1900年，法国化学家格利雅发现，如果能够正确地使用金属镁，就能够造成大量具有不同结合方式的碳链。他在他的博士论文中提出了这个发现。由于对这些格利雅反应的研究，格利雅分享了1912年的诺贝尔化学奖。与格利雅分享诺贝尔化学奖的是法国化学家萨巴蒂埃，他（与桑德仑一起）发现，利用细镍粉能够使碳链在双键处增加氢原子。这种方法就是萨巴蒂埃-桑德仑反应。
1928年，德国化学家狄尔斯和阿尔德发现了一种方法，能够使碳链的两端与另一碳链的双键的两端相连，形成一个原子环。这就是狄尔斯-阿尔德反应。由于这一发现，他们共同获得了1950年的诺贝尔化学奖。
换句话说，通过记录物质的结构式在各种化学药品和不同条件的影响下发生的变化，有机化学家们制定出一套日渐增多的程序，告诉人们如何按自己的愿望把一种化合物转变为另一种化合物。这并非易事，因为每一种化合物和每一个变化都有自己的特点和难点。不过，主要道路已经畅通，而且熟练的有机化学家们还为自己找到了前进的明显标志，而这原先似乎是一个难以穿越的迷宫。
有关某些特定原子团的行为方式方面的知识，还可用来探索未知化合物的结构。例如，简单的乙醇与金属钠发生反应时会释放出氢。但是，释放的仅仅是与氧原子相连的氢，而不是与碳原子相连的氢。另外，有些有机化合物在适当的条件下会与氢原子结合，而有些有机化合物则不能。原来，凡能结合氢原子的化合物一般都具有双键或三键，并以这些键来结合氢原子。由于有了这类知识，从而产生了一套全新的有机化合物的化学分析方法；这些方法能够测定原子团的性质，而不仅仅是各类原子的数目和类型。加入钠而释放出氢，这说明该化合物中存在与氧结合的氢原子；接收氢则意味着存在双键或三键。如果分子过于复杂，难以进行整体分析，就用各种不同的方法把它分解成若干较简单的部分，这样就能分析出各部分的结构，由此再推导出原分子的结构。
以结构式作为手段和指南，化学家们就能够研究出某些有用的天然有机化合物的结构（分析），然后再在实验室中制造出同样的或类似的产品（合成）。其中的一个结果是，人们能在实验室中大量而廉价地制造出某些自然界中稀有的、昂贵的或难以获得的产品，或者制造出某些比类似的天然产品能更好地满足需要的产品，如煤焦油染料。
有一个令人震惊的例子，即人们曾有意识地改变了可卡因的性质。可卡因是在古柯树（一种原来生长在玻利维亚和秘鲁而现在主要生长在爪哇的植物）叶子中发现的。同前面提到的马钱子碱、吗啡和奎宁等化合物一样，可卡因也是一种生物碱，即一种含氮的植物产物。少量的生物碱即能在生理上对人产生强烈的影响，视剂量大小，它既可以治病，也可以致人于死命。苏格拉底④被毒芹中所含的一种生物碱——毒芹碱——毒死，是历史上生物碱中毒致死的最著名的例子。
某些生物碱的分子结构是极其复杂的，不过，这正好激发了人们的好奇心。英国化学家鲁宾森对生物碱进行了系统的研究。他于1925年研究出了吗啡的结构（仅有1个原子未完全确定），于1946年研究出了马钱子碱的结构。由于人们认识到了他工作的价值，他获得了1947年的诺贝尔化学奖。
不过，鲁宾森只是研究出了这些生物碱的结构，而并没有将其作为指南来合成这些物质。美国化学家R.B.伍德沃德却考虑到了这一点。R.B.伍德沃德与他的美国同事多林于1944年共同完成了奎宁的合成。珀金一直追求而未得到的这一特定化合物终于获得了惊人的成果。如果你感兴趣的话，则奎宁的结构式如下：
难怪这个结构会使珀金陷入困境。R.B.伍德沃德和多林之所以解决了这个难题，并不仅仅是靠他们的聪明才智，而且还在于他们熟练地掌握了泡令等人所建立的有关分子的结构和性状的新电子理论。此后，R.B.伍德沃德又陆续合成了各种各样的复杂分子，例如，他于1954年合成了马钱子碱。而在此之前，这被认为是高不可攀的。
然而，早在这些生物碱的结构被发现以前，其中的一些生物碱（特别是可卡因）业已引起了医生们的浓厚兴趣。人们发现，南美洲的印第安人咀嚼古柯树叶，原来它能消除疲劳和引起欣快感。苏格兰医生克里斯蒂森把这种植物引种到了欧洲。（在蒙昧社会里的巫医和卖药草的妇女看来，这并不是献给医学的惟一礼物。另外还有上面提到的奎宁和马钱子碱，以及鸦片、洋地黄、箭毒⑤、颠茄碱、羊角拗定和利血平。另外，抽烟、喝酒、嚼槟榔果、吸大麻和服皮约特⑥等，也都是从原始社会遗传下来的。）
可卡因并不仅仅是一种普通的能产生欣快感的药物。医生们发现，它还能使人体的某一部位暂时失去痛觉。1884年，美国医生科勒发现，可卡因可用作镇痛药，在对眼睛施行手术时将它涂在眼睛周围的黏膜上，病人就会没有痛感。可卡因还可用于牙科，使病人在拔牙时没有痛苦。
