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21 世纪理论化学的挑战和机遇 徐光宪. 化学与理论化学在 20 世纪都取得了辉煌的成就,但未获得社会应有的认可。北大化学系学生会对本科生的调研显示,有 75 %的同学认为化学是成熟的老科学,发展前途不大,理论化学尤其不受重视。.

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21世纪理论化学的挑战和机遇徐光宪

  • 化学与理论化学在20世纪都取得了辉煌的成就,但未获得社会应有的认可。北大化学系学生会对本科生的调研显示,有75%的同学认为化学是成熟的老科学,发展前途不大,理论化学尤其不受重视。


  • 我们要分析原因采取对策,积极主动争取社会的认同。对于我们要分析原因采取对策,积极主动争取社会的认同。对于21世纪理论化学的发展,要采取“侵略性”的战略,既要大力加强量子化学的基础研究,又要扩充我们的研究领域。国与国之间要和平共处,但学科与学科之间要互相“侵略”,渗透交叉,才能推动学科的发展。所以Theoretical chemists in the 21st century should be more aggressive.


§我们要分析原因采取对策,积极主动争取社会的认同。对于化学未获社会认同的原因分析

§化学未获社会认同的原因分析

(1)化学家太谦虚,不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。报刊上常说20世纪有六大技术,其中没有化学和化工。

(2)化学是中心科学,与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学(Sun-rise sciences)都有紧密的联系,产生了许多交叉学科。但化学家很谦虚,放弃交叉学科的冠名权,在社会上造成化学被肢解的错误印象。《Nature》在2001年发表社论说:“化学的形象被其交叉学科的成功所埋没”。


我们要分析原因采取对策,积极主动争取社会的认同。对于3)朝阳科学在组建队伍时拉走了不少化学家。化学向朝阳科学输送队伍,本是好事,但希望社会能够认同化学对发展朝阳科学的重要作用,而不是因为化学没有用处,使化学工作者纷纷转行。

(4)化学家没有提出21世纪要解决的难题。有人认为化学没有理论,只是一堆白菜。

(5)化学没有树立品牌,缺少品牌意识。化学与化工被认为是污染源,这也是缺少生源的原因之一。其实,化学家已提出绿色化学的奋斗目标。化学家不但要认识世界、改造世界,还要保护世界


§20我们要分析原因采取对策,积极主动争取社会的认同。对于世纪有七大技术,第一是合成化学技术

  • 报刊上常说20世纪有六大技术:(1)无线电、半导体、计算机和网络等信息技术,(2)基因重组、克隆和生物芯片等生物技术,(3)核科学和核武器技术,(4)航空航天技术和导弹,(5)激光技术,(6)纳米技术。但却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子和化肥的化学合成技术。


  • 上述六大技术如果缺少一二个,人类照样生存,但如没有合成氨和尿素的技术,世界上述六大技术如果缺少一二个,人类照样生存,但如没有合成氨和尿素的技术,世界60亿人口有一半要饿死。没有合成抗生素和新药物,人类平均寿命要缩短25年。没有合成纤维、合成橡胶、合成塑料,人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子新材料,上述六大技术根本无法实现。但化学和化工界非常谦虚,从来不提抗议。我们应该理直气壮地大力宣传20世纪有七大技术,第一是化学合成技术。国外传媒把Harbor Process 评为20世纪最重要的发明,是很有道理的。


§上述六大技术如果缺少一二个,人类照样生存,但如没有合成氨和尿素的技术,世界化学是中心科学

  • 科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上,中,下游。数学,物理学是上游,化学是中游,生命、材料、环境等朝阳科学是下游。上游科学研究的对象比较简单,但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂,除了用本门科学的方法以外,如果借用上游科学的理论和方法,往往可收事半功倍之效。化学是中心科学,是上游和下游的必经之地,永远不会像有些人估计的那样,将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡。

