化学的继往开来

" 化学真正被确立成为一门科学大约在18世纪后期。工业革命推动社会生产的空前发展，给化学研究提供了必要的实验设备和研究课题。燃烧过程在生产中的普遍应用，促使人们开始研究燃烧反应的实质。最初，认为一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物质吸收或释放一种“燃素物质”的过程，而命名为燃素学说。它对当时已知的许多化学现象作出了定性的解释，但也还存在着许多的矛盾，如它不能解释金属煅烧时，燃素从中逸出后，质量反而增加的事实。18世纪后期，当发现氧气之后，法国科学家Lavosier A L在实验的基础上，证实燃烧的实质是物质和空气中的氧气发生的化合反应。氧化燃烧理论代替了燃素说。Lavosier提出的化学元素的概念，并揭示了众所周知的质量守恒定律。因此Lavosier被公认为“化学之父”和化学科学奠基人。

19世纪初，由于化学知识的积累和化学实验从定性研究到定量研究的发展，关于化合物的组成也初步得出了一些规律，如化合物定组成定律以及化合量定律。在这些实验的基础上，英国科学家Dalton J开始孕育一种关于“原子”的新思想，他认为物质是由不能再分割的原子所组成，原子不能创造也不能消灭，每种元素当它与其他元素化合时都是以原子为代表的最小单位一份一份地进行。DaltonJ的原子论合理地解释了当时已知的一些化学定律，而且开始了原子量的测定工作，并得到了第一张原子量表，为化学的发展奠立了重要的基础。化学由此进入了以原子论为主线的新时期。

Dalton的原子论对化学发展虽有重大贡献，但由于受当时科学技术发展水平的限制，受机械论、形而上学自然观的影响，因此它仍存在着一些缺点和错误。尤其是在揭示了原子内部结构之后，原子不可分割的论点明显需要进行修正和补充。另外，他未能区分原子和分子，因此，Dalton原子论与有些实验事实之间存在着一些矛盾。

到1869年已有63种元素为科学家们所认识，测定原子量的工作也有了很大的进展，原子价的概念已得到明确，对各种元素的物理及化学性质的研究成果也越来越丰富。在此基础上，Mendeleev DI和Meyev L深入研究了元素的物理和化学性能随原子量递变的关系，发现了元素性质按原子量从小到大的顺序周而复始地递变的周期关系，并把它表达成元素周期表的形式。元素周期律的发现对化学的发展，特别是对无机化学的系统化，起了决定性作用。至于元素的发现及原子量的准确测定则归功于经典化学分析的建立和完善，也可以说它们是发现周期律的实验基础。18世纪末到19世纪中叶，随着采矿、冶金工业的发展，定性化学分析的系统化、重量分析法、滴定分析法等逐步完善。最享盛誉的分析化学家Berzelius JJ的名著《化学教程》（1841年）记载着当时所用实验仪器设备和分离测定方法，已初具今日化学分析的端倪。尤其是滴定分析法（如银量法、碘量法、高锰酸钾法等）至今仍有广泛的实用价值。现代的仪器分析法虽具有快速灵敏等优点，但试样的预处理及测定结果的相对标准等仍是与经典化学分析法相辅相成。

1858年KekuléF A总结出碳原子是四价。这时，关于有机化合物分子中价键的饱和性已经比较清楚了。不久碳原子的四面体向价键的方向性也被揭示出来。价键的饱和性和方向性的发现，奠定了有机立体化学。这样，有机合成就可以做到按图索骥而用不着单凭经验摸索了。这对有机化学的发展是非常重要的，至今它仍然是有机化学最基本的概念之一。