这种效果使医生们十分着迷，要知道，19世纪医学上的伟大胜利之一正是在镇痛方面所取得的成果。1799年，戴维研制出了一氧化二氮（N2O）气体，并研究了它的疗效。他发现，这种气体被吸入人体后，就会释放出抑制物质，使人狂笑、大叫或做出其他一些愚蠢的举动。因此，它通常又被称为笑气。
19世纪40年代初期，美国科学家科顿发现，笑气能使人失去痛觉；1844年，美国牙科医生H.韦尔斯将这种气体用于牙科手术。不过，当时已经有一种更好的药物进入了这一领域。
美国外科医生朗于1842年曾用乙醚使病人在拔牙时进入睡眠状态。1846年，美国牙科医生莫顿在马萨诸塞州总医院实施了一例乙醚麻醉手术。人们往往将这一发现归功于莫顿，因为在莫顿进行公开表演之前，朗不曾在任何医学杂志上介绍过自己的技术，至于H.韦尔斯最早用笑气所做的公开表演，则仅获得了微不足道的成功。
美国诗人兼医生霍姆斯建议将具有镇痛作用的化合物称为麻醉剂（源于希腊语，意思是“无感觉”）。当时的一些人认为，是上帝要使人类遭受痛苦，使用麻醉剂来逃避这种痛苦则是一种亵渎神圣的行为。但是，后来人们之所以认为使用麻醉剂是高尚的，是因为苏格兰医生辛普森在英国维多利亚女王分娩时用它来镇痛。
麻醉剂最终使外科手术不再像屠宰场一样使病人极端痛苦，至少变得较为人道，如果手术在消毒条件下施行，甚至能挽救病人的生命。因此，麻醉学的任何进展都引起了医生们的极大关注。可卡因的特殊意义在于它是一种局部麻醉剂，就是说，它只使人体的一定部位失去痛觉，而不是像全身麻醉剂乙醚那样，使人完全丧失意识和感觉。
然而，可卡因也有一些不足之处。首先，它会产生一些不良的副作用，甚至会使对它过敏的病人丧命。其次，它会使人成瘾，因此必须少用、慎用。（可卡因是一种危险的毒品，它不仅能消除疼痛，而且还能消除其他不愉快的感觉，从而给吸毒者以异常欣快的幻觉。吸毒者会适应这种毒品并不断要求加大剂量。尽管毒品给身体产生了严重影响，但由于吸毒者如此依赖这种毒品所产生的幻觉，所以，如不忍受令人痛苦的戒毒症状，就不能戒掉。对可卡因和其他这类毒品的毒品瘾已成为严重的社会问题。尽管全世界都在努力禁止毒品的非法交易，但每年非法生产和贩卖的可卡因高达20多吨。这给少数人带来了暴利，而使许多人陷入痛苦的深渊。）第三，可卡因的分子很脆弱，在加热消毒时即能引起分子结构的变化，而分子的变化则会影响它的麻醉效果。
可卡因分子的结构相当复杂：
左边的双环是脆弱部位，也是难于合成部位。（直到1923年，德国化学家威尔特才设法合成出可卡因。）然而，在化学家们看来，他们能合成出类似的化合物，其中的双环不是闭合的，这样就能使这种化合物既易于合成，又比较稳定。这种合成物质可能具有可卡因的麻醉性能，而且也许没有令人讨厌的副作用。
对于这个问题，德国化学家们研究了约20年，制造出了几十种化合物，其中有些性能良好。最成功的改进是在1909年取得的，当时合成出了一种具有下述分子式的化合物：
将这个结构式与可卡因的结构式作一比较，你就可以看出它们之间的相似之处以及一个重要事实，即双环已不复存在。这种较简单的分子在自然界中是不存在的，它稳定，易于合成，麻醉效果良好，而且几乎没有副作用。这是一种远远胜过可卡因的合成代用品，称为普鲁卡因，而大家更为熟悉的则是它的商品名称“奴弗卡因”。
在一般的镇痛剂中，最有效、最有名的也许是吗啡。它的这个名字源于希腊语，意为“睡觉”。吗啡是由鸦片或鸦片酊提纯出来的，在若干世纪以来，原始人和文明人都用它来消除疼痛和尘世间劳碌所造成的神经紧张。对于那些被疼痛折磨得死去活来的人们，吗啡简直是灵丹妙药，但它也具有使人成瘾的致命危险。然而，寻找代用品的努力却取得了适得其反的结果。1898年，人们合成了衍生物二乙酞吗啡即广为人知的海洛因。人们原以为它比较安全，后来才知道它是最危险的毒品。
危险性较小的镇静剂（安眠药）是水合氯醛和巴比妥，特别是后者危险性更小。巴比妥类药物1902年首次使用，现在是安眠片的最平常的成分。虽然适量服用这类药物无甚危害，但它也会使人成瘾，过量服用则会引起死亡。实际上，由于死亡是作为逐渐沉睡的最终结果平静地到来的，所以，过量服用巴比妥类药物就成了自杀或企图自杀的一种相当常见的方法。