  • 中心科学还有另一层含义,因为化学与八大朝阳科学都产生交叉学科。这也说明中心科学的重要性。


§上述六大技术如果缺少一二个,人类照样生存,但如没有合成氨和尿素的技术,世界但化学作为中心学科的形象反而被其交叉学科的成就所埋没

  • 但化学家非常谦虚,在交叉学科中放弃冠名权。例如“生物化学”被称为“分子生物学”,“生物大分子的结构化学”被称为“结构生物学”,“生物大分子的物理化学”被称为“生物物理学”,“固体化学”被称为“凝聚态物理学”,溶液理论、胶体化学被称为“软物质物理学”,量子化学被称为“原子分子物理学”等。又如人类基因计划的主要内容实际上是基因测序的分析化学和凝胶色层等分离化学,但社会上只知道基因学,看不到化学家在其中有什么作用。


  • 再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出“化学器件学”这一新名词,而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景,并称之为分子电子学。内行人知道分子生物学正是生物化学的发展。在这个交叉领域里化学家与生物学家共同作战,把科学推向前进。但在中学生或外行看来,“分子生物学”中“化学”一词消失了,觉得化学的领域越来越小,几乎要在生物学与物理学的夹缝中消亡。


  • 这样化学这门重要的中心科学(再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出Central science)反而被社会看作是伴娘科学(Bridesmaid science)而不受重视(参见前引Nature社论),化学家居然不喊不叫也不抱怨。化学家的谦虚本是美德,但因此而在社会上造成化学是落日科学(Sunset science)的印象,吸引不到优秀的年轻学生,这个问题就大了。


§再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出化学有没有理论?

  • 有人说:化学没有理论,这也是化学不被认同的理由之一。对于这个问题,唐敖庆先生有很好的回答(引自江福康、封继康根据唐老师于1997年12月23日在吉林大学理论化学与计算国家重点实验室的二届学术委员会上的发言记录整理稿)。唐先生说19世纪的化学有三大理论成就(1)经典原子分子论,包括建筑在定比、倍比定律基础上的道尔顿原子论,和以碳4价及开库勒等的工作为中心内容的分子结构和原子价理论。(2)周期律(3)化学反应的质量作用定律。


  • 20再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出世纪也有三大理论成就:

    (1)化学热力学,可以判断化学反应的方向,提出化学平衡和相平衡理论

    (2)量子化学和化学键理论,生物学的DNA模型就是在氢键理论和蛋白质的分子结构的基础上提出来的

    (3)上世纪60年代发展起来的分子反应动态学。


  • 到了再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出21世纪,数学家提出七大难题,物理学家提出五大难题,生物学家提出四大难题。但化学家又比较谦虚,好像没有人明确提出哪些是化学要解决的世纪难题。其实化学家心目中是有自已的奋斗目标的,只是不愿多说。但这又造成“化学无理论”的错误印象。本文不揣冒昧,提出21世纪化学要解决的四大难题,因为这正是理论化学家的主攻目标。当否请批评指正。


§再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出理论化学在现代化学的发展中起了非常重要的作用

  • 1998年,诺贝尔化学奖授予量子化学家科恩和玻普耳。陈敏伯教授在《科学》(上海科技出版社)发表的的文章中提到:瑞典皇家科学院1998年,诺贝尔化学奖授予量子化学家科恩和玻普耳。陈敏伯在颁奖公报中说:(1)“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具,将化学带入一个新时代,在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯实验科学了”。(2)“当接近90年代快结束的时候,我们看到化学理论和计算的研究有了很大的进展 ,其结果使整个化学正在经历着一场革命性的变化”。


再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出3)“这项突破被广泛地公认为最近一、二十年来化学学科中最重要的 成果之一”。这次颁奖宣告了“化学的两大支柱是实验和形式理论”的时代已经来临。所以21世纪的化学将是理论和实验互相结合互相渗透的科学。国外有些著名大学早已把理论化学从物理化学中独立出来,成为二级学科。希望国家和社会进一步加强对理论化学的支持,鼓励优秀的大学毕业生来考量子化学的研究生。这对整个化学的发展是有利的。


§再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出吉林大学 是我国理论化学的发源地

  • 理论化学在我国的起步比较早,是和唐敖庆卢嘉锡等先生的倡导分不开的。我国早在1952年就把物质结构列入大学本科生的教学计划,当时世界上只有不到20所一流大学为本科生开设类似课程。在1956年的“国家12年科学规划”中,按照周总理的指示和唐卢等的建议,增加了第56项“物质结构的研究”,对推动我国现代化学的发展起了重要的作用,使我国大学的优秀毕业生能直接进入世界最优秀的一流大学研究生院,并在研究生中名列前茅。



