什么是化学

摘要：编译并介绍了英国皇家化学学会组织撰写的科普读物《分子的时代》的部分内容，以期帮助读者从化学合成开始了解什么是化学以及化学的重要任务，认识化学学科的特点是从组成和结构两个方面入手来认识和充实物质世界，并突显合成方法的变革与进步和某些关键化学家的科学素质有着密不可分的关系。

关键词：《分子的时代》；化学学科特点；化学合成；化学史

文章编号：1005–6629（2015）2–0003–11 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

对于初等化学来说，可以把大多数化学反应看成是化学合成或合成方案中的某个中间步骤，也可以把它们看成是对化学物质进行检测、监测或常规分析中的某个重要步骤的依据。遗憾的是，大多数学生往往只把它们当成具体的、互不连贯的化学知识，并没有能够由此进入到学科本身的任务、视角和思维方法方式上来。上述这种情况当属于现行课程教材和教学中亟待解决的问题，也可能是中学化学课程教学很难激发学生学习兴趣的主要原因之一。从另一方面看，由于学时的限制，课程标准确实难以覆盖更广泛、更深入的课程要求，但是值得关注的是，它为解决这个问题，留下了通过作业加以弥补的空间[1]。所以在研究作业设计改革时，应该重视这个问题并进行思考和改革，不能依旧囿于简单的复习，更应当避免为此对某些化学现象及过程的讲解或引导过度地深化，甚至于接近专业化学的水平。因为这样做，不仅违背课程改革的初衷，而且可能再度落入“繁难偏旧”的窠臼。

关于什么是化学，通常的做法是从介绍学科定义开始，例如目前比较流行的化学学科定义是“化学是在原子分子水平上研究物质的组成、结构、应用以及它们和物质性质的关系”。这种说法本身并没有什么问题，但是对于初学者，一时难以了解究竟什么是化学，因为他们不具备该定义所要求的原子分子水平，很难了解它和实际生活中的物质有什么关系，必然存在为什么要在原子分子水平上来研究；这种研究对人类物质生活和社会发展有什么意义等问题。到课程结束时，很可能只有少部分学生能够说清楚这个问题。所以初等化学不仅要完成课程标准规定的学科知识与技能的教学，还应当帮助学生初步了解现代化学的全貌和它对社会生活的进步及人类自身发展所起的作用。

最近有机会见到英国皇家化学学会于20世纪末组织多位化学家撰写的名为《分子的时代》（The Age of the Molecule）[2]的科普读物（英国前首相布莱尔曾为该书作序），内容十分丰富，读来饶有趣味，收获良多。由此想到，如果化学界的同仁们能够为中学生编写一批和课程标准要求一致，并与现行教材紧密配合的类似科普读物作为作业设计的基础素材，帮助学生从阅读中感受到，如果学会用化学的视角来观察和分析与日常生活关系密切的化学现象与化学物质时，物质世界竟然是如此的奇妙！这类感受，既有利于提升他们学习教材和课堂教学中学科基础知识和技能的积极性；还可以帮助学生较全面地了解化学对其他科学与技术发展所起的作用（以及应该或可能起到的作用）。对于有志于从事科学技术工作的学生，从前辈化学家身上将能够学到笃志好学、勇于创新、勤于反思和务实求真的科学精神。

我国历年来由专家学者编写的化学类科普读物并不算少，但是真正受到中学生欢迎的并不多见（其中包括笔者参与编写的几套）。究其原因众说纷纭，绝非仅仅是读者对化学有偏见、选题不够新颖、没能做到图文并茂、行文不够流畅等原因所能解释，我以为可能和难以摆脱教科书式的讲述方式和对某些名词概念的严谨性过分偏爱有关。读了《分子的时代》以后，从中获得很好的启示。就初学者而言，从他们身边的实物和事件出发，通过把个别人物或事例整合成为合乎逻辑的科学事件与成果的发展史（亦即某个领域的兴起和发展过程，包括某些理论和基本概念的形成过程），可以帮助读者通过跟踪前辈化学家的探究思路逐步了解这个领域的概貌。由于整个认识过程基本上符合循序渐进的认识规律，读者读后有可能是一时做不到全懂，但不会是一头雾水。部分读者可以暂时止于似懂非懂，但是却为继续学懂奠定了基础。我想，这是科普读物应当具有的特色。值得我们认真思考和研讨。

为了供读者参考比较，我从该书的序言中选译了一小段如下：

关于什么是化学，不同的场合、不同背景的化学家有不同的说法。例如著名化学家鲍德温爵士（Sir J. Baldwin）的说法是“化学在制造那些原来并不存在的形式的物质。这些新形式的物质，包括塑料、洗涤剂、抗癌药物等等，它们对现代社会中的每一个人都有深刻的影响”。令人遗憾的是，人们一方面恣意地享受着由新物质制成的新产品，可是另一方面，却忽视了如果没有用于制造它们的化学知识，它们就不可能存在的这样一个极其重要的事实。