最普通而且也是用得最久的镇静剂，当然要首推酒精了。早在史前时期，人们就已经知道使果汁和粮食发酵来酿酒的方法。在中世纪，人们已采用蒸馏方法来酿制比天然生成的产品更加浓烈的酒。尽管酒精像吗啡一样，肯定会使人成瘾，而且无节制地饮酒会给身体带来更加严重的危害，但对于伤寒和霍乱病人，淡酒却是补充水分的一种捷径，而且适量饮酒也为社会所接受，因此，很难将酒作为毒品予以禁止。用法律来禁止出售酒类看来是行不通的，美国于1920～1933年间曾试行过“禁酒法”，结果遭到彻底失败。尽管如此，酒精中毒越来越被看成是一种疾病，而不仅仅是一个道德问题。对于那些吃饭甚少但饮酒无度的人来说，酒精中毒的明显症状（震颤性谵妄）多半不是由酒精本身而是由维生素缺乏症引起的。
原卟啉
目前，人类已经制造出各种各样具有巨大潜在用途但也可能被误用的合成制品，如炸药、毒气、灭虫剂、除草剂、防腐剂、去污剂、医药等，真是不胜枚举。但是，合成技术不仅可以用来弥补消费者所需物品之不足，而且还能为纯化学研究服务。
常常出现这种情况，即不论是由活组织产生的还是由有机化学家用设备合成的复杂化合物，即使根据它所经历的化学反应的性质作出种种推导，也只能得出一个假定的结构式。在这种情况下，出路就是用所设计的一系列反应（旨在制造出像所推导出来的结构式那样的分子结构）来合成出一种化合物。如果所产生的化合物的性质与第一次研究的化合物的性质完全相同，那么，化学家们就可以信赖原先推导出来的结构式。
在这方面，一个给人留下深刻印象的例子是血红蛋白，它是红血球的主要成分，是使血液呈现红色的色素。1831年，法国化学家勒卡努将血红蛋白分解成两个部分，其中较小的部分称为血红素，占血红蛋白质量的4%。现已发现，血红素的实验式为C34H32O4N4Fe。由于像血红素这样的化合物还存在于其他重要的物质中，即存在于植物界和动物界中，因此，血红素的分子结构对于生物化学家来说是极其重要的。然而，在勒卡努分离血红素之后的将近一个世纪内，人们所能做到的只不过是把它分成更小的分子。铁原子（Fe）很易分离出来，而剩余部分则分裂为大致相当于原分子1/4大小的碎片。这些碎片原来是吡咯。吡咯的分子是由5个原子（其中4个为碳原子，1个为氮原子）构成的环组成的。吡咯本身的结构如下：
实际上由血红素获得的吡咯拥有若干个含1个或2个碳原子（连接在环上以取代1个或多个氢原子）的小型原子团。
20世纪20年代，德国化学家H.费歇尔更深入地研究了这个问题。既然吡咯的大小约为原血红素的1/4，于是他就决定设法将4个吡咯结合在一起，看看最终会得到什么样的东西。他终于获得成功，得到一种他称之为卟吩（源于希腊语，意为“紫色”，因为它是紫色的）的四环化合物。卟吩的结构式是这样的：
然而，由血红素获得的吡咯原来含有一些与环连接的小侧链。当吡咯组合成卟吩时，这些侧链仍停留在原来的位置。含有各种侧链的卟吩组成了一族称之为卟啉的化合物。在血红素中发现的拥有特殊侧链的那些化合物叫做原卟啉。H.费歇尔将血红素的性质与他所合成的卟啉的性质加以比较之后发现，血红素（减去它的铁原子）就是一种原卟啉。但究竟是哪一种呢？根据H.费歇尔的推论，由血红素获得的各种不同的吡咯能结合成不下15种不同的原卟啉（每种都具有不同的侧链排列），而其中任何一种都有可能是血红素。
将这15种化合物逐一合成出来，并分别检验它们的性质，便能够得到答案。H.费歇尔将合成工作交给他的学生们去做，他仔细选用了一些化学反应，每次只允许合成其中一种具有特定结构的原卟啉。在这15种不同的原卟啉合成出来之后，他将它们的性质与血红素的天然原卟啉的性质进行了对比。
他于1928年发现，这个系列中编号为Ⅸ的原卟啉正是他要寻找的那一种。因此，那种天然原卟啉至今仍称为原卟啉Ⅸ。要使原卟啉Ⅸ添加1个铁原子转变为血红素是很容易的。化学家们终于相信，他们已经知道了这种重要化合物的结构。下面就是H.费歇尔研究出来的血红素的结构式：
由于这项成就，H.费歇尔获得了1930年的诺贝尔化学奖。
新方法
在19世纪和20世纪前半叶，合成有机化学方面取得的全部成就无疑是巨大的，但所使用的方法却与古代炼金术士所使用的方法相同，即将几种物质加以混合并进行加热。加热是使分子增加活力并发生相互反应的可靠方法，不过，就本质而言，这样的反应通常是随机的，并会产生一些短暂存在的不稳定的中间产物，而对于这些中间产物的性质则仅能进行猜测而已。
化学家们所需要的是一种更精细、更直接地使分子具有活力的方法，即能够使一群分子全都以大致相同的速度、朝大致相同的方向运动的方法。这种方法能够消除反应的随机性，因为这时一个分子如何行动，其余的分子也都会照此办理。一种方法是在电场中加速离子，犹如在回旋加速器中加速亚原子粒子。