§唐敖庆先生是我国理论化学的奠基人,他创建了吉林大学理论化学所和国家重点实验室,多次举办全国性的理论化学讨论班,在全国培养了大批理论化学骨干,为其他化学学科输送了具有坚实理论基础的学术带头人。理论化学的危机和我们的对策

  • 到了21世纪,令人意外地发现,化学和理论化学都发生了危机,特别是大学生和研究生生源的危机。化学如果得不到重视,一定要拖生命科学和材料科学发展的后腿。在化学中如果理论化学受到削弱,那么一定要延缓化学赶上国际先进水平的进程。因此我们一定要积极进取,加强宣传,要使学术界和青年学生了解理论化学的重要性,把优秀的青年吸引到我们的队伍中来。要Aggressive,主动进入交叉学科领域,拓展我们的研究阵地。


§唐敖庆先生是我国理论化学的奠基人,他创建了吉林大学理论化学所和国家重点实验室,多次举办全国性的理论化学讨论班,在全国培养了大批理论化学骨干,为其他化学学科输送了具有坚实理论基础的学术带头人。加强量子化学的基础研究,向化学的世纪难题进军

  • 1。量子化学理论和方法的基础研究。

  • 2。化学的第一根本规律(第一世纪难题):化学反应的理论

  • 3。化学的第二根本规律(第二世纪难题):分子结构及其和性能的定量关系

  • 4。21世纪化学的第三难题:生命科学中的化学问题

  • 5。21世纪化学的第四难题:纳米尺度的基本规律和奇异特性


§唐敖庆先生是我国理论化学的奠基人,他创建了吉林大学理论化学所和国家重点实验室,多次举办全国性的理论化学讨论班,在全国培养了大批理论化学骨干,为其他化学学科输送了具有坚实理论基础的学术带头人。理论化学应该“侵入”交叉领域,拓展研究阵地

  • 理论化学家在数学物理和化学三方面都有很好的基础,他们/她们是化学的战略机动部队,比较容易进入当前科学发展的前沿领域,开展交叉学科的研究,并使理论化学根深叶茂。

  • 6。Theoretical Study of Clusters, Fullerenes and Nanotubes

  • 7。Theoretical Study of Surface and Catalysis

  • 8。Theoretical Study of Molecular Materials

  • 9。Theretical Study of Non-covalent Interactions in Supermolecular Assembly: Hydrophobic(HB)-Hydrophilic(HP) ,HB-HB,HP-HP Interactions, Steric Hindrance, Van der Waals Force,

    Various Kinds of Hydrogen Bonds, Agostic Bonds, et al


  • 10唐敖庆先生是我国理论化学的奠基人,他创建了吉林大学理论化学所和国家重点实验室,多次举办全国性的理论化学讨论班,在全国培养了大批理论化学骨干,为其他化学学科输送了具有坚实理论基础的学术带头人。。 Theoretical Study of Molecular Self-Assemblies

  • 11。 Theoretical Study of Molecular Devices

  • 12。 Theoretical Study of Complex Systems. Chaos. Nonlinear Problems

  • 13。 Theoretical Study of the Condensed Phase

  • 14。 Bio-Informatics

  • 15。 Chemo-Informatics


§唐敖庆先生是我国理论化学的奠基人,他创建了吉林大学理论化学所和国家重点实验室,多次举办全国性的理论化学讨论班,在全国培养了大批理论化学骨干,为其他化学学科输送了具有坚实理论基础的学术带头人。日本国立分子科学研究院的组织机构和研究方向

  • Institute for Molecular Science每年出版一本 Annual Review, 其中最新的2001年年鉴介绍该院的研究机构和方向如下,可供我们参考