设计和制造分子是化学的核心任务。物质的化学分析和探索化学反应怎样才能发生以及如何进行的问题，是化学另一方面的重要任务。由此才能够对生产过程进行严密的监测并控制产品的质量；对环境影响进行监测和健康有关的评估；甚至包括对灾害的预测等来提高人们的生活质量。从哲学的角度来看，化学是通过揭露周围世界中分子的复杂性，了解它们和人类及其他生物间的关系来深刻认识物质世界的一门自然科学。

在新世纪到来之际，回顾一下化学走过的道路和它对社会与文化发展的影响，应当是一件很有意义的事情。从人类第一次学会用火来改造自己的生活（例如烹调——一种化学反应）与身边的环境，到学会制取金属等等，都已经是非常遥远的事情了。人类所用到的化学反应，起初大都是具有偶然性的事件。肥皂和玻璃的发现是大家熟知的两个例子。在那个时候，人类关于物质如何能够发生变化是没有什么认识的，可是古代的先哲们却一直对物质世界充满了兴趣，尽管在他们的认识和解释中存在许多谬误，如中国的阴阳五行说、西方的四元素论等等。重要的是，在这种并不正确的认识引导下，人们从实践中不仅积累了大量的经验，发明了许多仪器和技术，而且逐渐摆脱了错误思想的约束，并在这个过程中逐步地形成了18世纪末的化学[3]。

在前两段话里，作者简明扼要地对化学的主要任务、与现实生活的关系以及如何从哲学的角度来认识化学做了粗浅但较全面的介绍，言简意赅。在第三段里虽然讲的是大家都已熟知的历史事件和进程，但是通过发现肥皂和玻璃的偶然性，以及在科学实践中必须不断纠正错误认识和积累有益经验的重要性的阐述，浅显而易懂，对于初学者理解科学发现、理性思维和实践的依存关系大有裨益，写得是何等的好啊！（注：徐光宪教授最近曾提出一个包括基于原子分子层次的多种元物种在内的新定义，充分展示出化学学科的新水平和新动态，对进一步了解周围世界中分子的复杂性很有帮助。不过该定义目前尚未获得普遍采用。有兴趣者可以查阅相关文献。）

化学合成是化学工业、制药工业和新材料研发的基础，我们日常用到的许多物质都是通过化学合成的方法得到的，包括作为基础化工产品的三酸两碱、工程及民用塑料、人造橡胶、化肥等。虽然能治百病的万灵药物还未能找到（也不一定能找到），但是多种具有生物活性、能够拯救生命的药物却已广泛地应用于临床。此外，像高效杀虫剂、表面活性剂、液晶材料、超导材料、火箭推进剂以及供特殊用途需要的其他材料等等，也都属于合成化学的新成就。

《分子的时代》把化学合成作为该书正文的第一章（全书包括引言在内共12章），化学分析作为第二章，表明要了解什么是化学和化学的主要任务，要从了解什么是化学合成开始。如果把化学合成的研究方法及手段和有机化学合成大师们的成果结合起来，按照人们对化学结构理论和对天然产物组成结构的探索由简入繁、故事般地阐述它们的发展过程，辅以旁白带出一些重要的化学术语和概念，对初学者来说，应该更有趣味和吸引力。作为课程教材教学的补充，会起到很好的作用。遗憾的是，因为涉及版权问题，只能选译部分内容供老师们参考。

该书在“合成一个分子”的章标题下，以有机合成化学为中心，按照为什么有机化学主要是碳的化学；它的不平凡的诞生过程和迅猛的发展过程；有机化学家常用的合成思路和方法源自何处；通过合成对象的逐步复杂化，化学家对有机分子结构的认识是怎样逐步深入的等等，娓娓道来，很能引人入胜。当读者从书中见到那些充满了美感的分子，就一定会相信有机化学家不仅是心灵手巧的科学家，更是能和大自然比美的艺术家！这样的感受，难道不是我们一直孜孜以求的吗？

该文从有机化学为什么是碳的化学这样简单的问题入手，对碳和其他元素的结合，除去指明形成稳定的结合是前提条件外，对作为中心的碳原子可以形成的键合方式做了简单扼要的介绍，并归因于碳原子的电子结构。把碳原子的电子结构和与其他元素原子（包括碳原子在内）键合的方式，以及对物质性质的影响（包括与生命化学的关系），逐步深入地加以介绍，使初学者对物质性质和分子组成与结构的关系有了初步的了解，由此在阅读下文时，随着分子组成结构复杂性的不断提升，应当能够从中体会到理性思维和实验探究之间的关系，分享科学家突破合成难关时的喜悦，体验复杂分子化学结构式之美。