1964年，德国血统的美国化学家沃尔夫冈借助一种可称为化学加速器的装置来加速离子和分子，使之达到很高的能量。这种装置所产生的离子速度若用加热方法来达到，则温度必须高达1000℃～100000℃。另外，这些离子还以相同的方向运动。
如果有电子存在的话，被加速的离子就会抓住这些电子并转变为中性分子，而且仍以极高的速度行进。美国化学家华顿已于1969年获得了这样的中性分子束。
至于化学反应的短暂的中间阶段，电子计算机可以解决这个问题。电子计算机可以解在不同原子组合中决定电子状态的量子力学方程，还可以计算出在碰撞过程中将会发生的各种事件。例如，1968年，在意大利血统的美国化学家克莱门蒂的指导下，曾利用一台计算机使氨与盐酸在闭路电视监视下碰撞以生成氯化铵，结果，所发生的事件正是计算机计算出来的事件。计算机计算的结果表明，所形成的氯化铵是温度为700℃的高压气体。这种情况以前并不知道，但在几个月后被实验所证实。
近10年来，化学家们在理论和实验方面都研究出了一些新型工具。迄今尚未知晓的一些反应的细枝末节将会被弄个水落石出，许多在过去无法获得的或至多只能少量获得的新产品将会被合成出来。也许我们正站在一个意想不到的奇境的入口处。
聚合物与塑料
当我们考虑像血红素和奎宁这样的物质的分子时，其复杂程度连现代化学家也必须费尽心机才能应付得了。要合成这类化合物，需要那么多的步骤和方法，如不借助某种活机体，几乎不敢期望将它们大量地生产出来（化学家除外）。然而，我们也不必因此而妄自菲薄。就复杂程度而言，即使是活组织本身也已达到了极限。在自然界，很少有比血红素和奎宁更为复杂的分子。
当然，自然界中存在有由几十万甚至几百万个原子组成的天然物质，但它们并不是真正的单个分子，也就是说，并不是一个整体。更确切地说，这些大分子是由许多单元构成的，就像是由一颗颗珠子串成的项链。活组织往往是首先合成一些小的、相当简单的化合物，然后仅仅是将这些单元串连成一条条长链。正如我们将要看到的，这种事情化学家们也能做到。
缩合作用与葡萄糖
在活组织中，小分子的这种结合（缩合作用），通常要在每一个接合点上完全失去2个氢原子和1个氧原子（结合在一起形成1个水分子）。这种过程是可逆的（在身体中和在试管中都如此）：加水可以使链中的各单元脱钩并彼此分开。缩合作用的这种逆过程称之为水解作用——源于希腊语，意为“通过水而松开”。在试管中，这些长链的水解过程可用各种不同的方法来加速。最常见的加速方法是在混合物中加进一定量的酸。
对大分子化学结构的首次研究可追溯到1812年，那一年，俄国化学家克希霍夫发现，淀粉加酸煮沸能生成一种与葡萄糖（从葡萄中提取的糖）性质相同的糖。1819年，法国化学家布拉孔诺通过煮沸各种植物产物如木屑、亚麻和树皮——它们都含有一种叫做纤维素的化合物——也得到了葡萄糖。人们很容易猜想到，无论是淀粉还是纤维素，都是由葡萄糖单元构成的，至于淀粉和纤维素的分子结构的细节，则还有待于对葡萄糖的分子结构的进一步认识。最初，由于结构式尚未出现，人们只知道葡萄糖的经验式是C6H12O6。这种比例关系表明，6个碳原子中的每一个都连接着1个水分子H2O）。因此，葡萄糖以及结构与之相似的化合物被称为碳水化合物。
葡萄糖的结构式是德国化学家基利阿尼于1886年研究出来的。他证明，葡萄糖分子的6个碳原子构成一条直链，彼此分离的氢原子和氢氧根就连接在这个链上。在葡萄糖分子中，任何地方都没有完整的水分子组合。
在以后大约10年的时间里，德国化学家E.费歇尔对葡萄糖进行了详细研究，并研究出了碳原子周围的氢氧根的精确排列方式，其中有4个氢氧根是不对称的。这些氢氧根有16种可能的排列方式，因此有16种可能的性质不同的旋光异构体。的确，化学家们已经研制出了所有这16种异构体，然而只有少数几种真正在自然界中存在。
下面是葡萄糖和其他两种常见的果糖和半乳糖的结构式：
这些是能够充分展示分子不对称性的最简单的结构。但实际上，分子为非平面的环状，每个环由5个（有时是4个）碳原子和1个氧原子组成。
正是由于对这些糖的旋光性的研究，E.费歇尔才建议将旋光化合物分为L系和D系两大类。由于为碳水化合物化学奠定了坚实的基础，他获得了1902年的诺贝尔化学奖。