借助于近代物理学的进展，化学得到了如虎添翼般地迅速发展。不仅自然界中存在的“未知元素”逐一被发现，而且还在实验室中人工合成了自然界尚不存在的元素。有机化学也得到了长足的发展，在实验室中不仅分离和提取了一系列天然有机产物，而且还合成了一些自然界未曾发现的化合物，并逐步兴起了有机合成化学工业，尤其以染料和制药工业最为突出，煤焦油和石油等各种天然资源的开发和综合利用也相继向前推进。到了20世纪30年代，随着有机化学和有机合成工业的发展，世界进入了人工合成高分子材料的新时代，合成橡胶、合成纤维和合成塑料等新材料的成批生产，都是化学家的卓越贡献。

化学学科长久的任务是整理天然产物和耕耘周期系，不断发现和合成新的化合物，并弄清它们的结构和性能的关系，深入研究化学反应理论和寻找反应的最佳过程。这个化学学科的传统特色，肯定还要继续发展下去。另一方面，当今化学发展的一个特点是积极向一些与国民经济和人民生活关系密切的学科渗透，最突出的是与能源科学、环境科学、生命科学和材料科学的相互渗透。化学面临着新的需求和挑战，同时随着结构理论" 和化学反应理论以及计算机、激光、磁共振和重组DNA技术等新技术的发展，化学对分子水平的掌握日益得心应手，剪裁分子之说应运而生，即按照某种特定需要，在分子水平上来设计结构和进行制备，化学的研究对象也不局限于单个化合物，而要把重点放在复杂一些的体系上，这样必然会促使化学更重视贯通性能、结构和制备三者之间关系的理论，增强功能意识。这就形成了化学发展的一个新方向－－分子工程学。

现在，化学在材料科学和生命科学中的作用和地位越来越显著，下面仅从这两个方面举例介绍一些化学前沿的动向和进展。

智能材料 能源、信息和材料是国民经济的三大支柱产业，而材料又是能源和信息工业技术的物质基础，新能源的开发，信息工程中信息采集、处理和执行都需要各种功能材料。设计和合成具有各种特殊性的新型材料是化学家施展才能的广阔天地。在第7，8两章中已介绍了一些无机材料和高分子材料。目前在新材料领域中，正在形成一个新的分支－－智能材料。智能结构常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得似乎有“感觉”，使被动性的功能材料向具有主动功能的机敏材料发展，这类材料将具有自诊断功能和自愈合功能等。例如在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤材料，用于机翼制造，由于复合材料中布满了纵横交错的光纤，它们能像“神经”那样感受飞机机翼上的不同压力，通过测量光纤传输光时的各种变化，可知机翼承受的不同压力。在极端严重的情况下光纤会断裂，光传输中断，于是就能向飞行员发出事故警告。再有一种更巧妙的方法是把大量空心纤维埋入混凝土中，当混凝土开裂时，事先装有裂纹修补剂的空心纤维也会裂开，并释放出粘结修补剂，把裂纹牢牢地焊在一起，防止混凝土桥梁断裂。

还有一类智能材料是仿生智能材料，它是在研究一些动物和植物活体的基础上，掌握生物所具有的特异功能，设法把这些研究成果用于智能材料的设计和制备。例如人们知道贝壳很硬而又不易摔碎，于是就去研究贝壳的结构，发现它是由许多层状的碳酸钙组成，每层碳酸钙之间夹着一层有机质，把层层碳酸钙粘在一起，贝壳之所以不易破碎是因为在一层碳酸钙中出现的裂纹不会扩张到其他碳酸钙层中去，而被中间那层柔软的有机质阻挡住了。人们从中得到启示，制造出一种不易破碎的陶瓷材料。英国CrickW博士选择了碳化硅陶瓷，将其烧成薄片，然后在每片碳化硅陶瓷上涂上石墨层，再把涂有石墨层的碳化硅陶瓷层层叠起来加热挤压，使坚硬的碳化硅陶瓷粘结在石墨上。石墨和贝壳中的有机质一样，起着粘结剂作用。这样的陶瓷受到冲击力时顶多是使表面几层破碎脱落，而且表层脱掉后能把大部分能量吸收，避免整个零件破碎。试验证明，折断涂有石墨层的碳化硅陶瓷所用力量比没有石墨层结合的碳化硅陶瓷要高100倍。英国利用这种陶瓷材料制造了一台耐高温而不需冷却系统的陶瓷汽车发动机。可以说这是研究仿生智能材料的一个典型实例。智能材料或仿生智能材料现已成为材料科学的一个重要研究领域，各国科学家正在为此作不懈的努力。人们研究鲸和海豚的尾鳍，飞鸟的鸟翼，希望有朝一日能发现像尾鳍、鸟翼那样柔软，既能折叠又很结实的材料；研究竹子抗弯、抗裂的结构，试图将竹子的特性广泛用于飞机、火箭制造中。总之，在未来智能材料的研究中，为化学家开辟了一个充满生机和挑战的全新领域。