以下是依据原书适当简化后编译而成，并用旁注方式做了简要的阐述和补充。所以这样做的原因，在于突出原书对有机合成化学发展过程中，合成方法的变革与进步和某些关键化学家的科学素质有着密不可分的关系的讲述方式；同时也通过具体事件表明化学结构对实验技术和理论的发展起着极为重要的推进作用。从而说明为什么化学学科的特点是从组成和结构两个方面入手来认识和充实物质世界的。（注：如果高中化学课程标准修订后有机化学选修模块在保留之列，建议作为改写时的参考。）

化学合成的奇妙和优美[4]

合成的新化合物中大部分是有机分子，它们都含有碳元素。碳是一种非常独特的元素，它可以和碳以及其他元素如氧、硫、氮、氢和卤素等形成稳定的键合。碳原子的电子结构决定了它可以同时和四种其他原子（包括碳原子）或原子团结合在一起。可以形成单键、双键或叁键，还可以某种结合方式不断重复下去，成为线形的、带有支链的、呈树枝状的和三维有序结构的大分子。生命化学正是基于碳元素所具有的这些“奇特的”性质，这也许就是碳的化学被称作有机化学的原因吧！

19世纪初，韦勒（F. Woehler）首次通过化学方法由一个典型的无机化合物——异氰酸铵（NH4CNO）得到了另一个典型的有机化合物——尿素（H2NCONH2），使得人们从传统的“生命力论”思想束缚下解放了出来。他在给瑞典化学家贝齐里乌斯（J. Berzelius）的信中曾经这样写道：“现在的有机化学快要让人发疯了。使我有了一种进入原始热带丛林的感觉，到处都是令人惊奇的事物。在这片无边无际的神秘的灌木丛中，几乎找不到任何出路，甚至可能产生恐怵的感觉。”

如今，每年在科学文献上公布的新有机化合物数目已经达到数以百万计的水平。有人曾尝试着对化合物的总数进行估计，得出过可能达到10200种的结论。这个数字也许是过于夸大了[注：依据贝勒斯罗（R. Breslow）等人近期的估算，由常见元素组成的化合物，至少大于1014的量级][5]，不过在化学家看来，一个近乎无限的分子园地的存在，却是不容置疑的客观现实。

分子的化学合成包括化学键的断裂和形成，有机化学的任务，就是为了了解这些过程并把有关知识用于新反应的设计。为此，有机化学家建立起一个庞大的反应类型库。当脑海里有了某个合成目标，例如某种可能的药物分子或某种天然产物的时候，他们就会拟定出某个由一系列反应步骤组成的合成方案。（注：如果目标分子的结构十分复杂，步骤有时会达到几十步之多！）除此之外，还要求合成者具有很高的创造激情、熟练的技巧和顽强的毅力。[注：近年来发现了很多可以实现反应步骤链自动集成的合成方法，例如本文即将提到的一锅法（One pot process）。此外，莱恩（J-M. Lehn）近年来创立的组分动态化学与适配化学[6]，不但开启了不同于经典有机合成方法的新途径，而且深化了对化学反应本质的认识。]

有机化学合成是一个地地道道的创造性过程，有时合成路线的精致和高效，常常令人深感钦佩甚至惊讶不已。它意味着合成者能够用最少的步骤、最简单的试剂合成结构极其复杂的分子，并且获得很高的产率。而要达到这个水平，反应途径的有效调控是其中的关键。因为很多反应在进行过程中，通常存在着能够导致不同产物的多个反应路径，致使生成一些与目标分子组成相同而结构不同的产物，即副产物（例如同分异构体）。有经验的化学家往往能够通过反应条件来调控不同反应通道间产率的比率，所以化学合成不仅是一门技术，而且是一门艺术。

有机合成化学的基本概念

有机合成化学中有两个基本概念，一个是官能团的概念，即由两个或多个原子组成的原子团在反应中可以视为一个有独立特性的单元（称之为官能团或功能团），例如由碳、氢和氧组成的羧基（-COOH）等等；另一个基本概念是碳原子在形成化学键时，价键在空间有确定的取向。例如碳原子外四根单键的典型取向是分别指向以碳原子为重心的正四面体的四个顶角。这就意味着，当与中心碳原子相连的四个基团相同时，不存在同分异构体。如果四个基团不完全相同，不仅存在同分异构体，分子的三维结构将有可能变得相当复杂。当其中有的基团本身体积较大时，甚至可以影响到相邻基团的反应活性。