化学家们一旦知道了简单糖类的结构，要想知道简单糖类以何种方式构成更为复杂的化合物就比较容易了。例如，1个葡萄糖分子和1个果糖分子可以缩合成蔗糖——我们餐桌上的食糖。葡萄糖与半乳糖相结合形成乳糖，在自然界中，乳糖仅存在于乳汁中。
没有理由认为缩合不能无限制地进行下去。事实上，淀粉和纤维素的情况就是如此。这两种物质都是由葡萄糖单元按一定图式缩合而成的长链构成的。
缩合图式的细节是很重要的，因为尽管这两种化合物都由相同的单元构成，但二者却有着深刻的差异。
这种或那种形态的淀粉构成了人类食物的主要成分，而纤维素则全然不适于食用。由于化学家们的苦心钻研，终于弄清楚了缩合图式的差异，它与下面的情况有些类似：假设葡萄糖分子可以正着看（用u表示）或倒着看（用n表示），那么，淀粉分子可以看成是由葡萄糖分子按“……uuuuuuuuu……”的图式缩合而成的，而纤维素则按“……ununununun……”的图式构成。人体的消化液具有使淀粉的uu键合进行水解的能力，使淀粉水解成我们可以吸收而获得能量的葡萄糖。而同样的消化液却对纤维素的un键合无能为力，因此，我们所食用的纤维素都是穿肠而过，最后排出体外。
尽管没有一种高等动物能够消化纤维素，但有些微生物，例如寄生在反刍动物和白蚁肠道中的微生物，却能做到这一点。多亏了这些不显眼的助手，使我们受益匪浅的牛才能靠吃草而生存，使我们狼狈不堪的白蚁靠吃木头而活命。这类微生物能大量地将纤维素转化为葡萄糖，它们消耗掉自己所需要的一份，而将多余的供给寄主。这些微生物提供加工过的食物，而寄主则提供原料和住所。两种生物之间这种互惠的合作方式称之为共生现象（源自希腊语，意为“共同生活”）。
晶型和非晶型聚合物
哥伦布曾经发现，南美洲土著人所玩的一种球，是用硬化了的植物汁液做成的。哥伦布以及以后两个世纪里到过南美洲的探险家们，无不对这些有弹性的球（用巴西的一种树木的汁液做成）感到惊讶不已。后来，一些样品被当作珍品带回欧洲。大约在1770年前后，普里斯特利（在发现氧之前不久）发现，这种弹性物质能够擦掉铅笔的痕迹，于是给它起了个不起眼的名字——擦子（rubber）。这至今仍是这种物质的英文名字。英国人称它为印度擦子，因为这种物质来自“印度”（哥伦布发现新大陆时误以为那就是印度）。这种物质就是橡胶。
后来，人们又发现了橡胶的其他一些用途。1823年，有个名叫麦金托什的苏格兰人在两层布中间夹一层橡胶，然后做成长袍，以供雨天使用。他的这种防雨衣获得了专利，至今人们有时仍将雨衣叫做麦金托什。
然而，这样使用橡胶有一个问题，就是它在热天会变得像胶一样黏，而在冷天则又变得像生皮革一样硬。许多人试图发明对橡胶进行加工处理的方法，以消除它的这些令人讨厌的特性。其中有一位名叫古德伊尔的美国人，虽然他对化学一无所知，但他却坚持研究，一次次试验又一次次失败，仍坚持不懈。1839年的一天，他不小心将橡胶和硫磺的混合物撤落在火热的炉子上。他赶忙将这些混合物从炉子上刮下来，结果他惊奇地发现，加过热的橡胶和硫磺的混合物尽管还是热的，但却很干燥。他将这些混合物再加热和冷却，结果发现，它既不因加热而变黏，也不会遇冷而变硬，始终保持柔软而富有弹性。
现在，在橡胶中加入硫磺的过程叫做硫化（依照罗马火神伍尔卡努斯的名字取名）。说来令人慨叹，虽然古德伊尔的发现价值连城，但他本人却从未得到过任何报偿。他毕生为取得专利权而斗争，到死时仍负债累累。
对橡胶分子结构的认识要追溯到1879年，那一年，法国化学家布沙尔达将橡胶在与空气隔绝的条件下加热，结果得到一种叫做异戊二烯的液体。异戊二烯的分子由5个碳原子和8个氢原子组成，排列方式如下：
另一种植物汁液（胶乳）产自东南亚的一些树木，它能产生一种叫做固塔坡胶的物质。这种物质缺乏橡胶那样的弹性，但在与空气隔绝的条件下加热时，也生成异戊二烯。
不论是橡胶还是固塔坡胶，都是由几千个异戊二烯单元构成的。正如淀粉和纤维素的差别那样，橡胶与固塔坡胶的差别也是键合图式的不同。在橡胶中，异戊二烯单元按……uuuuu……图式连成蜷曲的长链。这种长链在受拉时会伸直，因而橡胶富有伸缩性。在固塔坡胶中，异戊二烯单元按……ununununun……图式连成长链，这种长链一开始就比较直，因此，它的伸缩性要小得多（图11-3）。
图11-3 由几千个异戊二烯单元构成的固塔坡胶分子的一个部分。左边的前5个碳原子（黑色球）与和它们结合的8个氢原子构成了1个异戊二烯单元
简单的糖分子如葡萄糖是单糖（希腊语，意为“一个糖”）；蔗糖和乳糖是双糖（“两个糖”）；而淀粉和纤维素则是多糖（“许多糖”）。由于两个异戊二烯分子连接形成一种有名的化合物——萜烯（来自松节油），所以橡胶和固塔坡胶也叫做聚萜烯。
