書名：改變世界的碳元素

作者簡介

齋藤勝裕

1945年生，1974年修畢東北大學研究所理學研究科博士課程。現任名古屋工業大學榮譽教授，理學博士。專業領域為有機化學、物理化學、光化學、超分子化學。《3小時讀通有機化學》（世茂出版）在日本已經12刷，暢銷48,000本。其他著作還有《骯髒的化學》、《料理的科學》、《毒的科學》、《不為人所知的鐵科學》、《3小時讀通元素118》、《認識放射線的基礎知識》、《認識有害物質100問》、《神奇的金屬》、《神奇的稀有金屬》（以上Science i新書）、《3小時讀通週期表！改訂版》、《3小時讀通無機化學》（以上世茂）、《恐怖有毒物質就在你身邊》（瑞昇）、《是毒還是藥：醫生沒說的毒與藥的祕密》（遠足文化）等。

譯者簡介

衛宮紘

清華大學原子科學院學士班畢。現為自由譯者。譯作有《上司完全使用手冊》（東販）、《超慢跑入門》（商周）、《男人懂了這些更成功》（潮客風）、《世界第一簡單電力系統》（世茂）……等。賜教信箱：[email protected]

書籍目錄

序

結構式的基本認識

第Ⅰ部 榮耀的碳元素王國
第1章 碳元素的構造與特性
1-1 地球的「碳元素王國」
1-2 「碳元素王國」的「國民」是怎麼誕生的？
1-3 形成「碳王國國民」的「鍵結」
1-4 生命體不可欠缺的碳
1-5 擴大發展的「碳元素王國」

第2章 碳元素的美麗結構
2-1 碳是美麗的國王
2-2 人造鑽石
2-3 集結「對稱之美」的「富勒烯」
2-4 魔鏡映出的「光學異構物」
2-5 如同「魔王迷宮」擁有複雜美麗結構的有機化合物

第Ⅱ部 支配生命體的碳元素王國
第3章 形成生命體的碳元素
3-1 與太陽合作進行「光合作用」
3-2 碳水化合物是太陽能的「罐頭」
3-3 生命體不可欠缺的「油脂」
3-4 蛋白質是「生命體的本質」
3-5 「微量物質」演奏生命之歌

第4章 拯救人類的碳元素「藥物」
4-1 拯救生命的大自然恩寵「天然藥物」
4-2 人類智慧的結晶「合成藥物」
4-3 人類的朋友「咖啡因」「乙醇」
4-4 香味和氣味的真面目是有機化合物

第5章 讓人痛苦的碳元素王國死神─「有毒物質」
5-1 「有毒物質」的基礎知識
5-2 碳元素王國的「暗殺者」
5-3 毀滅人心的碳元素王國「麻煩人物」
5-4 人類所製造的瘋狂「化學武器」
5-5 擾亂自然環境的「頭痛人物」

第Ⅲ部 開拓未來的碳元素王國
第6章 碳元素的新材料
6-1 20世紀的新材料「塑膠」「尼龍」
6-2 「酚醛樹脂」加熱也不會「軟化」
6-3 從眼鏡布到民航客機使用的新纖維、複合材料
6-4 具有特殊功能令人驚豔的塑膠

第7章 供應能量的碳元素
7-1 生質能來自生物體
7-2 化石燃料的能量：煤、石油、天然氣
7-3 備受矚目的「新」化石燃料
7-4 威力驚人的有機化合物「炸藥」
7-5 利用太陽光能的「有機太陽能電池」

第8章 超乎想像的碳元素王國
8-1 分子聚集而成的「超分子」
8-2 整齊排列的有機「液晶分子」
8-3 自發性移動的「超分子」
8-4 碳元素王國的「單分子汽車」

結尾
索引

推薦序/導讀/自序

序

歡迎各位讀者來到「碳元素王國」，誠摯歡迎大家。各位即將蒞臨的碳元素王國，是一個以碳原子為「國王」的龐大王國。碳原子是構成地球上各種動植物等生物的主要元素，除了地球上，碳原子也廣泛分布於整個宇宙。

碳原子誕生於距今138億年前的宇宙大爆炸、宇宙大霹靂（Big Bang）之後，大爆炸產生的氫原子聚集形成高溫、高壓的恆星，高溫、高壓使氫原子核融合，碳原子繼而誕生。換言之，恆星是碳原子的誕生之地。