以单键相连的两个原子或基团，可以作相对的转动是另一个重要的性质，它可以导致分子构象发生变化。例如环己烷（C6H12）就可以分别取椅式和船式两种稳定的构象。当体系能量较高时，两种构象之间可以发生转变。以双键相连时，由于双键不能自由旋转，两侧的四个基团如果有两个相同时，可以分别取反式和顺式两种稳定的构型。它们的稳定性不同，顺式者往往较低（参见图1）。分子的构型对性质会产生一定的影响，在具有生物活性的分子中这种影响则更为普遍（注：当前媒体热议的有关反式脂肪酸问题，应是大家熟知的一个例子）。利用时间分辨光谱技术，可以观察到二者之间存在着的过渡状态。与此有关的研究领域称作构象或构型分析。

当碳原子外的四个基团彼此不同时，还可能因为连接顺序的不同，出现类似于人类左右手一样互成镜像的异构现象，称作手性（参见图2）。由于手性对生物分子和药物分子的活性有时会产生重大的影响，同时在有机合成化学中往往成为对合成技术的重大挑战，往往被看成有机合成化学进展的标志。

手性分子的发现者当首推巴斯德（L. Pasteur），他在1848年发现酒石酸盐的晶体外形有两种，二者互成镜像，用镊子就可以把它们分开。分别溶入水中后，可使偏振光产生不同的偏转，即有左旋和右旋的明显差别。这类异构体称作光学异构体。（注：对存在这种异构现象的合理解释，是在确立了碳的四面体结构理论之后才为大家普遍接受的。）

化学家学会制造复杂分子

18世纪中期，有机化学有了比较坚实的结构理论基础，从而化学家才有可能开始对合成进行设计。利用新的立体化学概念，德国化学家费歇尔（E. Fischer）开始尝试对一系列有机分子的绝对构型进行确定，其中包括19世纪后期受到极大关注的光活性糖类。在这个过程中，他在1880年完成了D-葡萄糖（参见图3）的首次人工合成。费歇尔是一位伟大的化学天才和杰出的实验家。他得到了只含D-葡萄糖的产物。通过对多个反应物的调制，使得糖能够在一步内迅速而有效地生成；同时也澄清了以往对D-葡萄糖结构的种种猜疑。他向后来的有机化学家指明，在复杂的合成问题中，有些曾经被认为是几乎无法下手的难题，只要把化学灵感、创新与探索精神结合起来，是一定可以克服的。

费歇尔关于D-葡萄糖的全合成工作，被认为是20世纪合成有机化学发展的催化剂。此后在20世纪前半叶，有机合成化学得到了巨大的发展，合成了许多结构更加复杂的分子，牛津大学的英国化学家鲁宾逊（R. Robinson）合成了一些复杂的天然产物，其中最杰出的是关于一种名为托品酮的生物碱的合成。托品酮是一种结构非常复杂的分子（参见图4），有一个由7个碳原子组成的七元环，环上有一个羰基，环中间还有一个以氮原子为中心，连接环两侧的桥基。通过对托品酮的天然合成步骤的猜测，费歇尔用结构简单的丁二醛、甲胺和3-氧代戊二酸为原料，在仿生条件下，利用曼尼希反应，仅通过三步反应（一锅法）就得到了托品酮，而且产率达到17%（注：经改进后可以超过90%，而且仅一步就得到了托品酮）。1917年，当人们从文献上看到这个结果后，立典范的19步合成方法，改为把目标化合物先分解成为相关的简单原料分子的方法[注：也就是后来被另一位伟大的有机化学家、哈佛大学的柯雷（E. Corey）发明的逆向合成法]。鲁宾逊在谈到逆向合成分析法在托品酮合成中的应用时，说道：“通过对目标分子进行假想的水解，有可能得到能够用来合成托品酮的几种原料分子，即琥珀醛、甲胺和丙酮。”他的工作应当被认为是最早应用逆向合成分析法并获得成功的一个范例。相对于人们常用的正向合成法，即先找到一个结构上和目标分子大致相同的分子作为起点，然后通过一步步的化学反应对它加以改造的方法来说，这个方法是合成方略方面

此外，鲁宾逊还和英戈尔德（C. Ingold）一起创立了一种以分子的电子结构为基础，结合有关化学键的破坏和形成来描述有机反应机理的理论方法。这种方法至今仍然在使用着。

由于对有机反应机理有了较好的了解，全合成方法在20世纪40到50年代，得到了进一步的完善。在这个时期中，最杰出的有机化学家，当数美国哈佛大学的伍德沃德（R. B. Woodward）。伍德沃德是一位神奇的、有惊人记忆力的、知识极其渊博的学者。正是由于这种能够把一些看来互不相关的化学事实联系起来的特殊能力，使得他在同辈化学家中脱颖而出，并获得了1965年诺贝尔化学奖。此外，他能为完成某个特殊反应发明新的试剂，或者提出重要的有机化学理论，当之无愧地成为有史以来最伟大的合成有机化学家。其中最著名的当推维生素B12（参见图5）的全合成了。