  • (1) Dept of Theoretical Studies

  • (2) Dept of Molecular Structure

  • (3) Dept of Electronic Structure

  • (4) Dept of Molecular Assemblies

  • (5) Dept of Applied Molecular Science

  • (6) Dept of Vacuum UV Photoscience

  • (7) Coordination Chemistry Laboratory

  • (8) Laser Research Center for Molecular Science


  • (9)Research Center for Molecular Materials 唐敖庆先生是我国理论化学的奠基人,他创建了吉林大学理论化学所和国家重点实验室,多次举办全国性的理论化学讨论班,在全国培养了大批理论化学骨干,为其他化学学科输送了具有坚实理论基础的学术带头人。

  • (10) Equipment Development Center

  • (11) UV Synchrotron Obital Radiation Facility

  • (12) Computer Center

  • (13) Center of Integrative Bioscience

  • (14) Chemical Reaction Dynamics

  • (15) Molecular Photophysics and Chemistry

  • (16) Novel Material Science

    每个Dept下面列出研究方向,人员,进展和Publications。例如 Dept of Theo Study 有 23个方向。从中可以看到他们的研究范围很宽广,值得我们借鉴。


1.唐敖庆先生是我国理论化学的奠基人,他创建了吉林大学理论化学所和国家重点实验室,多次举办全国性的理论化学讨论班,在全国培养了大批理论化学骨干,为其他化学学科输送了具有坚实理论基础的学术带头人。量子化学理论和方法的基础研究

  • 这是理论化学研究的基础,非常重要。没有基础研究,则其它应用研究都是无本之木,无源之水。但基础研究无法得到横向资助,只有希望国家自然科学基金会,科技部,教育部和中科院的大力支持。


  • (1)Recent Adv in Computational Chem. Vol 1 Recent Advances in Density Functional Methods Part III, Ed by V.Barone et al, World Scientific, 2002.

  • (2)Vol 2 Recent Adv in Quantum Monte Carlo Methods Part II Ed by W.A.Lester,Jr. et al., World Sci., 2002.

  • (3)World Sci Series in 20th Century Chemistry Vol 10 Linus Pauling—Selected Sci Papers, two vol, World Sci. 2001

  • (4)Rev of Modern Quantum Chem—A Celebration of the Contributions of R.G.Parr, two vol, World Sci, 2002


2 from first principle
2. in Density Functional Methods Part III, Ed by V.Barone et al, World Scientific, 2002.化学的第一世纪难题:From first principle的化学反应定律

1. 质量作用定律:宏观的经验定律

2. 薛定额第二方程:解决定态间跃迁几率问题

3. Eyring 绝对反应速度理论:过渡态、活化能和势能面等都是根据不含时间的薛定鄂第一方程来计算的。所谓反应途径是按照势能面的最低点来描绘的。这一理论和提出的新概念非常有用,非常重要,但却是不彻底的半经验理论。

4. 量子力学的Collision theory, 有弹性碰撞和非弹性碰撞,可否发展到化学碰撞?

5 .究竟有没有From first principle 的化学反应定律?


所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是21世纪化学应该解决的第一个难题。

  • (1)唐敖庆 《微观反应动力学》

  • (2)楼南泉 朱起鹤 王秀岩 《态态反应动力学和原子分子激发态》,大连理工大学出版社,1997

  • (3) Fentochemistry and Fentobiology by A.Douhal,et al, World Sci, 2002

  • (4)Photo-dynamics and reaction dynamics, Modern Physics,2,Part D,75(2000).

  • (5)R.J.Gordon and Y.Fujimura,Eds.Quantum Control of Molecular Reaction Dynamics, World Scientic,(2001).


3所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是.化学的第二世纪难题:分子结构及其和性能的定量关系

  • 这里“结构”和“性能”是广义的,前者包含构型、构象、手性、粒度、形状和形貌等,后者包含物理、化学和功能性质以及生物和生理活性等。

  • 虽然W.Kohn从理论上证明一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质,但实际计算困难很多,现在对结构和性能的定量关系的了解,还远远不够。要大力发展密度泛函理论和其它计算方法。这是21世纪化学的第二个重大难题。


  • 所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是1)如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料?