碳原子僅有「1毫米的千萬分之一」大小，形狀為圓團雲氣。由6個電子組成雲霧般的電子雲，電子雲的中心存在體積小、密度高的原子核。碳原子藉由這6個電子，與碳或者其他元素鍵結成各種分子。這些含有碳原子的有機分子「國民」，建立起碳元素王國。

碳王國的活躍與發展令人驚豔，不僅構成地球上各種生命體，也形成維持生命的食物、對抗疾病的醫藥品、豐富日常生活的材料，以及支撐產業的能源。因此可以說，人類是與自然界中碳元素王國的國民，一同攜手合作生存下來的。

20世紀初，美國一位年輕化學家華萊士•卡羅瑟斯（Wallace Carothers）發明了人造聚合物（塑膠）尼龍。尼龍不存在於自然界，是人類製造出來的新材料。

到了現在，塑膠已經成為人類生活中不可欠缺的物質。現代的碳化合物可比鐵還要輕盈、堅韌，擁有更好的導電性，甚至可以利用有機化合物製成電池、利用碳纖維製成最先進的飛機，展現出凌駕於鐵之上的性能。

人類的歷史概分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代，現代被認為是西元前10世紀左右開始的「鐵器時代的延伸」。然而，真是如此嗎？說「現代是鐵器時代」妥當嗎？說現代是進入碳元素構成的碳器時代，豈不是更貼切嗎？

本書將會帶領大家，輕鬆遊遍碳元素王國的各個角落。讀完本書後，各位讀者肯定會為碳元素王國深奧、自由變換的靈活性與運用性，以及未來的發展性感到驚豔。

齋藤勝裕

文章試閱

1-4 生命體不可欠缺的碳
碳元素王國最為重要的功能，在於與生命有關的領域。過去有機化合物的定義為「構成生命體的化合物」，由此可知生命體與有機化合物有著切不斷的關係。

將生命體與有機化合物的關係分成幾項來討論，比較容易理解。

「構成」生命體的王國國民
生命體除了骨骼，大部分是由有機化合物構成。人類的骨骼主要是由無機物鈣Ca形成，但堅硬的蟹殼、甲蟲的羽殼等，其實是碳化合物。

構成生命體的主要有機化合物有：澱粉與蛋白質。

澱粉與蛋白質是後面會提到的天然聚合物，是由許多個小而簡單結構的單位分子鍵結，形成鎖鏈狀的巨大分子。鎖鏈的環為單位分子。

蛋白質是構成動物身體的重要物質，是烤肉不可欠缺的營養成分。在生物體內，蛋白質除了作為結構體的功用，還扮演更為重要的角色─發揮酵素（酶）的功能。

人體的酶是用來消化、代謝食物的物質，也有遵守DNA遺傳訊息、建構生命體的重要功能。

「維持」生命體的王國國民
生命體並非「只要完成結構體就行了」，還必須維持生命，因此維生素、荷爾蒙等微量物質也很重要。

然而，還有更為根本的重要東西，那就是維持生命、活動生命體的能量。這個能量從何而來？我們是如何利用能量呢？

地球會接收太陽核融合產生的熱能與光能。地球上的植物接收光能後，會以二氧化碳CO2和水H2O為原料，產生澱粉等碳水化合物Cn(H2O)m和氧氣O2。

動物將碳水化合物當作食物，以氧氣的氧化（代謝）化學反應，產生能量來維持生命。

澱粉是植物以二氧化碳和水為原料，以太陽光為能量源，透過光合作用合成的物質，堪稱「陽光的罐頭」。對植物來說，澱粉是構成生物體的結構物質，但對動物來說，澱粉是重要的食物，也是能量來源。

4-1 拯救生命的大自然恩寵「天然藥物」
人類的歷史也可說是「與疾病的抗戰」。在此抗戰中，碳元素王國給予人類莫大的戰力。在碳元素王國的「居民」中，最讓人類感恩的應該就是藥物。

生病發燒、受傷疼痛的時候，沒有什麼比消去痛苦的一帖藥物更讓人感激。可謂是上帝的恩寵。

木乃伊過去被視為「萬靈藥」
人類經過長久的歷史，從自然界植物、動物、礦物等各種物質中尋獲藥物。這些知識原本是個人的經驗，靠著口述傳承下來，不久後轉為記錄成文章、書籍。

