〔提要〕化学合成是为社会服务的大多数新材料的最终源泉。化学合成的进展取决于在其它化学分支方面所取得的相应进展，例如分析、测定化学结构和反应机理内在细节的方法、化学结构和化学反应的理论等化学分支。本文叙述了在这些化学领域的某些部分最近所取得的进展。

化学是一门影响面广的科学、它提供着新的物质，其范围从复杂的有机药物和农典化学药品到控制电子流动使计算机工作的高级无机固体。它阐明大自然在成千上万年里“学会”组合的错综复杂的原子化合。它发现了催化剂，催化剂使人们有可能复制和改进复杂的天然物质，控制在手性部位上反应的立体化学过程，把石油和煤转化成基本的化学化合物。它创造出许多合成的大分子，并且正在开发着有关天然生物大分子的结构和作用机理方面的丰富资料。它探查着发生在不到一毫微秒时间内的化学事件的内在细节，并且探测着复杂混合物中微微克范围内水平上的原子和化合物。它研究着处于不同量子态的原子和小分子的反应。本文将叙述许多化学科学领域中的几个方面最近所取得的进展。

测试方法和分析化学

在最近几年里，分析测试方法取得了显著的进步，它是由各式各样的技术进步推动促成的。事情通常就是这样，有了几种基本的发明创造，其他的人就加以推广和发展，结果就提供出大批新的和复杂的分析系统。例如，半导体几乎遍及到分析科学的所有方面，提供了我们现今知道的高级电子仪器控制设备和显示装置。数字计算机，尤其是快速和精确的微型和小型处理机，在某些情况下还有大型数据捣弄器或数据分析器，已经成了现代测量技术的必不可少的和总体中名、备的组成部分。用单晶X射线衍射法产生出完整的有机分子结构曾经一度是一项完整的科研课题，现在利用现代X射线设备并采用计算机数据分析就容易多了，一个内行的检晶者只要工作一周就能弄清楚了。在涉及到复杂分析测量的领域中，几乎没有不受到半导体和计算机技术影响的。

其他的发展成果也有着广泛的影响。高真空技术引起了许多研究表面性质和发生在表面上的化学过程的新技术不断向前发展，这些新技术包括电子光谱化学分析（ESCA）、俄歇电子光谱（AES）、离子散射谱（ISS）、二次离子质谱（SIMS）、低能电子衍射谱（LEEDS）和扫描式电子显微镜（SEM）；高真空技术还推动了其他学科例如质谱学的发展。人们已经公认了傅里叶变换（FT）方法的优点，这些优点促使人们发明创造了一些物理方法，使资料的编码和译码在灵敏度、分辨力和速度等方面均大大提高。具体的例子包括脉冲傅里叶变换捧磁共振（FT-NMR）和傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）以及傅里叶变换红外光谱干涉法。现在，用不到一微克的样品即可顺利地得到质量极好的红外光谱，而在不久以前，要做到这点却需要零点几克。人们研制出了一些用作色层柱填料的小（5 ~ 30微米）而坚硬的多孔微粒，这些成果使人们用液体色层法实现了非挥发性或热敏性物质，在此以前是难以做到这一点的。激光的发展重新复活如像喇曼、瑞利光散射和相关光谱等种种分子表征技术。最近的一项喇曼实验提供了在单一生物细胞内一个农药微粒的很好的光谱。

在这些发展和其他发展成果提供了许多领域的大量资料的同时，有几种独特的贡献物也扩大了分析测量的范围。在以下段落里要陈述其中一部分。

现在，具有傅里叶变换界面的超导磁体使核磁共振的灵敏度和色散能大大改善。C-13核磁共振已经成了通行方法，而且不到一微克的样品就能用来做1H的工作。许多其他的核，例如81P（在单个生物细胞中它是以天然丰度存在的）和15N，已经可以测定了。给这种技术再增添幻角自旋和专门的射频频率脉冲技术，人们就可能获得固体的分辨核磁共振谱，因而也能获得固态的新资料。