  • (2)如何使宏观材料达到微观化学键的强度?例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个量级,但还远未达到金属-金属键的强度,所以增加金属材料强度的潜力是很大的。又如目前高分子纤维达到的强度要比高分子中的共价键的强度小两个数量级。这就向人们提出如何挑战材料强度极限的大难题。


所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是3)溶液结构和溶剂效应

  • 1.H.Sato,”Theory for Solvent Effects:A Combination of Electronic Structure Theory and Liquid Theory-Quantum Mechanics,Stat.Mech”, Kagaku to Kogyo 54-2,119-123(2001).

  • 2.Water Clusters, Adv.Chem.Phys.110,431 (1999).

  • 3.Liquid water studied by quantum and statistical mechanics, BUTSURI (J.Phys.Soc.Japan),54, 696,(1999)

  • 4.“Two-dimensional Spectroscopy of Liquids”, J.Electrochemical Soc.Japan,68,125-129(2000).


(4) Monolayers所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是

The Physical Prop of Org Monolayers, by M.Iwanmoto and Wu Chen-Xu, World Sci, 2001

以上各方面是化学的第二根本问题,其迫切性可能比第一问题更大,因为它是解决分子设计和实用问题的关键。


4所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是.化学的第三世纪难题: 生命科学中的化学问题

充分认识和彻底了解人类和生物体内分子的运动规律,无疑是21世纪化学亟待解决的重大难题之一。例如:


所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是1)研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理,这是药物设计的基础。

中科院上海药物所的量子化学家陈凯先院士做了很好的工作。北京大学徐小杰教授做了几个药物设计软件

Tingjun Hou and Xiaojie Xu, “A new molecular simulation software package for structure-based drug design”, J.Mol.Graphics and Modelling,19, 1-13 (2001).


所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是2)化学遗传学为哈佛大学化学教授Schreiber所创建。他的小组合成某些小分子,使之与蛋白质结合,并改变蛋白质的功能,例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能,为开创化学蛋白质组学,化学基因组学(与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同)奠定基础。

因此小分子配体与生物大分子受体的相互作用的机理,是一个重大的理论化学问题,值得我们关注。


所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是3)光合作用的机理-活分子催化剂叶绿素如何利用太阳能把很稳定的CO2和H2O分子的化学键打开,合成碳水化合物[CH2O]n,并放出氧气,供人类和其它动物使用。

(4)固氮作用的机理。

(5)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。


所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是6)人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。

(7)了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。

(8)了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。

(9)如何实现从生物分子[biomolecules]到分子生命[molecular life]的飞跃?如何制造活的分子(Make life),跨越从化学进化到生物进化的鸿沟。


所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是10)蛋白质和DNA的理论研究

  • 1.C.A.Floudas and P.M.ardalos Eds, Encyclopedia of Optimization,Kluwer Academic,2001,Vol.III Monte Carlo simulated annealing in protein folding.

  • 2.A.Mitsutake,et al,Generalized-ensemble algorithms for molecular simulations of biopolymers, Biopolymers(Pept.Sci) 60,96-123,(2001).


5所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是.化学的第四世纪难题:纳米尺度的基本规律

  • 当尺度在十分之几到10纳米的量级,正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界[fuzzy boundary]中,有许多新的奇异特性和新的效应,新的规律和重要应用,值得我们理论化学家去探索研究。下面举例说明纳米效应:


1所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是.如以银的熔点和银粒子的尺度作图,则当粒子尺度在150纳米以上时,熔点不变,为960.30C,即通常的熔点。以后熔点随尺度变小而下降,到5纳米时为1000。又如金的熔点为10630,纳米金的融化温度却降至3300


(1)所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是陈景:“原子态与金属态贵金属化学稳定性的差异”,待发表。

在纳米尺度,热运动的涨落和布朗运动将起重要的作用。因此许多热力学性质,包括相变和“集体现象”(Collective phenomena) 如铁磁性,铁电性,超导性和熔点等都与粒子尺度有重要的关系。下面是讨论这一问题的一本好书。

(2)T.L.Hill:《Thermodynamics of Small Systems》, Dover,New York,1994。


2. 所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是纳米粒子的比表面很大,由此引起性质的不同。例如纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从6000降至室温。这一现象为新型常温催化剂的研制提供了基础,有非常重要的应用前景。纳米催化剂能否降低反应活化能?这是值得研究的一个理论问题。


