21世纪理论化学的挑战和机遇

21卷5期　　　　　　　　　　　　 结　构　化　学　（JIEGOU 　HUAXUE ）　　　　　　　　　　Vol. 21, No. 5

2002. 9 Chinese J. Struct. Chem. 463~469

［综述］

21世纪理论化学的挑战和机遇

徐光宪

（北京大学，北京 100871）

本文是2002年7月在长春召开的第八届全国量子化学学术会议上的大会发言。内容如下：（1）20世纪的化学取得了辉煌的成就，应该获得社会的认同。（2）20世纪发明了七大技术，第一是合成化学技术。（3）21世纪的化学面临四大难题，期待我们去解决。（4）理论化学家应该深入交叉学科领域，拓展研究阵地。

关键词: 化学, 理论化学, 四大世纪难题, 20世纪七大技术, 合成化学技术, 交叉学科

1 20世纪的化学取得了辉煌的成就，但未获社会应有的认同

20世纪的100年中化学与化工取得了辉煌的成就。1900年在《美国化学文摘》（CA ）上登录的，从天然产物中分离出来的，和人工合成的已知化合物只有55万种。经过45年翻了一番，到1945年为110万种。再经过25年，又翻一番，到1970年为236.7万种。以后新化合物数量增长的速度大大加快，每隔10年翻一番，到1999年12月31日已达到2340万种。没有一门其它科学能像化学那样创造如此众多的新物质、新药物、新分子和新材料来满足人类的衣、食、住、行和高新技术发展的需要。但如此辉煌的成就，并未获得社会应有的认可。

一些社会舆论和中学生认为化学是一门成熟的老学科, 发展前途不大，理论化学尤其不受重视。究其原因，我们认为有以下几点：

（1）“老科学”意味着，发展速度已很慢，或已走下坡路，没有什么发展前途。实际上化学家合成和分离的新化合物，从1970年的237万，到1999年底的2340万，翻了10番。这种以指数函数发展的高速度，可以和信息科学、生命科学相媲美。但“化学家太谦虚”（这句话是《自然》杂志在2001年的评论中说的[1]，不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。

（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，从而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。

（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世纪要解决的理论难题。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，这也是中学生不愿报考化学专业的原因之一。其实，造成环境污染的不仅是化学工业，更主要的是汽车尾气排放，煤燃烧，沙尘暴以及微电子工业等。而化学家正对环境的检测、分析、治理做出重要贡献，并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。

1．1 20世纪有七大技术，第一是合成化学技术

报刊上常说20世纪发明了六大技术：（1）无线电、半导体、计算机、芯片和网络等信息技术，（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）航空航天和导弹技术，（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、化肥和农药的化学合成技术。上述六大技术如果缺少一两个，人类照样生存，但如没有发明合成氨和合成尿素以及合成第一代、第二代、第三代的新农药技术，全世界的粮食产量至少要减半，世界60亿人口有一半要饿死。没有发明合成各种抗生素和新药物，人类平均寿命至少要缩短25年。没有发明合成纤

　

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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世纪发明了七大技术，第一是化学合成技术。

1909年F. 哈勃为解决世界范围氮肥短缺问题，提出用空气中的氮和水中的氢在高温高压和催化剂作用下合成氨的技术，于1918年获诺贝尔奖。C. 博施改进了高压合成氨的催化方法，于1931年又获诺贝尔奖。国外传媒通过问询答卷的方式，评选出20世纪最重大的技术发明，得票最多、评为20世纪第一重大发明的就是Haber Process ，即在1918年和1931年两次获得诺贝尔奖的催化合成氨技术。所以化学在20世纪的成就用“空前辉煌”来描述，是并不过分的。 20世纪和21世纪上半叶理应称为化学合成时代和信息时代，要到21世纪下半叶才能称为生物技术时代，因为目前生物技术的实际应用和产业规模还很小，远远不及化工产业和信息产业。 1．2 化学是中心科学，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

科学可按照其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，是从上游到下游的必经之地，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。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之一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“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。

所以《自然》杂志在2001年发表社论说[1]：“化学的形象被其交叉学科的成功所埋没”。化学这门原本是重要的中心科学（Central science）反而被社会看作是伴娘科学（Bridesmaid science）而不受重视，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。 1．3 化学有没有理论？

有人说：化学没有理论，只是一堆白菜。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[2]。他说：19世纪的化学有三大理论成就：（1）经典原子分子论，包括建筑在定比定律、倍比定律和当量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）门捷列夫的化学元素周期律（3）化学反应的质量作用定律。道尔顿的原子论和门捷列夫的化学元素周期律对于20世纪物理学家玻尔建立原子的壳层结构模型，具有十分重要的借鉴作用。所以化学和物理这两个姐妹学科是互相促进的，并非只有物理学有理论，化学没有理论，只是一堆白菜。

20世纪的化学也有三大理论成就：（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，现代生物学中最重大的发现，即DNA 的双螺旋模型，就是在化学家L. Pauling 提出的氢键理论和蛋白质分子的螺旋结构的基础上提出来的。所以化学键理论是当代自然科学中，承上启下的，非常重要的理论。没有化学键理论，要合成如此众多的新分子、新材料来满足人类的需要，是不可能的。这也说明“化学没有理论，只是一堆白

　

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菜”的说法，是很不公正的。（3）上世纪30年代H. Eyring 提出的绝对反应速度理论和60年代发展起来的分子反应动态学，这些理论是化学反应的根本规律，尽管现在还不完善，但没有这些理论，就不可能有20世纪最重要的合成化学技术。