立体化学在合成中的重要性

如果说伍德沃德是第一位在控制分子中各官能团之间的相对空间关系做出过重大努力的有机化学家，这个评价是丝毫不过分的。他对有机化学中的电子理论理解甚深，加上他对分子的形状和拓扑学方面的深刻理解，促成了他在多方面的成就。

经过仔细地对合成路线进行设计，他经常能够使得每一步只得到一种异构体作为产物。所以他在绝大多数情况下可以得到所设想的构型唯一的目标化合物。他通常先得到各占50%的外消旋混合物，然后用光学拆分方法把它们分开。亦即用只对一种对映体有效的拆分试剂来完成这个相当困难的工作。在这方面可以算得上是一位杰出的大师。虽然伍德沃德以外的大多数有机化学家在70年代之前也在做类似的工作，可是伍德沃德研究小组却能够顺利地合成一种能够控制血压的名为利血平（reserpine）的天然产物，这个分子有6个手性碳原子，因而可能有64个异构体，但是只有其中之一（参见图6）才具有药效，由此可以想象出这项研究难度之大。

70年代中期，大多数有机化学家倾向于用起始物作为“手性池”来进行对映专一的合成。手性池是一个比喻，表示是用天然存在的单一对映体作为起始物质，例如，D-葡萄糖和（-）-香芹酮就属于手性池之列。70和80年代，有机化学家们用手性池的方法合成了许多复杂的分子，推进了有机合成化学的发展。

镜像分子的合成

直至今日，手性池的方法仍然在使用着，有些已经发展成为单一的对映体试剂，和没有手性中心的分子反应时将生成只有单一对映体的新分子。这样的方法称作不对称合成。这种方法目前不仅用来合成某些重要而复杂的天然产物，而且也用于制药工业。

寻找不对称合成的新方法在过去的二三十年里一直是有机化学的热点之一。这是因为不同的对映体的生物活性或药疗效果差别极大。尽管对映体是可以拆分的，但是拆分后将有一半成为废物。不论是从成本，还是效率出发，企业都希望找到更加有效的不对称合成方法。

非手性分子可以在手性助剂的帮助下很容易地转变为手性分子。例如把一个手性助剂接到既无左手性也无右手性的丙酸分子上，就形成了一个按照某个特定几何途径进行强制化学反应的立体化学条件。在新分子中建立了手性后还可以把这个助剂拿下来，（注：有点像接力赛跑中的接力棒！最好是能够回收，并能继续使用），得到呈手性的产物分子。

在现有的诸多助剂中，以哈佛大学的埃文斯（D. Evans）及其同事开发的助剂应用最广。它是由一种简单的天然产物分子制成的，被用来合成了许多复杂的分子，抗生素X-206即其中之一。英国牛津大学的戴维斯（S. Davies）是这个领域的带头人之一，他的小组在80年代开发了一种含铁的助剂，小量使用时效果极佳。近来，他们又开发了一种用起来更加方便的埃文斯助剂，称为superquats。这种方法的缺点在于，在合成步骤中要增加把助剂接上和解脱下来的两个步骤。普渡大学的布朗（H. Brown 1979年诺贝尔化学奖得主）发明了另一种用硼试剂（参见图7）的方法，如用Ipc2BCl可以选择性地把羰基转变为-CH2OH。

理想的情况是，手性试剂最好同时起催化剂的作用，这样在回收时不需要注入过多的能量。自然界就是利用酶的催化作用来控制分子的手性的，如把一个平面分子转变为三维的手性分子。虽然大自然早已发出这个信息，可是人们学会设计和酶选择性相似的三维催化剂（分子机器人）却是最近的事。用极少量的催化剂可以制造出大量的产品来是这种方法的特点（注：在少数情况下，用量只有1%左右）。

夏普莱斯小组在烯烃的立体选择性双羟基化反应方面的成就，被认为是20世纪90年代化学的主要成就之一。催化剂是一种锇基的化合物，当它和某种含氮的分子如喹啉和喹啉啶一类的生物碱相互作用后，活性大为提高。在此处所举的例子中，产物在其他的金属催化反应中，也能起到控制三维几何结构的作用。目前化学家正在利用这类新的不对称合成技术于合成更为复杂的分子。例如抗癌药紫杉醇（taxol），这是一种结构特别复杂的分子（见图8）。

合成化学中的金属有机化合物

正如前面提到过的那样，探索合成有机化合物的新方法的动力来自对更高效率（更高产率）和更高选择性（减少不希望产生的副产物）的期待。于是在20世纪后半叶有许多不同的方法加入到近代合成方法学之中来。对于构建复杂的有机分子来说，有机金属化学是一个对思维方式有着深刻影响的领域，这是一个涉及同时包含着金属组分和有机组分化合物的领域。读者可能已经注意到，上面介绍过的许多不对称合成中，都是以含有某种过渡金属原子的化合物为基础的。合成含有过渡金属的有机金属试剂的研究，和这个领域紧密地连接在一起。

