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发展化学之未来——挑战与机遇


展望化学之未来: 展望化学之未来:挑战和机遇

唐有祺 近代化学发轫于 18 世纪和 19 世纪之交提出的元素学说和原子学说。此前多少个世纪 都曾进行过与化学有关的实践, 从事物质转化的探索, 其中最有影响的是追求长生不死的炼 丹术和热衷于发财致富的炼金术。 这些实践及其目标都带有极大的盲目性和狭隘性。 在科学 发达的今天看来, 长生不死显然是不可能的, 而炼金术者向往的是一种改变化学元素的人工 核反应。它们不可能成功,但在医药化学和冶金化学方面也曾积累过点滴原始资料,并从盲 目实践所得的教训中终于转向对物质组成的探索。 从 19 世纪初起, 化学进入了持续至今以原子论为主线的新时期。 1860 年化学又理顺了 当量与原子量的关系,改正了化学式和分子式,从而使原子论得以确立。从此,化学的发展 越来越顺当。奠定近代化学总体的理论基础是原子-分子论,简称原子论。它指明:不同元 素代表不同原子;原子在空间按一定方式或结构结合成分子;分子的结构决定其性能;分子 进一步集聚成物体。这个理论的内涵随着化学的发展不断深化和扩展。 在自然科学的各个分支中,化学是侧重在原子-分子水平上研究物质的组成、结构和性 能及其相互转化的学科。 在这种称为化学反应或化学过程的转化中, 原子相互结合的方式或 分子的结构是要改变的。 从天然资源制取所需物资一般都要通过化学过程, 从而出现基于化 学的种种产业。 化学过程的重要性还在于它们普遍进行于包括生物界在内的大自然中。 迄今 能源工业在很大程度上仍有赖于化学过程。 回顾我国开发天然资源以满足人民生活需求的情况,当不难体会化学在解决亿万人民 温饱问题中的作用。基于化学的产业要从天然资源中制取大量化肥、农药、农膜以及钢铁、 塑料和水泥等原材料, 并生产大量合成纤维和橡胶以补农林业之不足。 能源开发以及医药卫 生也离不开化学。总之,要使生活所需的衣食住行以及医药等物资越来越富足,很难离开化 学所能发挥的直接或间接的作用。 化学是分工负责物质在分子层次上变化的学科。 化学掌管 着百来个元素,而且还在不断耕耘周期系和整理天然产物,从而发现的化合物几乎每 10 年 要翻上一番。 现在化学手中的百来个元素和二千万上下化学物种是当今人类所能依赖的物质 宝库。它们能满足人类的物资需求。人类对物资的需求,不论在质量和数量上总是要不断发 展的。围绕这个需求的核心基础学科是化学。即此一端,就会对化学提供无穷无尽的问题和 动力以及造福人类的永恒机会。 在包括经济、文化、科技和教育在内的社会需求的驱使下,化学学科之发展仍有赖于 其他学科和一系列新技术的推动, 其中化学与物理的关系特别密切。 它们早期曾有过约定俗 成的分工。 分工的要点是化学要追究物质的组成, 而物理在研究中则要回避物质组成的变化。 这种分工曾是双方乐意的,并且也取得了种瓜得瓜、种豆得豆的效果。迷恋于追究物质组成 的化学在 19 世纪建成了原子-分子理论, 发现和合成了大量化合物, 揭示了元素周期律和碳 原子价键的四面体向等重大规律。从此,对物质世界的认识大为深入而开阔。这些进展为天

