新层次上的化学-化学发展动向之一

1999-02-24

新层次上的化学-化学发展动向之一 1 化学的过去与未来 在过去一个世纪里,化学起了推动人类进步的决定性作用,没有化学, 就 没有现代人类文明。那么, 为什么近年来我们常常讨论化学向何处去这样一个 问题?化学确实正面临不被人了解和理解的困境。尽管人类生活在化学所创造的 物质世界之中,但是许多人并不认为离不开化学。 且不说由于环境问题和安全 问题,公众不理解化学,就是在科学界也有人认为在理论上和方法上, 化学都 起不了,先导作用。与此同时,化学家却固守阵地,埋头苦干、 不断努力耕耘 和收获。化学物质以及化学信息数量迅猛增加,但是久而久之,自己也感到如此 下去如何达到新境界,出现新突破?生命科学、材料科学和环境科学被认为将成 为下一世纪科学发展的先导之后, 一部分化学家也争先恐后地挤到那些领域中 去寻找生长点。可是,不仅很难找到化学的生长点, 甚至在化学本应发挥作用 的地方也难找到用武之地。有些化学家反倒归化到其它学科, 做着那些学科的 事。难道化学真象有些人说的那样,已经没有意思了吗? 事实上,每一个学科都是在兴衰交替的情况下发展的。 所有学科都是先从 描述性科学开始,然后总结出概念和规律,特别是定量的规律, 再上升到有理 论的学科。只不过不同学科发展前后快慢不同。 在基于观察和分析的描述性阶 段。人们能够观察和测量的东西是有限的。因此,在发展到一定程度时, 如不 开拓和转移,不上升到理论,就会出现到达认识“顶峰”的误解。 物理学在上 世纪未曾经发生过危机。人们认为物理学已经发展到了顶峰, 再也没有什么可 研究的了。但是,没有多少年, 放射性和以后基本粒子的发现以及对原子结构 的认识使物理学进入一个新层次,得到了极大发展。理论物理、原子物理、 量 子力学成为热门领域。人们甚至认为物理学是打开物质世界的基本钥匙。 有了 它,便能解释一切、预见一切、创造一切。就在物理学开始兴旺发达的时候,以 发现和描述自然界存在的物种为主要目的的生物学正处在低谷之中。 虽然生物 物种数目可以认为是无限的, 但是这种常规工作已经提不起生物学家的兴趣。 就在这时,DNA和蛋白质结构和功能关系的阐明给生物学注入新生命。在短短一 二十年中,几乎每一生命科学分支都冠以分子二字, 从这一新层次研究生物现 象成为一时风尚。尽管分子生物学这个名称一直被不恰当地使用和理解。 尽管 它远不能概括从分子层次去研究生命现象的所有内容, 但是它已经成为近二三 十年最富吸引力的学科。它把生物学推到所有自然科学的牵头学科的前沿地位。 天文学也曾有生物学同样的兴衰史。 这一最古老的学科的研究和主要目标是认 识我们头上那些天体。虽然宇宙也是无限的,是认识不完的, 但是那种依靠做 成一个看得更远的望远镜去发现新天体的工作似乎不大可能产生新的突破了。 但是自从进入分子和亚分子层次,并且把研究对象扩展到星际空间以后, 现代 天文学也得到突飞猛进的发展。这些学科都经历了困苦而后蜕掉了几层皮, 从 传统里走厂出来,从而得到新的发展。化学就与这些学科不同。从表面看, 化 学已较早地认识了一个一个的化学元素而且找到规律,画出了周期表。 周期表 上的所有位子都已填满。但是化学并没有感到危机。 为化学合成很早就成功地 打开了一条大道。 依靠化学能够创造自然界本来没有的物质能够改造原有的物 质。在过去一二百年中,化学各分支学科全面出击,获得一个一个的胜利。 化 学位农业得以发展养活迅速增长的人口。 它不断推出新药物战胜了许多疾病的 威胁。 它不断推出新材料替代了日益短缺的而且有各种缺欠的天然材料等等。 本世纪化学发展似乎如日中天, 因而谁也没有想到化学正在慢慢接近一个迷离 状态。这种状态有公众对化学的不理解的缘故, 也有其它学科对化学与各学科 的关系认识不够的缘故。但是也要看到一个内在的因素:我们没有经历物理学、 生物学和天文学那样的危机,所以也没有从经典学科思路中走出来。因此, 总 结它们走出低谷焕发青春的经验有利于我们迅速调整目标和战略, 促进化学学 科迅速发展。 2 化学学科发展方向 我们讨论学科发展方向,不能只看前沿和热点c在化学近朗发展史中,有过 象冠醚(crown ether)、C60这样的明星化合物。它们可以带来激动, 吸引人们 的研究兴趣。