有机金属化合物的早期工作，并未进入有机化学家的视野。70年代，由它引发的概念开始并入有机合成的主流，80和90年代出现的许多种新型有机金属试剂和催化剂，赢得了有机化学家的青睐。到了现在，很难认为有多少合成有机分子的新方法能够摆脱对有机金属试剂或催化剂的依赖。

过渡金属基的有机金属化合物在有机合成中的应用，可以从有机金属化学的诞生中找到它的缘起。英国化学家威尔金逊（G. Wilkinson）在有机金属夹心化合物（ferrocene）方面的研究，使得很多化学家积极地投身于这个有趣的领域。在这段时间内有上百个新化合物被合成了出来，包括有机组分差别极大和芯部金属元素种类繁多的化合物。当人们从试验中观察到在它们的作用下有机分子出现的意外变化特征之后，有机金属化合物在有机化学中的重要性终于得到了普遍承认。

有机化学中应用有机金属化合物的途径有多种。它们可以作为用户友好的高度稳定的有机分子源。例如，环丁二烯，是一个由四个碳原子和四个氢原子组成的环状分子，内部应力很大，非常不稳定，在常温常压下不能存在，会自动转变成一个大环，但是在相同条件下，和三羰基铁形成的复合物却成了一种非常便于使用的化合物，成了有机化学家经常采用的环丁二烯源。

有机化学家也利用有机金属化合物作为构建所设计的“虚拟”化合物的模板。他们发现，当在有机分子中引入一个金属原子时，有机分子的性质会发生巨大变化。例如，苯分子是一个由六个碳原子和六个氢原子组成的分子，分子外面包围着负电子云，所以倾向于和正电荷的分子反应。将一个由铬与CO组成的基团和苯相连，把苯的电子拉走一部分后，使得苯对正电性分子的反应更为有利。因此，通过和金属的结合，许多可以用来确定有机反应产物的经验规律将被打破。从而有机化学家在设计复杂的靶分子时有了更大的自由度。

有机金属复合物作为把某些有机分子融合反应的模板时，特别是在合成环状化合物时非常有用。其中，Pauson-Khand反应可以作为一个例子。1970年，对炔类和钴基化合物相连时的活性产生兴趣的Pauson和Khand在研究中发现，在有机金属复合物和炔的反应中得到了五元环结构的环戊酮（图9）。

这是由一个炔分子、一个烯分子和一个CO分子所组成的。时至今日，有关这个反应的细节仍然是个谜。但是，环戊酮或与其结构相近的化合物是应用范围极广的重要化合物的核心，近年来这个反应在有机合成中应用极广。

有机金属化合物在今天和未来的有机化学中最主要的作用，无疑是催化作用，在过去的50年里所发现的这类催化剂是最有力的证明。例如，90年代初CIT的格鲁博（B. Grubbs）所发现的烯烃复分解反应可以被钌的有机金属化合物所催化，从此这个反应得到了更广泛的应用。（注：有机金属化学的发展，意味着金属元素，特别是副族金属元素，一旦和有机分子结合在一起，不仅显示出副族金属元素具有超常的键合能力，更重要的是，它的加入可能改变某些反应的进程和机制，尽管相对于所键合的有机分子来说，只是一个或几个原子！它对于认识某些微量元素在生命化学过程中的必要性和作用，应当有所启示）。

组合化学

大多数有机合成方法的确立，经历着漫长的过程，包括建构反应途径、细致地了解反应过程和如何使所需产物达到最高产率等等。完成一个新的合成任务往往要花费掉几个月甚至几年的时间。对于医药公司来说，为了制造一个已知具有所需生物活性的靶分子如抗癌药taxol时，只要从事有机合成就行了，但是在对某个病症的分子生物学了解不多的情况下，要寻找对症的药物，其难度有如大海捞针，要通过测试大量有机分子的生物活性来完成。

在寻找新药物时，有效分子可能具有的化学结构几乎是难以穷尽的，因而成为新药研究的最大挑战之一。组合化学的出现，为解决这个问题找到了一条有效的解决途径。利用这种方法，可以迅速地合成一大批化合物并对它们的生物活性进行有效地筛选（注：这就是把组合化学戏称作“从稻草堆中寻找绣花针”的方法的缘故）。与此同时，组合化学在改变传统的有机合成技术方面也起着革命性的作用。

