我国配位化学进展
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配位化学是在无机化学基础上发展起来的一门边沿学科。它所研究的主要对象为配位化合物(Coordination Compounds,简称配合物)。早期
的配位化学集中在研究以金属阳离子受体为中心(作为酸)和以含N、O、S、P等给体原子的配体(作为碱)而形成的所谓“Werner配合物”。第二
次世界大战期间,无机化学家在围绕耕耘周期表中某些元素化合物的合成中得到发展。在工业上,美国实行原子核裂变曼哈顿(Manhattan)工程
基础上所发展的铀和超铀元素溶液配合物的研究,以及在学科上,1951年Panson和Miller对二茂铁的合成打破了传统无机和有机化合物的界限
,从而开始了无机化学的复兴。
当代的配位化学沿着广度、深度和应用三个方向发展。在深度上表现在有众多与配位化学有关的学者获得了诺贝尔奖,如Werner创建了配
位化学,Ziegler和Natta的金属烯烃催化剂,Eigen的快速反应,Lipscomb的硼烷理论,Wilkinson和Fischer发展的有机金属化学,Hoffmann的
等瓣理论,Taube研究配合物和固氮反应机理,Cram,Lehn和Pedersen在超分子化学方面的贡献,Marcus的电子传递过程。在以他们为代表的开
创性成就的基础上,配位化学在其合成、结构、性质和理论的研究方面取得了一系列进展。在广度上表现在自Werner创立配位化学以来,配位
化学处于无机化学研究的主流,配位化合物还以其花样繁多的价键形式和空间结构在化学理论发展中,及其与其它学科的相互渗透中,而成为
众多学科的交*点。在应用方面,结合生产实践,配合物的传统应用继续得到发展,例如金属簇合物作为均相催化剂,在能源开发中C1化学和
烯烃等小分子的活化,螯合物稳定性差异在湿法冶金和元素分析、分离中的应用等。随着高[！]新技术的日益发展,具有特殊物理、化学和生物化
学功能的所谓功能配合物在国际上得到蓬勃的发展。
自从Werner创建配位化学至今100年以来,以Lehn为代表的学者所倡导的超分子化学将成为今后配位化学发展的另一个主要领域。人们熟知
的化学主要是研究以共价键相结合的分子的合成、结构、性质和变换规律。超分子化学可定义为分子间弱相互作用和分子组装的化学。分子间
的相互作用形成了各种化学、物理和生物中高选择性的识别、反应、传递和调制过程。而这些过程就导致超分子的光电功能和分子器件的发展(
图1)。
图1 超分子化学与分子器件
我国配位化学的研究在中华人民共和国成立前几乎属于空白。1949年后随着国家经济建设的发展,仅在个别重点高等院校及科研单位开展
了这方面的教学和科研工作。60年代中期以前,主要工作集中在简单配合物的合成、性质、结构及其应用方面的研究,特别是在溶液配合物的
平衡理论、混合和多核配合物的稳定性、取代动力学、过渡金属配位催化以及稀土和W、Mo等我国丰产元素的分离提纯以及配位场理论的研究。
除了个别方面的研究外,总体来说与国际水平差距还较大。
80年代后,在改革开放政策指引下,我国的配位化学取得了突飞猛进的发展。中国化学会1985年创办了《无机化学》杂志。在国家自然科
学基金委员会、国家科学技术部和国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)发起下,1987年在我国成功地召开了第25届国际配位化学会议,标志着我
国配位化学研究开始走向世界。南京大学配位化学研究所、北京大学稀土研究中心、中国科学院长春应用化学研究所等相关研究实体相继建立
。我国无机化学工作者在环顾了国际上的最新进展后,除了对传统的配合物体系继续发展之外,还开始填补了一些诸如生物无机、有机金属、
大环配位化学等原属空白的分支学科。从此我国配位化学研究已步入国际先进行列,研究水平大为提高。特别在下列几个方面取得了重要进展
:(1)新型配合物、簇合物、有机金属化合物和生物无机配合物,特别是配位超分子化合物的基础无机合成及其结构研究取得丰硕成果,丰富了
配合物的内涵;(2)开展了热力学、动力学和反应机理方面的研究,特别在溶液中离子萃取分离和均向催化等应用方面取得了成果;(3)现代溶
液结构的谱学研究及其分析方法以及配合物的结构和性质的基础研究水平大为提高;(4)随着高新技术的发展,具有光、电、热、磁特性和生物
功能配合物的研究正在取得进展。它的很多成果还包含在其他不同学科的研究和化学教学中。
我国配位化学的进展具有一系列特点。作为化学的重要分支领域之一的配位化学,在其学科本身发展的同时创造出更为奇妙的新材料,揭
示出更多生命科学的奥妙。在研究对象上日益重视与材料科学和生命科学相结合。在从分子进到材料合成的研究中更加重视功能体系的分子设
计。金属离子在生物体系中的成键,除维生素B12中的Co—C键以外,几乎都是以配位键形式结合。其功能体系组装是一个更为复杂的问题。这
时要求将正确的物种放在正确的位置(在与动力学有关的问题中,还要按着正确的时间)才能发挥应有的功能。高效、经济和微量的组合化学的
应用,将有助于分子合成和设计的实践
。
从超分子之类的新观点研究分子的合成和组装,在我国日益受到重视。化学模板有助于提供组装的物种和创造有序的组装,但是其最大的
困难在于克服热力学第二定律所要求的无序。这时配位化学家的任务之一就是和热力学进行妥协。尽管目前我们了解一些局部的组装规律和方
法,但比起自然界长期进化而得到的完满而言,还有很大差距。正如有了一群能分别演奏各种乐器的音乐家,若没有很好的指挥,还不能演奏
出一场满意的交响乐。其原因就是缺乏有意识地进行组装。对于组装的本质和规律,有很多基础性研究有待深入进行。
作为边沿学科的配位化学日益和其他相关学科相互渗透和交*。正如Lehn所指出,超分子化学可以看作是广义的配位化学,另一方面,配
位化学又是包含在超分子化学概念之中。配位化学的原理和规律,无疑将在分子水平上对未来复杂的分子层次以上聚集态体系的研究起着重要
作用。其概念及方法也将超越传统学科的界限。我国配位化学家在进一步促进它和化学内有机化学、物理化学、分析化学、高分子化学、环境
化学、材料化学、生物化学、以及凝聚态物理、分子电子学等学科的结合方面有了很好的开端。进一步的发展必将给配位化学带来新的发展前
景。
我国幅员辽阔,资源丰富,经济建设中有各方面的要求。还存在一些无人问津的薄弱领域,例如配位光化学、界面配位化学、纳米配位化
学、新型和功能配合物以及配位超分子化合物的研究。金属配合物的研究有明显的应用背景,具有开发成重大经济效益的潜力。它的基础和理
论性研究也处在现代化学发展的前沿领域,对下一世纪我国化学学科的发展,必将产生深远影响。