但是仅仅围绕它们在同一层次,用同一指导思想做工作,填平补齐, 拾遗补阙,很难创造出能推动化学走出低谷的条件。 生物学走向分子水平并非 因为大家都在研究DNA和蛋白质结构,而是从那里找到方向。这个方向不是、吸 引大家都去做某一特定问题的研究, 而是使绝大多数生物学家都看到了他们在 自己领域中进行新一轮或者新层次研究的广阔前景。因此, 我们要提出的仅仅 是发展动向而不是任何重大课题。 2.1 分子以上层次的化学 在科学发展萌芽时期,每一学科都认准自己的研究领域和层次。而层次(或 者水平level)的突破是最主要的突破口。 化学一向给自己限定活动范围在分子 与原子之间的层次。我们最擅长的是分析与合成。 其基本方法是把分子拆成原 子或原子基团,或把原子或原子基团再键合成分子。基于这一思路, 就有创造 出新物质的无限可能。我们在过去一二百年中, 认识了无数自然界存在的千奇 百异的天然化合物,合成了无数自然界没有的新物质。满足了人类千万种需要, 体现了人定胜天的伟大规律。但是化学始终没有离开原子--分子层次。 正当我 们自己为化学的巨大成就而高兴和自豪,仍然沿这一传统方向, 按传统思路继 续努力的时候,其它学科却从前辈奋斗了几百年的层次中打开洞口, 走上另一 层次,发现了“新大陆”。生物学、 天文学和物理学之所以能够在面临研究对 象的益一般化,研究方法学的日益规范化, 学术思想日益停滞的困难情况下走 出困境,主要因为它们在研究层次上有所突破。往下, 物理向原子及原子以下 层次发展;往上,向天体和宇宙发展;上下兼顾,从细胞到整体生物, 向生物 体系的全层次发展。原子物理、天体物理、 生物物理的出现一次一次地给物理 学带来新生命。生物学先从整体生物层次到细胞层次是一大发展; 后向分子层 次又一次大发展。 可以认为所有学科都已经历过层次和尺度上的调整, 而且现在还在调整。 对于化学来说,无论从自身和其它学科都几曾接近这种调整,但是都失之交臂。 表面化学和胶体化学早就提示分子以上还有一个新世界。化学没有理会。 例如 胶体化学早就研究纳米级颗粒而且也曾发现当粒度变小, 小到一定程度时会有 性质的突变。但是最后还是物理学家提出的介观尺度(mesoscopic scale)概念。 等概念一出来,化学家又觉得它的种种都似曾相识, 为什么我们就没有从理论 上和方法上研究这个问题呢?生物化学的出现又是一个机会叫化学家认识到一个 以前未能涉及的层次。100 年前就被酶学提出复合酶系统 ( complex enzyme system)概念,后来的生物膜研究结果再一次向我们招手。 但化学仍然没‘能 做相应的研究层次的调整。使得从生物医学到化学之间的辽阔领域中, 化学理 论和方法起不了它应有的推动作用。 现在谁都承认,决定功能的不仅是构成系统的基本分子的理化性质, 还要 看分子怎样组装成为分子聚集体(molecule aggregate)的。生物系统、 材料系 统以及环境中的许多系统都是如此。现在应该看到,生物学、物理学、 环境科 学,材料科学极其需要化学家出来解决一些关键问题。 发展分子以上层次化学 已成为一个趋势。 分子以上层次的化学不等于超分子化学 ( supramolecular chemistry)。Lehm提出的超分子化学概念已大大超过原来生物化学给定的范围。 它也包括了由分子通过原子间强相互作用形成的分子, 是主一客体化合物 (guest-host complexes)的更宽的概括。 因而许多超分子研究仍是在原有分子 一原子层次上进行的。 应该说分子以上层次化学中心在于通过分子间力形成的 有序高级结构(orderly higher structure)。 从现有的各个方面研究结果可总 结几条关于有序高级结构的规律: ·分子聚集体的功能在很大程度上由其有序高级结构决定; ·在有序高级结构中的分子是以一定方式通过分子问弱相互作用组装起来 的; ·分子间弱相互作用在功能分子聚集体的构筑上起重要作用; ·分子如何构筑或组装成有序高级结构取决于基本分子的一级结构和组装 时的反应条件。在这方面,有几个需要回答问题: ·在结构方面,需要回答分子间的弱相互作用是怎样产生、怎样变强的,有 序性是样产生的? 分子的“一级”结构是怎样决定分子聚集体的高级结构的?