底和盖伦（Galen）的传统医学相对立。但盖伦的医学发展更成熟，在很长一段时间里，人们仍在使用盖伦疗法。例如，解毒糖剂持续大规模生产，以至在威尼斯（产出的解毒糖剂在各地都很有名，并广受赞赏），人们不得不人工饲养蝰蛇，因为大批量生产已经使野外捕获的蝰蛇（作为解毒糖剂的主要成分）供不应求了。

真正的药物化学的诞生是在19世纪的第一批有机合成物诞生之后（见第二章第1节拓展：碳和有机化学）。

讲述药物化学的历史会需要很多篇幅，所以我们仅回顾一些重要的阶段。

1844年，法国化学家安托万·热罗姆·巴拉德（AntoineJér?me Balard， 1802—1876）合成了亚硝酸异戊酯（isopentyl nitrite）。1857年，苏格兰医生托马斯·劳德·布鲁顿（Thomas Lauder Brunton， 1844—1916）发现了这种化合物在治疗心绞痛方面的作用。1879年，英国医生威廉·穆瑞尔（William Murrell，1853—1912）发现，用硝化甘油（nitroglycerine）也可以获得类似于亚硝酸戊酯的效果。硝化甘油是由皮埃蒙特（Piemonte）的化学家阿斯卡尼奥·索布雷罗（Ascanio Sobrero， 1812—1888）在1847年合成的。19世纪末，其他合成物质也开始用于治疗目的，比如酚酞（phenolphthalein， 1871年）、薄荷醇（menthol，1884年）、萜品（terpin， 1885年）和从石油提炼中获得的凡士林（vadeline）。

1863年，德国化学家阿道夫·冯·拜尔（Adolf von Baeyer，1835—1917）合成了巴比妥酸（barbituric acid），它是一种精神活性类药物的前体（见第五章第1节）。

1886年，由法国化学家查尔斯·弗雷德里克·格哈特（CharlesFrederic Gerhardt， 1816—1856）合成的乙酰苯胺（acetanilide）的退热作用被发现。阿诺德·卡恩（Arnold Cahn）和保罗·海普

（Poul Hepp）两位医生误将乙酰苯胺当作另一种化合物使用，然后就发现了它的退热作用。此后，他们发表了对乙酰苯胺的观察结果，并建议德国化学家弗里德里希·卡尔·杜伊斯堡（Friedrich Carl Duisberg， 1861—1935）使用对乙氧基乙酰苯胺（p-ethoxyacetanilide），即非那西汀（Phenacetin），它是一种有效的解热镇痛药。随后，这一领域的研究还促成了对乙酰氨基酚（acetaminophen），即扑热息痛（Paracetamol）的诞生，这种至今仍被广泛使用的药物，由美国化学家哈蒙·诺索普·莫尔斯

（Harmon Northrop Morse， 1848—1920）合成。

19世纪，第一批制药公司开始出现。1827年，德国药剂师亨利希·默克（Henrich E. Merck）将他的家庭药店改造成生物碱的制备厂，该工厂随后成为化学制药的巨头。其他公司也先后成立，比如德国的拜耳（Bayer， 1863年）、赫斯特（Hoechst， 1863年）、巴斯夫（BASF， 1865年）、先灵（Schering， 1871年）；意大利的卡洛厄尔巴（Carlo Erba， 1865年）、多姆-阿达米（Domp-Adami，1890年）、勒多加（Lepetit-Dollfus-Gansser， 1884年，意大利的拜耳公司代表）以及瑞士的汽巴-嘉基（CIBA-Geigy， 1884年）和山德士（Sandoz， 1886年）等公司。

1853年，查理·弗雷德里克·日拉尔（Charles Frederic Gerhardt）合成了乙酰水杨酸（acetylsalicylic acid）。1897年，德国药剂师费利克斯·霍夫曼（Felix Hoffmann， 1868—1946）开发出了乙酰水杨酸工业合成方法，随后拜耳公司以阿司匹林（aspirin）的名字注册了这种药物。这个名字中的前缀“a”表示乙酰基，而词根“spir”来源于Spirea ulmaria（绣线菊），绣线菊这种植物中含有绣线菊酸，也就是水杨酸。水杨酸（最早是从柳树皮中提取出来的，因此也叫柳酸）的治疗效果以及它严重的副作用很早就被人们熟知了。乙酰水杨酸（阿司匹林）保留了水杨酸的解热和消炎的特性，同时又减轻了它的副作用影响。在很短的时间内，阿司匹林就成为世界上最知名的药物之一，直至今日仍然举足轻重。图38所示为乙酰水杨酸的分子结构。