组合化学方法缘起于免疫学家的工作，即抗体如何被抗原所识别的研究。在蛋白质由氨基酸组成的长链中，抗体蛋白只是其中的一个短短的序列（多肽），称为抗原决定部位。为了找出这个部位，化学家通常要合成与抗体蛋白相关的所有的序列的多肽，有时可以多达数百个。如果抗原决定部位是不连续的，或者是由一些不在连续序列中的氨基酸所组成时，工作量将呈指数倍增加，甚至使得无法进行下去。

1991年美国的霍格廷（R. Hougten）和拉姆（K. Lam）介绍了他们利用组合化学方法来探测大量多肽序列的经验。他们用的是80年代诺贝尔奖得主梅里菲尔德（B. Merrifield）合成多肽的方法。把第一个氨基酸接在一个固体载体上，然后将后续的氨基酸一个个地接上去，多余的试剂在进行下一步之前提前洗去。反应完毕后，从载体上取下产物。霍格廷和拉姆用的是直径约100μm的聚苯乙烯小球和“混合再分离”的方法来完成各种可能组合的多肽合成。

“混合再分离”方法

这个方法实际是初等数学中排列与组合概念的一种应用。由图10可以清楚地看出其中的奥妙。通过3步，由3种氨基酸可以得到27种连接顺序不同的多肽。如果由20种氨基酸开始，经过3步将可以得到一个包含着不同顺序的高达160000种的四肽分子库。利用这种固相化学方法，还可以通过反应试剂的过量，使产率增高。而作为污染物的未反应试剂和固体载体的分离只要用一般的过滤和洗涤方法就可以奏效。从多肽分子库中寻找有效的抗体的工作也就变得唾手可得了。

霍格廷和拉姆的成功所诱发的一系列技术引发了有机化学和药物化学的革命性进步。就在霍格廷和拉姆发表报告的同一年，就有不少用其他固体载体制备多肽分子库的工作发表。许多科学和工业单位对树脂珠上反应的可能限度的研究，使得固相反应研究得到了新生。它在新药的研究中已经成为一种不可替代的重要方法。

在设计组合库时，化学家将考虑使用一些从市场上能够获得的小分子作为构建新分子的构件。如果在中心模板上的某三个位置上各有100种可能的构件的话，这个理论上的或虚拟库的大小将达到1000000个化合物。化学家可以用“混合再分离”法把它们都合成出来，也可以只从库中选出几百个化合物来进行合成和试验。如果在这个系列中存在有活性的分子，那么目标更加明确的组合库就可以进行运作，并迅速地达到生物活性的最优化。

（注：组合化学方法最适宜用于从大量相似对象中寻找具有某种预定性质的个体的研究。目前除用于新药的开发和遴选外，在特种陶瓷、催化剂、功能高聚物和半导体等的研制工作中应用已很普遍。）

超分子化学

在过去的30年中，人们对合成能够模拟自然界行为的化学体系的兴趣日益高涨，这是因为自然界能够以极高的效率来完成许多极其困难的化学过程，由单一有机分子的化学功能团显然是难以完成的。

生物分子的重要特征之一是它们之间的相互作用常常可以通过弱静电作用来完成。例如，在受体蛋白质和一个药物小分子之间所产生的药学响应（称作分子识别）。像蛋白质这样的生物大分子的三维特征结构就是靠氢键的弱相互作用来保持的。现在已经知道，没有氢键就没有生命。

了解长程弱作用力如何能够控制大分子的结构和特性以及分子的聚集，是化学中一个新的领域，称作超分子化学，亦即分子之上的化学。它导致产生新的合成方法、得到新型化学结构和新的应用。

用超分子化学来复制生物学的第一个尝试是制造人造受体，如把钠和钾结合于一个环状的有机分子之中生成所谓的主客体复合物。1967年佩德森（C. Pederson）合成了一种由12个碳原子和6个氧原子组成的18元环（18-冠-6，冠醚中的一种），尽管属于弱相互作用，氧原子所带的弱负电性却能使得它可以和很多带正电的物种相结合。莱恩（J-M. Lehn）和克拉姆（D. Cram）各自独立地合成了其他的穴状体和球形体，因而三人分享了1987年的诺贝尔化学奖。[注：以下是几类超分子结构模型（选自维基百科超分子化学条）。值得提醒的是，这些像花朵一样美丽的分子，竟然是化学家用化学试剂在简单的玻璃仪器中合成出来的！]

目前，化学家的关注点已经越过了超分子概念的前沿。超分子的形成在生物体系中最重要的特征之一是在氢键或其他弱化学作用的推动下，具有“自组织”的趋向。对很多生物过程，如蛋白质的折叠和DNA的解旋等起着控制作用。化学家现在把这种过程用于制备分子的聚集体-互锁的独立的分子单元，最后做成的器件组元就像一个单独的分子（注：此处已是超分子，可起着类似于轮、梭、轴等的作用）。经过仔细的设计后可以组装成一台“纳米”机器（注：就像工程师把器件组装成机器时所作的那样。显而易见，在纳米技术这个新的领域中合成化学起着关键的作用）。