配上碰撞激活技术的反向几何图形质谱、不必用气相色层就可离析和鉴定复杂混合物中的单一分子种类。例如，用植物的整个部分作为样品已经对植物激素脱落酸进行了研究。此外，场致解吸技术现在能做像阳离子染料和热敏性有机金属块这样一些物质的质谱，而且现在能例行地做测定分子量所要求的精确测量质量。

气相色层是一种被有机化学家所广泛使用的现代技术。原来，二米长，内径二毫米的装填柱需要有2 ~ 5微升的样品，现在与它相比的是，新的30 m × 0.2 mm灵活可变的熔融硅毛细管柱只需要有0.05微升的样品，而且速度快四倍，分辨力高五十倍。这些毛细管柱还使人们能直接分析许多以前必须制备一些化学衍生物的物质。

例如微分脉冲、交流以及快速扫描极谱这样一些技术的新测试方法，重新复活并且扩大了电化学的范围，使人们能够得到比用直流法可以得到的高得多的灵敏度、分辨力和精确度。

在定量发射光谱中，许多基体效应已被消除，而且通过使用新的稳定光源已经取得了若干个数量级的改进，这些新光源采用了感应耦合等离子体和直流电弧、高温等离子体。

还会出现许多有希望的技术，分析测试方法将会继续得到发展、有一种振奋人心的新技术现时在市场上还不能买到，这种新技术就是场流动分馏法。这是一种单相二维的类似色层的技术，它很有希望用来作微粒分离和尺寸大小的分析。

化学合成

1828年，德国化学家Wohler合成了一种天然产物尿素，从而把化学从这样一个教条中解放了出来，这个教条就是天然产物的合成只是有生命体系所专有的活动范围。自那以后，化学的发展达到了精益求精的程度，维生素B12的总合成示范性地说明了这种情况，维生素是一种分子式为C63H88CON14O14P的化合物，它有14个手性碳中心。

如此复杂合成的关键之一，是有了大批新颖的催化剂和以有机基团与无机元素（Li、B、Al、Si、P、S、Ti、Cu、Rh、Pd）相化合为基础的反应试剂，它们能以一定程度的专一性影响一些反应，这在十年前不过是一种幻想而已。因而，利用一种有机硼试剂得到了控制醇醛缩合时生成的立体异构体的一种办法，大自然正是完全专一地运用醇醛缩合来构成许多天然化合物的部分组成的。具有一个手性中心的—种有机钌络合物催化着α，β - 未饱和氯基酸仅仅氢化成单一立体异构的α - 氨基酸。另一种钌的络合物在工业上被用来催化CO和甲醇的化合，醋酸产率达百分之九十九。

大自然的催化剂有着非常高的专一性，这刺激人。们去研究用合成物质模拟它们。像酶一样，这些物质具有容纳分子的反应性部位和催化专门反应的功能基团的立体空腔。在有关的一个领域里，环大小不相同的大环聚醚已经显示出可以选择性地与不同大小的离子生成络合物的能力。现在，同一手性中心合成出来的这种聚醚可以在一自动机器里用来把α - 氨基酸衍生物分解成它们的立体异构体。

曾被认为是不可能存在的高度应变的有机分子，现在也正去实验室里合成。一个实例是四面体结构，在这种结构里，四个相互键合的碳原子形成了一个有三个C-C键角的规则四面体，但这些键角从正常的109°28'被扭曲成60°了；这种分子的四 – t - 丁基衍生物已被合成出来，事实证明它在高达130℃的温度下也是稳定的。光化学技术已经产生出全部三种结构上允许的、高度应变的苯异构体。

现在，在有机合成方面有一活跃的领域，这个领域就是应用计算机技术来合成复杂分子的路线。化学家们可以利用图形显示“画出”目标分子的结构，还可通过访问内存储数据库探查由目标回溯一步的各种合成反应。将此回溯过程逐次迭代，化学家便可推出合适的起始物质并设计出达到目标分子的最有希望的路线。

对新的和更有特效药物的探索继续包括合成改进和模拟有生物活性的天然产物。此外，生物机理的累积知识正在为设计一些化合物奠定基础；这些化合物能够抑制某些酶，或者能结合到与疾病有关联的某些受体活性中心上。计算机图示技术开始成了设计和合成这种化合物的一种有价值的工具。