有關藥物的最古老記述出現在中國。據說西元前2740年左右的神話人物─神農氏，「親身力行嚐遍可作為藥物的植物」。統整其知識的書籍《神農本草經》，經過人們不斷傳鈔，長久以來流傳為中藥的原典。

古埃及也有編纂類似的書籍，據說在西元前1550年的莎草紙文書上，記載了約700種的藥品。埃及當時盛行製作木乃伊，就防止腐敗的觀點來看，他們也極需要藥物吧。過去，木乃伊是埃及貴重的輸出品，江戶時期的日本是其中一個大顧客。為什麼要進口木乃伊呢？據說將木乃伊敲碎磨成粉末，可當作「萬靈藥」使用。這可能是因為滲入木乃伊的防腐劑發揮某種藥效吧。

在古希臘，西元前460年左右出生的哲學家希波克拉底（Hippocrates）相當有名。據說，他被尊稱為醫學之父，相當熟習藥物，統整了數百種藥物的藥效。

10世紀左右，伊斯蘭文化盛行，阿拉伯醫學、藥學興起。這些知識在文藝復興左右傳至歐洲，經由博物學家、鍊金術師發展起來，成為現代藥學、化學的基礎。說到鍊金術師，或許會覺得是一群不可信的騙子，但他們對現代化學、科學基礎的貢獻，應該要給予適當的評價。

毒和藥僅差在「分量不同」
如同「醫食同源」，所有食物都可視為藥物，自然界中存在著如此繁多的天然藥物。然而，需要注意的是，多數的天然藥物同時也是毒物。

日本古典戲劇—狂言《附子》的「附子」，是一種有名的烏頭毒物。烏頭會開出美麗的紫色花朵，整株植物都有毒，尤其根部特別有毒。其根為塊莖，小小一塊便能成長茁壯，新長出來的塊狀子根宛若「孩子附著」母根，故取名為「附子」。

愛奴人在有名的熊靈祭，會於弓箭上塗「箭毒」射殺棕熊。箭毒是許多民族固有的狩獵文化，但愛奴人為了讓民族免於挨餓，會將所知最強的毒物用於狩獵，而東北亞地區最毒的毒物就是附子。

然而，在中藥，附子可作為強心劑使用。當然，過量食用會令人撒手人寰。遵從醫生的指導，僅服用極少量才能發揮藥效。可見「毒和藥僅差在劑量不同」，用量非常重要。

即便在現代藥學，天然毒物的藥效仍然受到關注，愈強力的毒物，愈有可能出現強力的藥效。目前已經調查多數的天然物，最近備受注目的是芋螺。牠們是寶螺屬（Cypraea）的一種，但帶有強力的毒性。芋螺的毒一般稱為芋螺毒素（conotoxin），具有許多變種，目前尚未暸解其全貌。在已經解明的毒物當中，存在鎮痛效果比嗎啡強上1000倍的物質，而且已經認可為藥物。今後的研究非常令人期待。

拯救邱吉爾的抗生素
在現代的天然藥物中，地位最高的莫屬抗生素。抗生素意為「微生物分泌，用來阻礙其他微生物生存的物質」。

抗生素有許多種類，最有名的是弗萊明（Alexander Fleming）1928年在青黴菌中發現的青黴素（penicillin）。青黴素在第二次世界大戰末期，拯救了罹患肺炎的英國首相邱吉爾，這項事蹟傳遍了世界各地。

後來，人們著手研究對抗世界各地細菌的抗生素，找到鏈黴素（streptomycin）、康黴素（kanamycin）等多種抗生素。然而，有些抗生素有副作用，例如作為肺結核特效藥的鏈黴素，會使部分患者產生聽覺障礙。

抗生素最大的問題在於出現抗藥性細菌。抗藥性細菌是指，細菌對某藥物產生耐受性、藥效無法發揮。若細菌具有抗藥性，抗生素就會失去藥物的效果。為了避免產生抗藥性細菌，應該避免濫用、大量使用抗生素。在化學上，我們可改變抗生素分子結構的一部分，讓抗藥性細菌無法分辨新的抗生素而消滅。