分子 聚集体这个层次的构型和构象与构成它的分子的构型和构象有什么依赖关系?高级 结构的动态稳定性是如何维持的? ·高级结构的形成,再造与修复是分子聚集体的特殊化学问题。它不是“一 次完成”的,也不是先后分步进行的,而是通过由若干反应组合的过程实现的。 重要的是回答参与的各个反应如何通过热力学和动力学被控制而有序地组合在 一起的。 ·结构识别是有序高级结构之所以形成,能够再造和修复的最基本的性质。 以前常用选择性来描述分子间的识别。 现在通常说的分子识别实际是局部结构 特征的识别,象对手性结构,对局部形态, 对局部电荷或疏水性分布的识别。 这种识别是如何实现的? 我们可以从其中需要回答的问题看到化学在这一新研究层次中不可取代的 作用: ·原来以研究合成新分子为目的的合成化学应该进一步研究分子构筑学 (moleculartectonics),即在研究如何合成分子的同时寻找把分子构筑成不同高 级结构的途径。 ·理论化学要阐明分子间弱相互作用是怎样通过集切效应 ( collectiv — effect)变成相当强的作用并产生自组装过程形成有序高级结构。从而提出颈测 高级结构和设计高级结构的方法。 ·过去一直把重点放在原子间的键合以及这种键合构成的分子结构的结构 化学可以研究高级结构中的结构特征与性质和功能的关系。 ·反应化学应研究具有高级结构的分子聚集体是如何形成, 如何参与化学 反应,以及当外来物质作用于具有高级结构的分子聚集体时,分子聚集体是如何应 答(respond)的。 ·分析科学作为一种方法学应该研究测定高结构的方法和跟踪在其中发生 的事件的手段。 现在化学和生命科学正在通过对生物构研究与构筑研究相互融合。 化学家 从下往上.由原于到分子,由分子到分子聚集体生物学家从上往下, 由整体生 物到细胞,到分子聚集体。两方面从不同方向走到同一层次上来了。 都认识到 有序高级结构是这个层次的重要结构特征。 现在的材料科学和化学也都充分认 识到有序高级结构是高级功能材料的灵魂。 材料科学多年来设法用物理的方法 做成具有高级结构的复合材料(compsite materials),但一直达不到天然材料 那样的有序性。其根本原因在于天然有序高级结构是通过化学形成的。 只有化 学研究揭示这种高级结构是怎样形成,怎样调控的才能达到能够设计, 能够预 测的水平。以前,还不认识在环境科学中, 有序高级结构化学研究的重要性。 环境科学是最初从原子或分子层次对有害物质进行分析监测、从物种层次(仍是 分子一原层次)研究动向,很少研究分子以上层次问题。事实上,土壤、天然水 等环境系统无不包含高级结构,甚至是有序高级结构。 例如天然水中的沉积物 和悬浮物中的微粒(如铁氧化物)与有机大分子(如腐植酸)相互作用时, 微粒和 大分子的缠绕形成有序聚集物。 你只要从分子一原子层次上升到分子以上层次, 你就会有一种天外有天, 豁然开朗的感觉, 你会发现几乎任何一个化学分支都可以找到它能够发挥而且 是不可缺少的作用。 2.2 复杂系统的研究 分子以上层次的化学是研究化学、生物学复杂系统的一部分。自然界是复杂 的。在现代科学萌芽的时期,人类的研究能力无法对这些复杂系统进行研究。在 古代,很长时期中,面对自然界的复杂表现人类处于恐惧与迷信之中。要打破这 一阴霾气氛, 首先要树立自然现 象是可以认识的这一观点。在这方面.牛顿起了伟大的形成作用。 他所建立的 统治科学界几百年的哲学与方法,可以用简化、理想化和数学化来概括。 对复 杂系统进行简单化处理曾经取得一系列重大发现和理论成果。 在科学研究中, 简化处理已经成为常规方法。人们对简化处理所得的结果深信不疑。 现在绝大 多数科学原理都是这种思维指导下建立的,化学也是在这种思想指导下工作的。 但是,无论如何,天然系统(有生命的和无生命的)都是复杂的。 把复杂系统拆 成个别的分子或原子研究,用研究结果回过来解释复杂系统, 总不能解释复杂 系统中微妙之处。特别是当人们面对复杂的生命现象时, 早期提出用生命力论 来解释,很快为成功地合成有机化合物所否定。 人们认为任何生命分子都能合 成出来,任何生命现象都能用从无生命的化学物质那里所得的规律来解释。 这 种还原论不久也被批评。 虽然我们还不能回答由化学反应系统到生物系统这一 飞跃是由什么条件所决定. 