3. 所以建立严格彻底的微观化学反应理论,包刮决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是当代信息技术的发展,推动了纳米尺度磁性[Nanoscale magnetism]的研究

(3) G.Timp,Ed.,《Nanotechnology》,AIP Press, Springer-Verlag, New York, 1999.由几十个到几百个原子组成的分子磁体表示出许多特性,如tunneling, quantum coherence, thermo-induced spin crossover transitions


(4)E.Coronado,et.al,《Molecular Magnetism:From Molecular Assemblies to Devices》,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996)。

(5)D.Givord and M.F.Rossingol,“Coercivi ty”, p.210,in 《Rare Earth Permanent Magnets》,J.M.Coey, editor, Oxford Univ Press(Oxford,1997).

(6)G.A.Prinz,“Magnetoelectronics”,Science,282,1660(1998).


4. Assemblies to Devices》,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996)电子或声子的特征散射长度,即平均自由程 在纳米量级。当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时,电流或热的传递方式就发生质的改变。

(7)L.L.Sohn,et.al,editors:《Mesoscopic Electron Transport》, Dordrecht, 1996.

(8)S.Frank,et.al,“Carbon Nanotube Quantum Resistors”,Science,280,1744 (1998).


5. Assemblies to Devices》,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996)与微粒运动的动量p=mv相对应的de Broglie 波长l=h/p,通常也在纳米量级,由此产生许多所谓“量子点(Quantum Dot)”的新现象。

(9)Special Issue on Quantum Dot Structures,Janpanese J.of Applied Physics, Vol.38,No1B,1999.

(10)G.Timp,editor,《Nanotechnology》,AIP Press,Springer-Verlag,New York,1999.]


(11)Y.Wang,et.al, Assemblies to Devices》,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996)”Tunnelling through quantum dot systems: a study of the magneto-conductance fluctuations”, J.Phys.Condens.Matter,6,L143,1994.

所以纳米分子和材料的结构与性能关系的基本规律是21世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一。


(12) 《.Nano-Science Res.Directory,2000》 Assemblies to Devices》,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996)是美国BNL编写的一篇内部Review,有200篇参考文选。

(13) H.Kuzmany eeet al,Eds.,《Elecctronic Properties of Novel Materials-Molecular Nanostructures》,Am.Inst of Phy.Conf. Proc.(2000).

(14) 吴征铠,唐敖庆主编:《分子光谱学专论》, 1999 , 山东科技出版社, 其中第五篇,李铁津, 赵冰,赵新生:“纳米材料与二维有序薄膜的分子光谱研究”


6 theoretical study of clusters fullerenes and nanotubes
6 Assemblies to Devices》,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996).Theoretical Study of Clusters, Fullerenes and Nanotubes

1. 唐敖庆 李前树:《原子簇的结构规则和化学键》,山东科学技术出版社,1998

2. 卢嘉锡:《过渡金属原子簇化学新进展,福建科学技术出版社,1997》

3. Lu Jia-Xi: 《Some New Aspects of Transition-Metal Cluster Chemistry》, Science Press, Beijing/New York, 2000

4. The Physic and Chem of Clusters, World Sci, 2001


7 theoretical study of surface and catalysis
7 Assemblies to Devices》,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996).Theoretical Study of Surface and Catalysis

  • 会议有许多很好的报告,厦门大学做了很好的工作


8 theoretical study of molecular materials
8 Assemblies to Devices》,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996).Theoretical Study of Molecular Materials

1.会议有许多很好的报告

2 “In this century,molecular science has to play a central role for the establishment of the harmony between human society and natural environment by the concept of molecular materials”--Koji Kaya, Director Gen, Ann Rev IMS, 2001

3 A. P. Alivvisators et al. “ From Molecules to Materials: Current Trends and Future Directions ”, Adv. Mater. 1998, 10. No. 6. 表1:从分子到分子基功能材料的例子*(为压缩篇幅,移到附录)