早在1830年，贝采利乌斯（化学名称和符号的大发明家）就给这类化合物取了统一的名称。他将基本单元称为单体（“一份”），而将大分子称为聚合物（“许多份”）。由许多单元（比如100个以上）组成的聚合物称为高聚物。淀粉、纤维素、橡胶和固塔坡胶都是高聚物的例子。
聚合物并不是地道的化合物，而是由大小不一的分子组成的复杂的混合物。测定平均分子量的方法有多种，其中一种方法就是测量黏度（在给定压力下流体流动的难易程度）。分子越大，拉伸就越长，对液体内磨擦起的作用就越大，因而，就使这种液体流动起来更像糖蜜，而不是像水。这种方法是德国化学家施陶丁格于1930年研究出来的，是他在聚合物研究方面所取得的成就的一个部分。由于他在认识这些巨型分子方面所做出的贡献，他获得了1953年的诺贝尔化学奖。
1913年，两位日本化学家发现，天然纤维，如纤维素的纤维，能像晶体那样使X射线发生衍射。从一般意义上讲，这些纤维并不是晶体，但却显示出微晶质特征，也就是说，构成纤维分子的单元所连成的长链，往往是一束束地、距离不等地平行排列。在这些平行链束中，原子像在晶体中那样，按顺序重复排列。当X射线投射到纤维的这些断面时，就发生了衍射。
于是，聚合物就被分为两大类：晶型和非晶型聚合物。
在像纤维素这样的晶型聚合物中，由于彼此平行的相邻的长链是以化学键连接在一起的，结果单链的强度得到增强，从而使纤维素具有相当大的抗拉强度。淀粉也是晶型聚合物，但结晶状况远不如纤维素，因此，缺乏纤维素的强度，也缺乏成形纤维的能力。
橡胶是一种非晶型聚合物。由于各单链并不平行排列，因而不存在交联现象。如果受热，各长链既能彼此独立地振动，又能在其他长链之间自由滑动。因此，随着温度的升高，橡胶或橡胶类聚合物会变得又软又黏，以至最终熔化。（拉伸会使橡胶的长链伸直，从而引进某些微晶质特征。因此，拉长了的橡胶具有相当大的抗拉强度。）至于纤维素和淀粉，由于其中的各个分子在这里或那里以化学键相连，因此它们不能像橡胶分子那样独立地振动，所以在受热时不会变软。在温度升高到足以使分子产生振动并将分子彼此振开之前，它们一直保持僵硬状态，直至烧焦和冒烟。
当温度低于使之变黏的温度时，非晶型聚合物往往是柔软而富有弹性的。然而，在更低的温度下，这些聚合物就会变得像皮革一样硬，甚至像玻璃那样脆。生橡胶仅在相当窄的温度范围内才是干燥和富有弹性的。加入5%～8%的硫磺，会在链与链之间形成柔韧的硫键，这些硫键能降低各长链的独立性，从而防止了橡胶在中等温度下变黏。在不太低的温度下，硫键还能增加各链之间的自由活动范围，因此橡胶不会变硬。如果加进更多的硫，比如30%～50%，就会使链与链之间键合得很紧密，致使橡胶变硬。这样的橡胶称为硬橡胶。
（如果温度足够低的话，即使是硫化橡胶也会变得像玻璃那样脆。一个普通的橡胶球，若是在液态空气中浸泡片刻之后再掷向墙壁，也会碰得粉碎。这是在上化学课时最爱演示的实验之一。）
在一定的温度下，各种非晶型聚合物表现出不同的物理性质。在室温条件下，天然橡胶具有弹性，各种树脂是硬而脆，而糖胶树胶（产自南美洲的人心果树，是口香糖的主要成分）则软而黏。
纤维素和炸药
除了我们的食物——它们主要由高聚物所构成——之外，人类使用最久的一种聚合物恐怕就是纤维素了。纤维素是木头的主要成分，作为燃料和建筑材料，它们一向是必不可少的。纤维素还用来造纸。以纯纤维素形式存在的纤维素棉花和亚麻，一直是人类最重要的纺织原料。因此，19世纪中叶的化学家们自然要转向纤维素，用它作为制造其他巨型分子的原料。
改造纤维素的方法之一是将硝酸根（1个氮原子和3个氧原子）与葡萄糖中的氢氧根（羟基）连接。这样做了之后，再用硝酸和硫酸的混合物来处理纤维素，于是就制造出了一种在当时来说是无与伦比的烈性炸药。这种炸药是德国出生的瑞士化学家舍恩拜因（他曾于1839年发现臭氧）于1846年偶然发现的。据说，有一天，他在厨房里（他被禁止在那里做实验，但他常趁妻子不在家时在那里做实验）弄洒了一种酸的混合物，他赶忙抓起他妻子的棉布围裙去擦污迹，当他将围裙挂在火炉上方烘烤时，围裙便“扑”地一声着了起来，烧得一点不剩。