但是可以说有生命的系统比起无生命的化学系统多 的就是复杂性,如今,科学发展到今天, 对复杂系统进行研究并非不可能了, 实际上,近年来,就有一些科学家迈开了复杂系统研究的第一步。 在这方面还 是物理学、生物学和数学走在化学的前面。虽然我们可以举出诸如Prigogine等 化学家的重要成果,但是在物理学提出非线性行为、混沌现象, 在生物学提出 细胞对外来物质所做的应答是复杂系统的总体表现之时, 还很少有化学工作把 着眼点放在系统的复杂性上,即使有一些复杂系统化学的工作, 也主要是理论 研究。复杂系统研究在理论上和方法上还非常困难。不过, 我们并不是要一下 子从简单的纯化学分子反应系统跳到复杂系统中去。 而是逐步接近实际的复杂 性特点。从现有认识可以总结出目前可以研究的几个主要复杂性特征: ·系统中的有序高级结构,它们的几个特征和功能的关系。 ·系统中发生的过程, 复杂系统自发的和由外界因子引起的过程被认为是 系统中发生的化学反应的总表现。 由于结构的有序性, 反应物定位 (localization)、反应定位,反应是在有序组合下表现出事件顺序(sequence of events)的。 ·系统的状态。复杂系统的状态及状态改变与简单化学反应系统不同。 即 使化学反应系统包含许多反应物、许多反应以及多得多的物种, 我们完全可以 用热力学预测其平衡态,用动力学模型研究其某时的状态。但是复杂系统受上级 及环境的调控,有序高级结构和有序的空间和时间表现,在其中反应与反应间有 特殊的互相制约关系, 还有许多因素影响和调控系统的状态。但是任何影响复 杂系统状态的因子都是通过启动一系列化学过程表现的。当然,在生物系统中有 生物因素,但化学反应的组合是直接运作者。 ·系统中的信号传输(signal transduction)。复杂系统之所以有别于具有复 杂组成的简单化学系统,在很多情况中是因为它们有信号传输机构。 信号传输实 际上是有物质作为载体(carrier)而实现的。例如我们熟知的电化学信号传输。 作为信号载体,它的产生和消失必须在规定时间完成(大多数是快反应), 它在 一定位点一定时间的水平必须维持一定的稳定。滞后、迟发、 居高不下等等都 是不允许的,都应被及时调节的。 各个化学分支也都在这个领域找到自己发展的广阔天地。 ·过去的反应化学也研究反应机理和少数几个反应的组合形式和结果。现在 应针复杂反应系统特点,研究反应组合以及由之发生的事件, 研究系统的过程中各 步表现。 ·在研究手段上,需要研究和建立在复杂系统实行空间分辨和时间分辨的实验 方法以监测过程中事件和状态变化。 建立计算机模型以分析测得数据也是必需的 和可能的。 ·过去的合成化学研究合成反应目的是设计合成路线用以合成目标化合物。他 们研究控制合成反应的条件, 但目的是提高收率和产品的纯度。在复杂系统中实际 是不合成新化合物。 研究这里进行的合成反应和合成“路线”是有启发的。 ·理论化学研究可以在复杂系统化学表现的研究中找到许多新问题。 复杂 系统物理学认为这些系统具有多维度、多组分、非线性、远离平衡等条件, 物 质运动有它特有的规律和模式。实际上,在自然的和人造的复杂系统中, 物质 运动必不可少包含化学过程。即使是那些物理过程也是如此。另外, 复杂系统 中任何物质运动都必然包括物质结构的变化, 而结构变化又是从一级结构到高 级结构的多层次的化。这些复杂系统的非性表现必可少地包含化的非线性贡献。 此外,谁来维持状态远离平衡,谁能使这种状态处受控态, 无一不与其中的化 学反应的相互制约有关。所以, 研究复杂系统中物质动规和模式不能跳过化学 研究。 目前,复杂化学系统的研究还不是热点, 但是从所有自然科研究物世界的 从简单到复杂的总体规律来看,从解决实际问题的需看, 这方面的研究一会迅 速发的 前面讲过,分子以上层次的化学是复杂系统化研的一部分, 因为复杂系研 究必须是层次的。 研究分子以上层次化学并进一步研究杂系可以把化学带到一 个新境。 近年来,多人在讲21世纪的化学。 实际上我们能讲的仅仅是现今化学思想 和方法的延伸。而看不出从这想和方法推不来的东西。因此,我所讲的可能还是 坐井的观天的话。

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