9 Assemblies to Devices》,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996).Theretical Study of Non-covalent Interactions in Supermolecular Assembly: Hydrophobic(HB)-Hydrophilic(HP) ,HB-HB,HP-HP Interactions, Steric Hindrance, Van der Waals Force, Various Kinds of Hydrogen Bonds, Agostic Bonds, et al

10. Theoretical Study of Molecular Self-Assemblies

11. Theoretical Study of Molecular Devices


12 theoretical study of complex systems chaos nonlinear problems
12.Theoretical Study of Complex Systems. Chaos. Nonlinear Problems

复杂、开放、非平衡系统的热力学,耗散和混沌状态,分形现象等非线形科学问题。

(1)G.M.Whitesides,et.al,“ Complexity in Chemistry”, Science, Vol.284,89-92,1999.

(2) H.V.Westerhoff,et.al,”Thermodynamics of Complexity”, Thermochimica Acta, 111 (1998)

(3) I.S.Choi et.al,”Shape-selective Recognition and Self-Assembly of mm-scale Components”, JACS 1754(1999).


(4) K. Mainzer, Thinking in Complexity (Springer-Verlag, New York, ed. 3, 1997)

(5) F. A. Carroll Perspectives on Structure and Mechanism in Organic Chemistry (Brooks/Cole, Pacific Grove, CA, 1998)

(6) A. Arkin et al. Science 277, 1275(1997); I. Schreiber et al. J. Phys. Chem. 100, 8556 (1996)

(7) A. Goldbeter et al. 《Biochemical Oscillations and Cellular Rhythms: The molecular Bases of Periodic and Chaotic Behavior》,Cambridge Univ.Press,Cambridge,1996.


13 theoretical study of the condensed phase
13. Theoretical Study York, ed. 3, 1997)of the Condensed Phase

(1) Perspectives on the Macromolecular

Condensed State, by Renyuan Qian(钱人元) World Sci,2002

(2) Equations of State Theories and Their Applicationt to Polymers, Blends and Solutions, by B. Brudolf, et al., World Sci。,2002


14 bio informatics
14. Bio-Informatics York, ed. 3, 1997)

现在生物学和化学积累了大量信息,但处理、研究和运用这些信息,总结规律的工作显然大大滞后。这是百年一遇的大宝库,已有几位理论物理学家如郝柏林院士等进入这一领域,我们理论化学家要不要试一试呢?

(1)Y.Okamoto,“How far can computational chemistry approach the full understanding biological phenomena” in 《Challenges in Theoretical Chemistry and Computational Chemistry, in the 21st Chemistry Vol 9, Chem Soc of Japan,(2001).

(2) Y.Okamoto,“Post-genome analyses by computer simulations” in 《Genome,Life and Computer》, Computer Today, 101 (2001).

(3) O.M.Becker,et al.,Eds., 《Computationary Biochemistry and Biophysics》,Marcel Dekker Inc.,New York,(2001).


15 chemo informatics
15. Chemo-Informatics York, ed. 3, 1997)

  • 化学文献和数据的积累非常迅速,但利用这一文献宝库来总结规律的工作相对滞后.从科学发展史看,科学数据的大量积累,往往导致重大科学规律的发现。如17世纪的天文学积累了几百颗天体运动的数据,对它们的分析导致开普勒提出天体运动的三大定律,为牛顿建立他的经典力学体系奠定基础。

  • 19世纪60年代的化学积累了数十种元素和上万种化合物的数据,门捷列夫把这些元素按原子量的大小次序排列,发现它们的化合物的性质有周期性变化,因而在1869年提出元素周期律,为以后发现新元素和玻耳建立原子模型指明了方向。


  • 20 York, ed. 3, 1997)世纪30年代,积累了100多万种化合物的数据,结合量子化学的发展,导致鲍林提出共价、电价和氧化值的定义,以及键、键、杂化轨道、电负性、共振结构等新概念,总结出化学键理论,发表《论化学键本质》这本经典著作,对20世纪化学的发展起了非常重要的作用。

  • 现在截止1999年12月31日,美国化学文摘登记的分子、化合物和物相的数目已超过2340万种,比鲍林总结化学键理论时扩大了十余倍,但全世界的化学家似乎还没有充分利用这一化学文选宝库来总结规律。这是世纪之交的难得机遇,不可交臂失之。


16 classification of molecules according to their structural types the n b scheme
16. Classification of Molecules According to Their Structural Types: The N,B,, Scheme


Periodical Table of Molecules and Molecular Fragments Structural Types: The N,B,

* Is it necessary? *Is it possible?