然资源的开发提供了科学依据。 但化学若要对物质的认识再深入一步就需要迎接外来的契机 了。幸好摆弄热、声、光、电、磁等效应的经典物理也已取得了累累成果,为机电工业奠立 了科学基础, 并从 19 世纪末起又在揭示原子内部结构和波-粒二象性中将牛顿力学发展为量 子力学, 使物理学进入近代物理时期。 近代物理对化学的发展不论在实验和理论上都提供了 新的起点。化学与生物学和矿物学等学科也有很深的渊源关系。生物学在 19 世纪后半期接 连出现了进化论、遗传定律和细胞学说等突破性进展,如果要在此基础上进一步发展,特别 是要更多地揭示生命的共性和本质, 极大限度地消除其神秘色彩以及解决农业和医药方面的 问题, 就必须从化学方面来研究生命和生物体, 并将认识的层次逐渐从细胞过渡到分子水平。 化学当时的发展水平正足以迎接这样的挑战, 生物化学得以应运而生。 化学学科在发展中除 了满足社会对它提出的需求外,也对其他学科和技术的发展给予了丰硕的回报。 化学在最近半个世纪中,新的需求不但使自身及其各个分支取得了很大进展,而且还 在分子生物学和材料科学等新学科的奠立上起了十分积极的作用, 同时还迎来了计算机、 激 光、磁共振、新材料和重组 DNA 技术等新事物以及新的发展机会。在这个时期中,化学在认 识原子结合成分子的方式、 依据和规律方面已日趋深入而系统。 这个进展足以代表化学学科 为其他学科和技术的发展所作回报的一个方面。 体系的结构和过程的机制是化学研究中需要 探索的两个带有普遍性的阶段性目标。在此激光、分子束和脉冲等技术大显神通的时代,化 学动力学和动态学也都取得了重大进展。此外,高分子化学、有机化学、无机化学和分析化 学等分支学科也取得了无愧于时代的重大发展。 化学学科的核心任务或今后长远的努力方向大体上可归纳成 3 个方面:(1)开展化学 反应的基础研究,以利开发新化学过程;(2)揭示组成-结构-性能之间关系和有关规律, 以利设计分子或结构和创造新物质; (3)利用新技术和新原理强化分析和测试方法的威力, 使化学工作的耳目趋于灵敏和可靠。 展望今后,化学将一如既往,积极参与材料科学和分子生物学的发展。这两个领域与 化学处在同一个物质结构层次上, 可以分享很大一部分原理和方法学, 而且涉及的是光电子、 信息通信以及健康和福利等新兴产业。 在 21 世纪中,化学在能源和环境产业中也当大有可为。目前环境治理问题已经刻不容 缓。对于防治大气和水污染以及处理污水,化学不但有用武之地,而且还有解铃还须系铃人 的关系。化学界已对绿色工艺十分重视。环境问题在很大程度上也与能源结构密切相关。当 前的能源结构不可能持续很久。利用太阳能发电和制氢以及回收 CO2 都是化学与有关学科需 要一起解决的重要问题。 在能源和环境产业中, 电化学在解决化学能源问题和催化化学在发 展绿色工艺方面都将起到极为重要的作用。 我很同意国外有人这样展望化学的未来:“除了继续培育化学中的核心学科外,在今 后 25 年中,化学家还将揭示生物学中的很多奥秘,并创造出具有神奇性能的物质。” 在最近 15 年中,新物质的创制确实是很可观的,其中最为突出的要推一系列高 Tc 超 导氧化物和以 C60 为代表的富勒烯类物质。 金属有机物和分子筛等的合成化学也有值得注目 的进展。化学家肯定还会在生命科学的发展中继续作出重要贡献。 我们还应该想到事情的另外一方面。我们要看到,生命过程在本质上是化学过程,但 我们所熟悉的化学过程一般还远远不如生命过程那样平易而高效。 在化学学科中化学反应和 创造新物质的研究无疑是具有核心地位的。 现在已有很多蛋白质,如酶和红蛋白等,在生物体中发挥作用的机制可以通过其结构 予以揭示和理解。在生物体中,化学反应都是在酶分子上进行的。酶分子为生命过程充当着 高度专一的高效催化剂。 作为生命“蓝图”的基因谱实际上依附于由 DNA 构成的染色体, 它