电子通讯技术和计算机技术等方面的飞速发展，迫切需要更复杂、更小巧的电子器件。因而在分子水平上生产电子器件，已提到分子设计和分子工程学的议事日程上。目前世界上许多发达国家竞相投资，加紧开发和研制“分子元件”，其中以分子导线和分子开关的研制最令人关注。

N－邻羟亚苄基苯胺光控分子开关，的确是一种十分精巧的设计。但是，要将这种有机分子开关按指定的部位，引入导电聚合物，还有待于进一步探索。当然，要使分子器件设想转变为现实，还要做许多基础性研究工作。不过，我们相信随着科学技术的发展，人们对客观事物的深入了解和掌握，分子器件甚至分子电子计算机的问世，都将不会是遥远的科学幻想。

探索生命的奥秘 当代化学研究与生命科学的关系越来越密切。历史上化学家从分子水平研究了重要生命物质（如蛋白质和核酸）的结构。如今化学家又在更深的层次上（即分子与分子集合体水平上）了解和认识更为复杂的生命现象。随着今后人们对生命现象本质认识的提高和深化，一定会将化学带入一个崭新的天地，从而给人类社会的进步以深刻影响。

化学是在分子水平上研究物质运动的科学。生命运动的基础是生物体内物质分子的化学运动。因而，揭示生命运动的规律必定以认识生物体内的物质分子及其运动为前提。再者，生物体内的化学反应有温和、定向、高选择性、高产率的特点。因此，从化学的角度来研究生命过程，大致可以从以下两方面出发：用纯化学手段在分子水平上了解生命现象的本质；借助于有机合成和分子集约化手段创造出不同程度上再现生命现象的纯化学体系。化学家参与生命科学研究的主要武器在理论上是分子的微观结构概念和键力与非键力相互作用，化学反应动力学与机理等；在实验上是成分分离与分子结构分析、合成与模拟、反应速率与过程的测定等。目前，化学对于生物物质的研究对象已由常量、稳定的物质发展到微量、不稳定的物质；由单一分子发展到分子集合体；由静态研究发展到动态研究，对生命化学过程的研究已深入到飞秒级（1×10-15s）的快速过程。下面就以当前开展比较活跃的一些领域为例作些介绍。

蛋白质、核酸和糖类是生物体的三大基本要素。蛋白质掌管生物体内各种生物功能，例如酶是一类具有催化作用的蛋白质，生物体内的所有反应几乎都是由酶催化完成的；而核酸中储存着生命体的全部遗传信息，它是构造一切生物有机体的总设计师；糖不仅为生物有机体提供建筑材料和能量来源，而且还是高密度的信息载体，具有重要的细胞识别能力。研究这些生命物质的结构与功能的关系，将帮助人们从分子水平上了解生命现象的化学本质。

核酸分成脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），它的功能主要是贮存、传" 递和表达生物体的遗传性状。这些功能是与其结构紧密相关的，一定的结构决定了一定的功能。科学家可以利用离体的DNA重组技术，实现转基因动植物的产生与培育，进行基因治疗，促进有用蛋白质的生产，以及创造出能合成有重大经济价值的细菌等。这就是通常说的基因工程或遗传工程。

