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1915 · 維爾施泰特與葉綠素#

1915 諾貝爾化學獎：里夏德·馬丁·維爾施泰特（Richard Martin Willstätter，1872–1942，德國）——表彰「其對植物色素，尤其葉綠素之研究」。因第一次世界大戰，德國得主的獎章實際頒發延至 1920 年。

懸案（案情提要）#

1900 年的化學教科書上，葉綠素是化學界最大的集體尷尬：

  • 它是世界上最重要的有機物——幾乎所有食物鏈都靠它啟動，地球的大氣與海洋都因它而改變；
  • 它是純綠色的，但「葉綠素」這個名字下其實是一團黃綠、藍綠、褐綠、墨綠的糊狀物，沒有人能說出它到底是幾種物質；
  • 它在十九世紀幾乎無法結晶，因此分子量無法測定、化學式無法確定；
  • 它與血紅素（hemoglobin）在化學上明明不像，但都與生物的「呼吸」與「光合」有關——它們之間到底有沒有共同骨架？

更早還有一樁已結案卻留下兩案的舊懸案：可卡因（cocaine）——1880 年代 von Coca 帶回歐洲的「古柯」活性成分，1890 年代德國化學家爭論它在植物體內的形態與藥理作用的關係，其結構長期無法確定。

偵辦人：慕尼黑的里夏德·維爾施泰特——一個把「不純的東西」當成案件核心來處理的程序主義者。

前因#

年份 事件
1872 維爾施泰特生於卡爾斯魯厄；父為報紙編輯，家境小康，靠獎學金讀慕尼黑大學。
1894 以芳香族硝基化合物研究取得博士學位，師從阿道夫·馮·拜耳（見 1905-拜耳與靛藍案）——化學結構研究的訓練。
1896–1898 破解可卡因結構：確定其骨架為托烷烷（tropane）雙環（\(\mathrm{C_8H_{13}N}\) 含氮橋環），並定出苯甲酸酯與甲基酯的位置。這是天然生物鹼結構史上第一次精確解剖，托烷烷生物鹼研究自此開展（古柯鹼、莨菪鹼、東莨菪鹼的關係被逐一理清）。
1905 慕尼黑大學教授，主持「植物色素」研究計畫。
1906–1907 用分級沉澱與分級萃取（在色層分析誕生前）把「葉綠素」拆成葉綠素 a（藍綠）與葉綠素 b（黃綠）——本案的第一份分離證物。
1910–1912 與漢斯·費歇爾（見 1930-漢斯費歇爾與血紅素）合作，以降解法確立葉綠素的四吡咯環大環骨架：葉綠素降解可得吡咯衍生物，去鎂後得血卟啉類物質——證明葉綠素與血紅素同屬卟啉家族。
1912–1915 測定含鎂量確立中心金屬為 \(\mathrm{Mg}\)；確立大環的次甲基（\(=\mathrm{CH}{-}\)）橋結構。
1915 獲諾貝爾化學獎。
1917–1924 轉入生物化學，研究生理活性物質（前列腺素、腸泌素等）。

調查#

偵查一：分離術——用「分級」而非「溶解」。

維爾施泰特面對的是糊狀混合物：葉片先以丙酮萃取得綠色溶液，再以石油醚處理，綠色物質分成兩層——上層石油醚層帶走黃綠素（a），下層留下黃綠素（b）。他再以分級沉澱（用 \(\mathrm{BaCl_2}\)、\(\mathrm{CuCl_2}\) 等金屬鹽在不同濃度下選擇性沉澱）分離得更細。關鍵在於：每一輪分級都以再分析確認組成，而不是看顏色。

色素 溶解性 顏色 螢光 後來確定的分子式
葉綠素 a 溶於石油醚 藍綠 紅色 \(\mathrm{C_{55}H_{72}MgN_4O_5}\)
葉綠素 b 溶於丙酮 黃綠 紅褐 \(\mathrm{C_{55}H_{70}MgN_4O_6}\)
葉綠素 c — 褐綠 — \(\mathrm{C_{53}H_{70}MgN_4O_5}\)
葉綠素 d — 灰綠 — （與 a 異構體）

1915 年他已分離出 a、b、c、d 四種——「葉綠素」這個詞從此被廢止，改為複數。

偵查二：降解——把大分子拆成可指認的碎片。

維爾施泰特的方法是化學偵查的古典套路：葉綠素以酸處理 → 去鎂的綠素（chlorin）；再以強鹼高溫降解 → 一系列吡咯衍生物（吡咯、吡咯甲酸等）。而關鍵比對是：

\[\text{葉綠素} \xrightarrow{\text{去鎂}} \text{綠素} \xrightarrow{\text{降解}} \text{吡咯衍生物} \quad \text{vs.} \quad \text{血紅素} \xrightarrow{\text{去鐵}} \text{血卟啉} \xrightarrow{\text{降解}} \text{吡咯衍生物}\]