舍恩拜因立即意识到了这种化合物的潜力，这可从他给这种化合物起的名字——火药棉——上看出来。（这种化合物还叫做硝化纤维素。）舍恩拜因向好几个国家的政府兜售他的这个秘方。普通火药在点然时会产生浓烟，熏黑炮手，弄脏大炮，因而发射几次后就需要清扫一次。另外，在发射第一排炮弹之后，阵地上便升起滚滚浓烟，致使战斗不得不在盲目的估计下进行。因此，各国的军事部门都争相采用这种威力更大而又无黑烟的炸药。于是，制造火药棉的工厂雨后春笋般地建立了起来。然而，这些工厂几乎就像它们兴建时的速度那样，很快就被炸掉了。火药棉太容易爆炸了，往往等不到大炮发射。到了19世纪60年代初期“，走火”的火药棉的隆隆声终于沉寂下来，不论是从数字还是从文字上看，情况都确实如此。
然而，后来找到了一些方法，能够清除掉使火药棉走火的少量杂质。这样，火药棉的制造和使用就变得足够安全了。1889年，英国化学家迪尤尔（他以使气体液化而闻名于世）和他的合作者阿贝耳引进了一项技术，即将火药棉与硝化甘油混合，然后再在这种混合物中加入凡士林，最后将其压制成线状（这种混合物就叫做无烟线状火药）。这种火药棉最后终于成为一种有用的无烟火药。1898年西班牙与美国之间的那场战争就是用普通火药来打仗的最后一场战争。
［机器时代也为令人战栗的射击技术尽了一份力量。19世纪60年代，美国发明家加特林制造出了第一支能够迅速连发子弹的连发枪；19世纪80年代，美国另一位发明家马克沁对这种枪进行了改进。加特林连发枪俗称左轮。这种枪和它的改进型马克沁机枪使得19世纪晚期的厚颜无耻的帝国主义者对于非洲和亚洲的那些“劣等种族”（吉卜林⑦的带有侮辱性的话）具有空前的优势。正如当时流行的一句歪诗所说，“不管发生什么情况，我们有马克沁机枪，而他们都没有。”］
这方面的“进步”在20世纪仍在继续。第一次世界大战期间，最重要的炸药是三硝基甲苯，即人们所熟悉的缩写TNT。第二次世界大战期间，威力更大的旋风炸药（三次甲基三硝基胺）投入使用。这两种炸药都含有硝基，而不含硝酸根。不过，对于战争贩子来说，任何化学炸药都比不上1945年的原子弹（见第十章 ）。
顺便提一下，硝化甘油与火药棉是在同一年发现的。那一年，一位名字叫索伯雷罗的意大利化学家用硝酸和硫酸的混合物来处理甘油，当他意识到发现了什么的时候，险些被随之而来的爆炸要了命。索伯雷罗没有舍恩拜因那种由发明而产生的冲动，他觉得硝化甘油过分危险，不好对付，于是就将这一发现搁置起来，未予公布。此后不到10年，一个姓诺贝尔的瑞典家族开始以“爆炸油”的名称生产这种产品，并把它用于采砂和建筑工程。经历了一连串事故（其中一次还夺去了这个家族的一个成员的性命）之后，死者的兄弟A.诺贝尔发现了一种方法，即在硝化甘油中掺入一种叫做硅藻土（主要由一种叫做硅藻的单细胞生物的遗骸构成）的吸附剂。这种混合物由3份硝化甘油和1份硅藻土组成，由于后者具有吸附能力，这种混合物实际上是干燥的粉末。一筒掺有硝化甘油的硅藻土（达那炸药）即使受到磕碰、锤击乃至火烧也不会爆炸。但是，如果引发雷管（在远处用电流）使达那炸药爆炸，那么，这就会显示出与纯硝化甘油完全相同的爆破力。
雷管装有极易爆炸的炸药，在受热或受到机械撞击时就会爆炸，因此称之为起爆管。雷管爆炸所产生的强烈振动能引起不易爆炸的达那炸药爆炸。这样看来，危险似乎只不过是从硝化甘油转移到了起爆管。不过，事情并不像听起来那么糟糕，因为起爆管用量很少，而且最常用的起爆药是雷酸汞（HgC2N2O2）和叠氮化铅（PbN6）。
一筒筒的达那炸药终于能够使美国西部地区以空前的速度铺设铁路、修建公路、开发矿山和修筑堤坝。诺贝尔（他发觉，同他的人道主义愿望相反，他被看成是“贩卖死亡的商人”）所发明的达那炸药和其他炸药使他成为一个离群索居、不受欢迎的百万富翁。他在1896年逝世时留下一笔基金，以其利息作为著名的诺贝尔奖的奖金。这种奖分物理、化学、医学与生理学、文学及和平事业五个领域，每年颁发一次。获奖者除赢得崇高荣誉以外，还被授予约4万美元的奖金（自设奖以来这个金额一直在不断增加）。第一次颁奖是1901年12月10日，即诺贝尔逝世5周年纪念日。现在，诺贝尔奖已成为一个科学家所能获得的最高荣誉。
考虑到人类社会的性质，一些大科学家们仍将花费相当大的精力来继续研究炸药。由于几乎所有炸药都含氮，因此氮元素及其化合物的物质组成及化学性质对于炸药研究是至关重要的。（必须承认，对于生命也极为重要。）
对化学理论而不是对炸药感兴趣的德国化学家奥斯特瓦尔德研究了化学反应的速度。他将与物理学有关的数学原理应用于化学，从而成为物理化学的奠基人之一。在上世纪末与本世纪初，他研究出一种将氨（NH3）转变为氧化氮（NO）的方法，后者可以用来制造炸药。由于奥斯特瓦尔德在化学理论特别是在催化剂方面的研究成果，他获得了1909年的诺贝尔化学奖。