这个领域的先行者之一是司徒塔特（J. F. Stoddart），他把富电子和贫电子芳香环之间的强相互作用（注：另一个超分子工具）用于分子工程。80年代后期，他制造出和paraquat（一种强除莠剂）接在一起的稠环分子，这个分子带正电性，他想到用来和一个含有互补的富电子芳香环的硬果形的冠醚形成超分子复合物。Paraquat处在硬果的中心，端部顶在环的两端。司徒塔特随即想到，应当可以把更多的分子锁在一起。他制造的超分子很美，代替僵硬的化学键的是类似于锁链那样套在一起的、可以作相对运动的一种结构。他们继而用同样的方法制备出分子梭（见图12），带有固定电性的梭头可以随着中心分子链上某组链节的电性变化而作往复运动。进一步的发展就是可以围绕着环形分子链运动的分子列车（注：这种系统已经初步具有作为分子计算机存储单元和开关所需要的功能，因而受到关注。除此之外，在外界激发下这类分子可以同时具有静止的分子链和在链上作相对运动的组元。是否有点出乎意外，甚至觉得有点匪夷所思）。

虽然利用这种超分子体系制造分子计算机信息存贮系统设想的实现，还有待时日，具有控制或开启超分子体系的某种性质的简单机器，可以视为实现上述设想的基础，则是无可疑义的了。

他们的奇思妙想和巧夺天工的合成技艺令人叹服，但是并非高不可攀。前辈们的成就给予我们的最有价值的启示和教训在于，只要具备了坚实的基础和勇于实践的科学精神，“人皆可以为舜尧”就不再仅仅是勉励之词！

有机合成化学的未来

过去的150年是在分子复杂性的创新方面取得巨大进展的最好时期，但是对于有机化学家来说，合成复杂分子的目标仍然存在着极大的挑战性。制造出天然存在的大分子仍然是一项重任，它们所具有的非同寻常的结构对于现有的合成技术来说，困难依旧很大。不仅激励着新的合成反应的研究，同时对于原有方法的极限也是一种考验。分子的化学合成可以帮助生物学家了解分子和他的生物受体间的作用，有可能得到有利于寻找新药物的启示。目前，很多化学家在模仿大自然制造分子的方法，把能够自动生成下一步反应所需作用物的反应串成一个完整的反应链（也可以视为中介产物链）。这意味着把几步反应所需要的试剂同时放在一个反应容器中，让它们自己去完成整个反应。这种方法叫做单罐合成或串级反应法（俗称一锅法，见图13）。（注：虽然获得成功的例子已经不少，但是对其中的机制并不清楚，说明仅仅能够做到模仿大自然提供的成品-复杂大分子的合成和停滞于活化分子有效碰撞理论的认识水平，是远远不够的。合成化学要走的路还很长啊！）

化学家还在致力于发现有用的新反应，为了寻找更高的效率和选择性，立体化学控制仍然是其中的热点。化学工业已经越来越认识到需要更好地使用这个世界上有限的资源和使废物降到最少以保护环境。因而化学家在极力寻找环境友好的催化剂，使反应能够在室温和水相中进行。“绿色化学”的口号已经越来越深入人心。合成化学将变得更加技术密集化、计算化、微型化，机器人都将成为它的一部分。计算机程序可以用来对化合物的合成路线进行逆向设计，以及对成本和起始物的经济核算。至少可以期望像在烧瓶中一样在芯片或塑料球上来进行实验研究。

科学界迫切希望，设计并合成复杂分子结构中的某个片段，再用简单的构建单元自动地连接成为能够呈现某种功能的器件的设想，能够在不远的将来成为现实。这一目标所提供的机会和挑战，已经成为化学研究的重要领域（注：请参看本文所列文献[7]）。

参考文献：

[1]王云生.重新审视化学作业的作用和功能[J].化学教学，2014，（7）：10～13.

[2][3][4][7] Nina Hall ed. The Age of the Molecule [M]. Royal Society of Chemistry，London，UK，1999.

[5]宋心琦.化学家想知道什么——什么是化学的大问题[J].化学教学，2009，（3）：3.

[6] J·M·Lehn，From supramolecular chemistry towards constitutional dynamic chemistry and adaptive chemistry [J]. Chem. Soc. Rev.，2007，（36）：151～160.

[8] Yun Hee Jang， W. A. Goddard III. Stoddart Heath Rotaxane Molecular Switch Made Simple： A Density Functional Theory Study on Model Junction Device [J]. J. Phys. Chem. C，2010，（114）：4611～4616.