们首先为能使生命过程顺利进行的各种酶分子提供了设计。 染色体中也包含了合成其他功能 蛋白质所需的信息。在蛋白质中,两种红蛋白,即血红和肌红蛋白的结构测定得最早,功能 与结构的关系也了解得最为深入。 它们是为脊椎动物分别执行输氧和储氧功能的蛋白质, 其 设计之巧妙令人惊异。 酶分子和其他功能蛋白质分子在执行其所承担的任务时简直是万无一 失的。 它们已被恰当地称为分子机器。 运转生命过程所需的酶分子和其他功能蛋白质分子或 几乎全部分子机器,其设计都存放在通过长期演化所得的染色体中。 在理解这些设计及其作用机制后, 人们学会了借用和模拟这些设计和有关机制的本领。 在 20 世纪 70 年代早期首先发展了重组 DNA 技术, 并已成为制备或生产蛋白质的新方法。 20 世纪 80 年代出现了生产单克隆抗体的技术后,不久人们记起了 Pauling 早在 20 世纪 40 年 代说过的话: “酶可以认为是一个能专一地识别其反应过渡态的抗体”。 这样就逐渐形成了 催化抗体的想法: 若要为某个反应找一个像酶这样的催化剂, 只需为这个反应的过渡态克隆 出抗体来,但过渡态是反应分子在关键部位上有了畸变的活化了的分子,是不稳定的,从而 需要找一个在形状和结合力等方面可以做上述活化分子替身的稳定分子来做抗原。 在考虑开发新化学过程时,对选择性的要求是很严峻的。现在越来越意识到反应的原 子经济性也必须严格要求。 化学反应的这些品格都会通过经济和环境等因素涉及到社会的持 续发展问题。在观摩和欣赏以及认真钻研生命过程的同时,也要有点“与其临渊羡鱼,不如 退而结网”的想法,从而也不可无视自己的优势,即在实验室或体外开发化学过程的优势。 首先,可供选择的反应条件和方法的范围,要比生命过程或生物体内开阔得多。除温度和压 力等条件外,激光等新技术的应用更是值得重视的因素。更有甚者,化学家可以“驰骋”在 整个元素周期系中,得出大量别开生面的新物质,供他们驱使。实际上,随着金属有机物、 分子筛和氧化物载体等物质的设计和合成越来越得心应手, 催化化学等学科在挑战面前赢得 机会的条件也越来越好了。 最近几年,我出于个人兴趣,注意到 John A.Ewen 所做的关于乙烯和丙烯催化聚合的 工作。Ziegler-Natta 催化剂发现于 20 世纪 50 年代,是一个烷基铝与三氯化钛固体的混合 物, 可在低压下生产聚乙烯和聚丙烯, 但对催化剂中金属原子周围的结构以及作用机制一直 猜想多于知识,从而对所得聚合物的结构和性能难于调控。20 世纪 60 年代,P.Cossee 为钛 原子周围设定了合理的配位和原子间距离等几何学参数, 然后通过分子轨道计算, 并从能力 学角度来比较各种反应历程的能量, 得以提出乙烯聚合中链增长的顺位插入机制。 这个机制 让人设想一台在分子水平上起作用的“纺车”(或称分子纺车),增长中的链与单体分子往 复于两个顺式配位之间。

当时文献中已有工作指明,在与环戊二烯的络合物中金属原子带有正电荷,其性能当 与 Ziegler-Natta 催化剂中的基本一致。John A. Ewen 在这些工作的基础上,将二环戊二 烯及其衍生物与钛等金属原子的络合物开发成为聚合乙烯和丙烯的催化剂, 并称之为小分子 机器。 通过对两个环戊二烯分子之间结构和对称性的安排, 调控了聚乙烯链的支化和聚丙烯 侧链的定向, 并取得了效益。 他还从两个环戊二烯分子之间安排不同对称性得出了聚丙烯侧 链的两种定向,正足以证实 Cossee 所提的单体分子往复于两个顺式配位之间的顺位插入机 制。这种机制可图示如下:

式中[(CP)2]代表二环戊二烯及其衍生物,R′基要比 R 基增长一个单体,等等。Ewen 的工作一箭双雕, 既弄清楚了催化剂的作用机制, 也解决了聚乙烯支化和聚丙烯定向的调控 问题。


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