在20世纪的头几十年，可供利用的氮主要来自智利北部地区沙漠中的硝石矿。在第一次世界大战期间，由于英国海军的封锁，德国无法得到这些矿区的硝石。然而，德国化学家哈伯研究出了一种方法，能够使空气中的分子氮在高压下与氢结合，形成奥斯特瓦尔德法所需要的氮。稍后，德国化学家博施——他在第一次世界大战期间曾负责监造氮制造厂——对哈伯法进行了改进。哈伯获得了1918年的诺贝尔化学奖，而博施则与别人分享了1931年的诺贝尔化学奖。到了20世纪60年代末，仅美国每年用哈伯法生产的氨就有1200万吨之多。
塑料和赛璐珞
现在让我们重新回到改造纤维素的问题上来。显然，正是由于添加了硝酸根才使纤维素具有爆炸性。在火药棉中，所有可供取代的羟基都被硝化了。如果只有部分羟基被硝化，那情况又会怎样呢？它们的爆炸性是否会小一些？事实上，这种部分硝化纤维素证明根本没有爆炸性。不过，这种物质的确很容易燃烧；后来，这种物质被命名为焦木素（源于希腊语，意为“柴火”）。
正如法国学者梅纳尔和美国医科大学学生梅纳德（他俩的姓氏十分相似）所分别独立发现的那样，焦木素能溶解于乙醇和乙醚的混合物。当乙醇和乙醚蒸发之后，剩下来的焦木棉是一种坚韧的透明薄膜，叫做胶棉。胶棉最初被用来包扎轻微的刀伤或擦伤，所以将它叫做新皮。然而，胶棉的奇迹只不过刚刚开始，更多的奇迹还在后面。
大块的胶棉本身很脆。不过英国化学家帕克斯发现，如果将它溶解于乙醇和乙醚的混合物中，然后再与像樟脑这样的一种物质混合，当溶剂蒸发之后，剩下的坚硬的固体物质受热后会变得柔软而富有韧性。这样，它就可以模塑成所需要的各种形状，而且在冷却和变硬之后仍保持原状。于是，就在1865年这一年，硝化纤维素就转变成首批人造塑料。而使原来很脆的物质具有可塑性的樟脑就成了第一种增塑剂。
使塑料从化学珍品一跃而成为公众所关注的对象，是塑料被引进到台球室这一戏剧性的事件。以前，台球是用象牙做的，而象牙只能从死了的大象身上得到，这自然就产生了问题。19世纪60年代初，有人出10000美元奖金来征求象牙的最好代用品，这种代用品必须满足对台球的种种要求，如硬度、弹性、抗热、防潮和没有纹理等。许多人跃跃欲试，美国发明家海厄特便是其中之一。开始他的工作毫无进展，直到后来他听说帕克斯有一种妙法能使焦木素变成可塑性物质，然后又变为坚硬的固体，他的工作才有了转机。海厄特着手改进生产这种物质的方法，即少用价格昂贵的乙醇和乙醚，而同时提高温度和压力。到了1869年，海厄特用这种他称之为赛璐珞的物质制造出了廉价的台球，从而赢得了这笔奖金。
后来才知道，赛璐珞的用途是多种多样的，远远超出了台球桌的范围。它能够在水的沸点温度下模塑成形；它可以在较低的温度下被切割、钻孔或锯开；它可以是坚硬的团块，也可以制成柔软的薄片（可以用来做衬衫领子、儿童玩具等）。更薄和更韧的薄片可以用作胶状银化合物的片基，这样它就成了第一种实用的照相底片。
赛璐珞有一个缺点，即由于它含有硝酸根，所以非常容易着火，而且燃烧起来异常迅速，特别是做成薄片状时，更是如此。在过去，赛璐珞是引起一系列火灾的原因。
如果用醋酸根代替硝酸根，则会使纤维素变成另一种叫做醋酸纤维素的物质。经适当的塑化处理后，这种物质的性能就能与赛璐珞一样或几乎一样好，此外，它还有不易着火的优点。醋酸纤维素在第一次世界大战前夕投入使用，战后，在底片和其他许多物品的制造方面，完全取代了赛璐珞。
高聚物
赛璐珞问世还不到半个世纪，化学家们便摆脱了必须用赛璐珞作为塑料的基本原料的束缚。早在1872年，拜耳（他后来合成出靛蓝）就发现，当酚和乙醛一起加热时，会得到一种黏稠的树胶状物质。由于他只对由反应分离出来的小分子感兴趣，结果便忽略了留在长颈瓶底部的这种渣滓（19世纪的有机化学家们对于沾污玻璃器皿的渣滓一般都是这种态度）。37年后，在比利时出生的美国化学家贝克兰用甲醛进行了实验，发现在一定的条件下，这种反应会生成一种树脂，而且，如果在压力下继续加热，这种树脂首先变成柔软的固体，继而又变成坚硬而不可溶解的物质。这种树脂在柔软时可进行模塑，而且在变硬后，模塑的形状就永久地保留下来。当树脂变硬后将其研成粉末，装入模子，再通过加热加压可以使之合为一体。利用这种方法，即使是非常复杂的形状，也可以既便当又迅速地压制出来。此外，这种产品一般不受周围环境的影响。