图38　乙酰水杨酸（阿司匹林）的分子结构

梅毒是药理学面对的一个巨大的挑战，人们也早就发现砷化合物可以在抵抗梅毒方面显示出一定的效力。1909年，德国微生物学家保罗·埃尔利希（Paul Ehrlich， 1845—1915）和日本化学家秦佐八郎（Sahachiro Hata， 1873—1938）发现了撒尔佛散（arsphenamine或606），一种能够有效对抗梅毒的感染性病原体——密螺旋体的化合物。这种化合物以砷凡纳明（Salvarsan，字面意思是“用砷来拯救”）的名字在市场上销售，是对抗多种性病的利器。

1932年，德国生物化学家格哈德·多马克（Gerhard Domagk，1895—1964）经过5年的实验，发现了一种红色偶氮染料的杀菌特性，该染料的化学名称为4-[（2,4-二氨基苯基）偶氮]苯磺酰胺{4-[(2,4-diaminophenyl) diazenyl]benzenesulfonamide}，但通常称它为百浪多息（prontosil）。在巴黎巴斯德研究院（l’institut Pasteur）进行的一项研究中，意大利人费德里科·尼蒂（Federico Nitti， 1903—1947）和丹尼尔·博韦（Daniel Bovet， 1907—1992）也参与其中。该研究表明百浪多息本身并不是一种活性药物，而是一种前体药物，而活性分子实际上是百浪多息的代谢产物——磺胺（Sulfanilamide）。这一发现开辟了具有强大杀菌能力的磺胺类药物的康庄大道。博韦因这一贡献和对抗组胺药的研究贡献，获得了1957年的诺贝尔医学奖。图39所示为磺胺的分子结构。

图39　磺胺的分子结构（第一种磺酰胺）

1928年，英国医生和药理学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming， 1881—1955）意外发现了一种霉菌的杀菌作用。10年后，德国生物化学家恩斯特·鲍里斯·钱恩（Ernst Boris Chain，1906—1979）和澳大利亚生理学家霍华德·沃尔特·弗洛里（Howard Walter Florey， 1898—1968）从这种霉菌中分离出了活性成分——青霉素（penicillin）。这标志着抗生素时代的到来。弗莱明、钱恩和弗洛里因其发现在1945年被授予诺贝尔医学奖。

近几十年来，新药的开发一直稳扎稳打，步履不停。人们已经发现了新的抗生素，分离并合成了激素，也发展了维生素化学，还发现了具有防治病毒、心血管和神经系统疾病的苯二氮?类（benzodiazepine）和他汀类（statins）药物，并根据不同的病理开发了新的抗癌药物和其他特殊药物。进入21世纪，生物技术被引入化学研究中，利用基因工程技术，人们可以获得一些微生物，而这些微生物产生的分子在制药以及其他领域表现卓越。

现在，化学、生物学和医学是维护我们健康的3个不可分割的盟友。但令人惊讶的是，在我们拥有强大且行之有效的药学武器的同时，过时或胡编乱造的伪医学在今天仍然存在，甚至还广为流传。这里的伪医学做法指的是那些所谓的替代性或补充性药物，它们的原理通常基于已淘汰的科学概念[73]。从这个角度来看，典型的例子就是顺势疗法（homeopathy）。顺势疗法诞生于化学尚未发展的时候，它的原理非常矛盾。由于顺势疗法的药剂在制作过程中被极度稀释，所以这种药剂中没有任何关于起始活性成分的痕迹。在这方面，顺势疗法的爱好者最好记住本节开头引用的塞尔苏斯（Celsus）的格言。

[1]目前尚没有直接证据显示番茄红素具有以上作用。——编者注

[2]影响食物变质的因素很多，比如微生物在其中也起到了显著的作用。——编者注

[3] 1968年5月起，欧洲各国陆续出现以学生为主导的群众运动，史称“五月风暴”。事件因青年学生反对美国的侵越战争而起，却对欧洲的政治、文化、思想领域影响深远。——编者注