蛋白质可以被视为一种分子机器，它可以精巧地完成生命特定的功能，例如血红蛋白的输氧功能，酶的专一性催化作用等。对于蛋白质分子机器运作机制的了解，主要依赖于蛋白质中原子结构细节的知识。下面在血红蛋白三维结构的基础上谈谈它们是怎样执行储运氧分子的。血红蛋白分子活性部位是血红素的含铁辅基，铁（Ⅱ）原子坐在辅基中央，它可以与其他六个配位原子相结合，其中四个配位N原子在血红素平面上，如下图所示：

第五配位和第六配位则处于平面的上方和下方。在血红蛋白中第五配位是一个组氨酸（His F8）的N原子，第六配位是O2等分子，在其附近还有另一个组氨酸（His E7），它能影响进入第六配位的分子，如图12－4所示。以下讨论第六配位的情况。

血红蛋白具有输送氧气的功能，从肺气泡中取氧气，然后输送给肌红蛋白分子和其他需要氧气的细胞和部位。肌红蛋白有贮存氧气的功能。

血红蛋白和肌红蛋白都可吸收和释放氧气，只是血红蛋白在氧气压力稍高或稍低时，即可吸收或释放氧气，而肌红蛋白一般是吸收氧气的，只有在氧气压力很低、肌肉十分需要氧气时，才会释放氧气。

多年来化学一直向往着分子工程学这样的目标。进入分子水平的生物学为我们提供了所需蛋白分子的蓝图和模板。随着DNA重组技术的发展，基因工程发展到蛋白质工程，它与一般基因工程所不同的是往往要对天然基因进行改造，从而制造出与天然蛋白质不同的、更符合人们特定需要的非天然蛋白质。蛋白质工程的发展主要是由于天然蛋白质往往不能满足人们特定的需要，如工业上用的酶需要能抗酸、碱及耐高温等，而医用蛋白质则希望能降低毒性、提高活性及延长使用时间等。因而必须通过人为的方式对天然蛋白质进行改造，甚至从头设计出一种自然界不存在的全新蛋白质，然后可以通过基因工程方法制造出来，也可以通过多肽合成的方法化学合成出来。

酶是一类具有高度选择性的催化作用的蛋白质，它能在众多的养分中识别出正确的反应物，并且把它造成需要的结构形式。酶的这种本领早就吸引了化学家的研究视线：提纯天然酶、测定它的结构、应用化学合成技术合成、研究酶的催化机理、对酶功能模拟、设计合成新的人工酶并将它们应用于化学反应中，这是化学家极感兴趣的领域。虽然迄今为止所取得的进展还是初步的，但所需要的科学积累和实验技术都已基本解决，可以预计今后一定会取得很好的成果。

长期以来，人们把糖只作为生物的能量来源和结构物质，而没有认识到糖在细胞识别中的重要作用，因而还没有达到像对待核酸（遗传物质）和蛋白质（功能分子）一样的重视程度。直到20年前，由于对细胞在分子水平上研究的深入，生物化学家和化学家才对长期被忽视的糖蛋白和糖脂发生了兴趣。人们已经发现细胞的很多作用，如细胞表面的相互作用、分泌和摄取、变异和转化，细胞调节及识别等都直接依赖于糖复合物（糖蛋白和糖脂）。糖分子的结构研究是糖化学研究中的重要方面，由于糖分子结构复杂性及理化性质的特殊性，目前对糖分子的结构信息人们还了解得很少。高分辨核磁技术与量子化学、分子力学等方法相结合，可以综合应用于糖分子的构象研究。另外，要寻找新的化学合成方法和生物技术，开展糖合成方法的研究，相信在化学家们的努力下，糖的结构测定和合成方法将会有新的创造和突破。

目前，我国已在十大基础科学研究攀登计划首批项目中，集中化学界有志于生命科学研究的优势力量，加强学科之间的交叉，开展糖化学、蛋白质的全新设计和合成以及生物催化等生命过程中重要化学问题的研究。这将加深对生物大分子结构、结构与功能关系以及它们在生物体中作用机制的认识.