兩條降解路徑給出同族碎片——葉綠素與血紅素是同一家族的兩名成員。這是本案最漂亮的結構結論：光合作用與呼吸作用，在分子層面共享骨架。

偵查三：中心金屬與配位——鎂的重量。

以灰化與灼燒稱量，維爾施泰特測出葉綠素含鎂約 \(2.1\%\)（對 \(\mathrm{C_{55}H_{72}MgN_4O_5}\) 計理論值約 \(2.7\%\)，當時測值偏低）。鎂的存在，配合卟啉四吡咯環的氮孤對電子排布，確立了中心金屬被四個氮原子平面配位的結構模型——這正是 1913 年維爾納的配位幾何（見 1913-維爾納與配位化學）在生物分子上的首次應用。

偵查四：光譜證詞——兩條吸收帶。

葉綠素的綠色來自它只吸收紅光與藍紫光：

\[\lambda_{max}(\text{a}) \approx 430\ \mathrm{nm} \ (\text{藍紫})\ \text{與}\ 662\ \mathrm{nm}\ (\text{紅}) \quad ; \quad \lambda_{max}(\text{b}) \approx 453\ \mathrm{nm}\ \text{與}\ 642\ \mathrm{nm}\]

以光子的能量公式對照：

\[E = \frac{hc}{\lambda};\qquad E(430\ \mathrm{nm}) \approx 2.88\ \mathrm{eV},\quad E(662\ \mathrm{nm}) \approx 1.87\ \mathrm{eV}\]

兩個吸收帶對應大環 \(\pi\) 系統的兩類電子躍遷（\(S_1\)、\(S_2\)）——1915 年時這還只是經驗規律，但它預告了 1940–50 年代葉綠素光化學與光合作用能量傳遞理論的問題意識。

理論裁決#

判決一：卟啉大環結構。 維爾施泰特與費歇爾裁定葉綠素含四個吡咯環（pyrrole），各環以次甲基橋相連形成環狀共軛大環，鎂居中央由四氮配位：

\[\text{吡咯環} \times 4 \;\xrightarrow{\;\text{四次縮合}\;}\; \text{大環骨架}\ (\text{bilatriene})\]

其電子系統的 \(\pi\) 電子雲延展造成可見光吸收帶；共振結構（含互變異性）說明其顏色深度與螢光壽命。

判決二：去鎂與去鐵的對稱實驗——跨系統的同一性證據。 葉綠素去鎂得綠素、血紅素去鐵得血卟啉；兩者的降解產物同族。此「去金屬對稱實驗」是生物化學史上第一次跨分子的結構對齊，開啟了血基質、膽色素、葉綠素共祖的「卟啉王國」研究。

判決三：色素命名法與分離倫理。 「葉綠素 a/b/c/d」的命名規則與「先分離、後命名、再研究」的次序成為植物化學的標準作業程序；維爾施泰特堅持任何被稱為「葉綠素」的物質都必須有熔點、元素分析、吸收光譜三份證詞——今日化學品純度報告的雛形。

後果#

領域 影響
光合作用 葉綠素結構與吸收光譜是理解光合作用能量傳遞的基礎；卡爾文循環（見 1961-卡爾文與光合作用）的同位素追蹤實驗建立在同一套色素化學上。
結構生物學 「卟啉大環」家族的解碼，直接導向血紅蛋白結構（見 1962-佩魯茨與血紅蛋白）與觸發反應中心（見 1988-光合作用反應中心）的結構解析。
藥理學 可卡因的托烷烷骨架破解開啟了生物鹼化學；其後的局部麻醉藥（古柯鹼 → 普魯卡因 → 利多卡因）與抗膽鹼藥均沿此線。
醫學 光動力療法（血卟啉衍生物accumulate 於腫瘤，受光產生單態氧殺傷細胞）是葉綠素—卟啉家族的醫療應用。
學派 慕尼黑門生出了溫道斯（1928，維生素 D）、施陶丁格（1953，高分子）、威蘭（1927，膽汁酸）——維爾施泰特的實驗室是德國化學的黃金世代搖籃。
科學史地位 維爾施泰特 1915 年得獎時，德國身處戰爭；他的植物色素研究幾乎被同時代的化學武器研究遮蔽（本人在戰時亦參與戰地化學工作），但其色素與生物鹼成果在戰後重獲評價。

關聯#