1. Our considerations

(1) Atoms→Fragments → Structures → Molecules,

(2) How to characterize a structure?

N= No of fragments B=No. of interfragment bonds

NB= 4,3 4,4 4,5 4,6

R. Hoffmann first proposed“molecular fragment” in

his “principle of isolobal analogy”


From topology, only 6 ways to connect 4 positions Structural Types: The N,B,

(1) NB = 4,3,3 (2) NB = 4,3,3 (3) NB = 4,4,4

(4) NB = 4,4,4 (5) NB = 4,5,5 (6) NB = 4,6,6


Add Structural Types: The N,B, bonds, with F1, F2, F3, F4, we have 28 more structures

(7) NB = 4,4,3 (8) NB = 4,4,3 (9) NB = 4,5,3 (10) NB = 4,5,3

(11) NB = 4,5,3 (12) NB = 4,5,3 (13) NB = 4,6,3 (14) NB = 4,6,3


(15) NB Structural Types: The N,B, = 4, 7, 3 (16) NB = 4, 4, 3 (17) NB = 4, 5, 4 (18) NB = 4, 6, 4

(19) NB = 4, 6, 4 (20) NB = 4, 7, 4 (21) NB = 4, 8, 4 (22) NB = 4, 8, 4


(24) NB Structural Types: The N,B, = 4,5,4 (25) NB = 4,5,4 (26) NB = 4,5,4 (27)NB = 4,6,4

(38)NB = 4,6,4 (29) NB = 4,6,5 (30) NB = 4,6,5 (31) NB = 4,7,5

(32) NB = 4,7,5 (33) NB = 4,7,6 (34) NB = 4,8,6


Table 1 Periodical Table of Molecules Structural Types: The N,B,

N B= 2N, 2N-1, 2N-2,………………… N-1

1 1 0

2 2 4 3 2 1

3 3 6 5 4 3 2

4 4 8 7 6 5 4 3

5 5 10 9 8 7 6 5 4

6 6 12 11 10 9 8 7 6 5

7 7 14 13 12 11 10 9 8 7 6

…………………………………………………………

Each block in the above table contains a vast no. of molecules as shown below


2 Structural Types: The N,B,.Definition of Fragments

  • We define a fragment as composed of a central atom with some ligands L linked to it by covalent bonds.

    • Fragments=Ak+Ligands L1

  • Fi = Mj = AkLl, j= k+l; (1)

  • I = 2s-j, s = No. of Val. Orb. (2)

  • for diamagnetic molecules without three-center-two electron bonds



  • Table 2 examples of fragments m i
    Table 2. Examples of Fragments M Structural Types: The N,B,i


    Table 5 periodic table of fragments m i
    Table 5 Periodic table of fragments M Structural Types: The N,B,i


    5. From molecular formula to structure Structural Types: The N,B,

    Ex(2)

    应用I


    From topology, only 6 ways to connect 4 positions Structural Types: The N,B,

    (1) NB = 4,3,3 (2) NB = 4,3,3 (3) NB = 4,4,4

    (4) NB = 4,4,4 (5) NB = 4,5,5 (6) NB = 4,6,6


    应用 Structural Types: The N,B,II 决定文献已测分子结构的成键情况

    Ex. 4a NB = 4,8,4 Cu4(CH2SiMe3)4,

    J. A. J. Jarvis, ets. J. Chem. Soc. Chem. Comm. 475(1993)

    M12 M12

    s=8 (d5sp2)

    B=1/2(4+4)=8

    NB=4,8,4

    =8-4=4

    3c-2e bond

    d(Cu=Cu)=242pm


    Ex. 4b NB Structural Types: The N,B, = 4,4,4

    Ex. 4c F2=M16

    Pt4(CH3COO)8=A104L38=M164=F24

    d5sp3, s=9, i=2s-j=18-16=2

    Others 4 CH3COO

    groups  plane


    ad