到了21世纪，世界数学家协会提出七大数学难题，筹集了700万美元，悬赏100万美元给每一个难题的解决者。物理学提出了五大理论难题：（1）四种作用力场的统一问题，相对论和量子力学的统一问题。（2）对称性破缺问题。（3）占宇宙总质量90%的暗物质是什么的问题。（4）黑洞和类星体问题。（5）夸克禁闭问题等。21世纪的生物学也有重大难题和奋斗目标：（1）后基因组学和人类疾病的消除。（2）蛋白质组学。（3）脑科学。（4）生物如何进化？生命如何起源等。 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。这样与物理学和生物学相比，就会显得化学没有什么伟大的目标了。其实化学家心目中是有自己的奋斗目标的，只是不愿多说。但这又造成“化学无理论”的错误印象。本文在第2节中提出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。 1．4 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）发表的文章中提到：瑞典皇家科学院在颁奖公报中说：（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”。（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报考量子化学专业的研究生。这对整个化学的发展是有利的。

1．5 吉林大学是我国理论化学的发源地，理论化学在我国有很好的基础

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卢嘉锡、唐敖庆等的建议，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，使我国大学授予的学位能被国际社会所承认，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。

我国已举办八次全国量子化学学术会议，多次中日理论化学双边讨论会，参加多次国际量子化学会议。参加这次会议的代表多达300余人，在广泛的领域范围内提出许多高水平的学术论文，说明我国理论化学已有很好的基础。

但是到了21世纪，令人意外地发现，化学和理论化学都发生了危机，特别是中学生不大愿意报考大学化学专业，化学系本科毕业生不大愿意报考理论化学研究生的生源危机。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。Theoretical chemists of the 21st century should be more aggressive，主动进入交叉学科领域，拓展我们的研究阵地。

2 加强理论化学的基础研究，向化学的四个世纪难题进军

2．1 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

　

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国家自然科学基金会，科技部，教育部和中科院的大力支持。下面列举几本书供参考[3~6]。 2．2 化学的第一根本规律（第一世纪难题）：建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论

19世纪建立的质量作用定律是宏观化学动力学的基础，是重要的经验定律。薛定谔第二方程解决了原子和分子光谱定态之间的跃迁几率问题。H. Eyring建立的绝对反应速度理论以及过渡态、活化能和势能面等都是根据不含时间的薛定谔第一方程来计算的。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。

近年来发展了含时Hartree －Fock 方法，含时密度泛函理论方法，以酉群相干态为基础的电子-原子核运动方程理论，波包动力学理论等。但目前这些理论方法对描述复杂化学体系还有困难。

所以建立严格彻底的微观化学反应理论，既要From first principle,又要巧妙地采取近似方法，使之能解决实际问题，包括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[7~11]。 2．3 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。

（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。

（3）溶液结构和溶剂效应对于性能的影 响[12~15]。

(4) 具有单分子和多分子层的膜结构和性能的关系。

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。

2．4 化学的第三世纪难题：生命现象中的化学机理问题

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：

（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，正在主持一个药物设计的973项目。北京大学徐小杰教授做了几个药物设计软件[16]。

（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。

（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CO 2和H 2O 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）生物固氮作用的机理。

（5）搞清楚牛、羊等食草动物胃内的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。

（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。

　

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（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。

（10）蛋白质和DNA 的理论研究[17~20]。 2．5 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）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960.3 ℃, 即通常的熔点。以后熔点随尺度变小而下降，到5纳米时为100 ℃。又如金的熔点为1063℃，纳米金的融化温度却降至330 ℃[21]。

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。这里推荐一本讨论这一问题的好书[22]。

（2）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600 ℃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）当代信息技术的发展，推动了纳米尺度磁性[Nanoscale magnetism]的研究[23]。

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[24, 25]。 (4) 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[26~28]。

（5）与微粒运动的动量p = mv相对应的de Broglie 波长λ= h/p，通常也在纳米量级，由此产生许多所谓“量子点(Quantum Dots)”的新现

象[29~31]。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[32]。

3 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。

3．1 簇合物化学、富勒烯和纳米管的理论研 究[33~37]

3．2 表面和催化的理论研究

3．3 分子建筑、分子材料和分子器件的合理设 计[38, 39]

3．4 超分子聚集体(supramolecular assembly)中弱相互作用的理论研究

Hydrophobic(HB)-Hydrophilic(HP), HB-HB, HP-HP Interactions, Steric Hindrance, Van der Waals Force, Various Kinds of Hydrogen Bonds, Agostic Bonds, et al.

3．5 分子自组织聚集体的理论研究 3．6 分子器件学及其理论研究

3．7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[40~47] 3．8 凝聚态的理论化学[48, 49]

3．9 生物信息学(Bio-Informatics)[50~52]

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？

3．10 化学信息学（Chemo-Informatics ） 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

　

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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尔建立原子模型指明了方向。

20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s 键、p 键、杂化轨道、电负性、共振结构等新概念，总结出化

学键理论，他发表的经典著作《论化学键本质》，对20世纪化学的发展起了非常重要的作用。 截至1999年12月31日为止，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献宝库来总结规律。这是世纪之交的难得机遇，万万不可交臂失之。

参 考 文 献

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The Challenges and Opportunity of Theoretical Chemistry

of the 21st Century

XU Guang-Xian

（Peking University, Beijing 100871, China ）

Abstract

Chemistry of the 20th century has accomplished great achievements, which should deserve recognition of the human society. There are seven innovations in technology of the 20th century, among which , the most important one is the technology of chemical syntheses. There are four big and difficult problems of chemistry facing the 21st century, waiting chemists to solve. Theoretical chemists should be more aggressive and extend their research fields into many interdisciplinary areas.

Keywords: chemistry, theoretical, chemistry, four difficult problems of chemistry of the 21st century, seven innovations in technology of the 20th century, the technology of chemical syntheses