在研究有机电荷转移复合物以及如像(SN)x和(CH)x这样的聚合物中，人们正在发现非金属的电导体。无机离子夹杂到具有层面结构的材料例如石墨中，就导致生成了一些复合物，在它们的层平面上易于导电，但在垂直于层平面的方向上就不那么好了。

超导性是一种曾一度专门与液氦温度相关联的特殊现象，现在已经证明，在一些金属间的化合物里，在氢沸点附近的温度下也有超导性。通过控制合成条件来产生这些化合物的特殊的，常常是亚稳的结构相，正在向更高温度的超导体迈进。

在高温下合成，随后快速（＞105℃/秒）淬火所制得的过渡金属的非晶合金和化合物的磁性质，在理论上和实际方面均有重要意义，因为它们是不受晶粒边界效应的影响的，而它们的多晶类似物显示出有这种效应。

由于合成了具有径向组成梯度的Si-Ge氧化物纤维，使光学通讯已经成了一种现实。这些纤维能在实用距离内进行低衰减、宽带宽的传输调制单色光信号。

为了检验结构和化学键的理论，或者由于有了一种新型结构的原始概念，在对一种向往性质的探索中，也许着手合成一些新的化学药品。这种努力所取得的成果本身又继续开辟新的化学结构的思想路线，并提供具有有用的，有时还有未预料到的性质的新颖材料。

农业化学药品

从罗马时代开始、人们一直在实践着用化学药品来减少由于农业虫害、杂草、昆虫和疾病等所造成的农作物损失。像现今实施的控制虫害技术的发展，基本上是过去一个世纪的一种奇迹。然而，即使在这方面已经取得了巨大的进展，最近的估计仍然指出：在世界范围内，这样的损失仍然破坏着我们的粮食、饲料和天然纤维的33 ~ 45%。

著名的第一代控制虫害的药物中包括着这样一些物质，例如巴黎绿、亚砷酸醋酸铜、枣红混合剂、金属二烃基氨荒酸酯以及DDT等。在二次世界大战前后，新的发现包括苯氧基除莠剂、有机磷酸酯和氨基甲酸酯杀虫剂。

由于对更为有效、安全、有选择性的物质进行了探索，在五十年代和六十年代，控制虫害的新合成药剂的数字开始有了实际的飞速增长。发展成果包括大批新的除莠剂（氯酰胺、三嗪、二硝基苯胺、季类化合物和取代脲）、杀虫剂（有机磷酸酯、有机氯化物和氨基甲酸酯）以及杀菌剂（酚类、亚胺类和有机金属化合物）。

虽然最近十年里推广控制虫害的新化学药剂的速度下降了，但革新的速度却并未减慢。人们仍在继续探索新的除赛剂和控制虫害的药剂，要它们更为有效，选择性更高，在低浓度情况下也有效，而且潜在的有害环境影响最小。最近的改革创新包括以下几个方面。

除莠剂   结果表明，二苯酯的衍生物对某些难以杀死的多年生和一年生的杂草特别有效，但像黄豆这样一些粮食作物对它们还是有耐药力的，因而可以施用。磷甲基甘氨酸是很有效的广谱除莠剂；它们在植物中的作用部位向下移到杀死其根部。但用在许多粮食作物上时，它们却显得选择性不够。非对称三嗪和苯并噻偶氮腙是新型的化学药品，它们对宽叶一年生杂草特别有效。芳基磺酰 - 对称 - 三嗪脲对杂草有着广谱效力，并且能够用于某些粮食作物。例如，当以2,4-D所需要浓度的1/40施用时，它们就能控制小麦中的杂草。

杀菌剂   苯并咪唑氨基甲酸酯是在控制许多种侵袭粮食作物的真菌方面的一项较大的进展，因为它们是内吸收性的，在低浓度下也很有效，同时在一适当的时间之后就从产品中消失。从生物机理知识得出的一项同等重要的进展导致合成出抑制甾固醇合成的内吸收性杀菌剂，它们能阻碍真菌类生长的一个必不可少的进程。就其本身单独使用以及和苯并咪唑联合使用的结果已经表明，这些化合物是非常有效的。

杀虫剂   合成的揿除虫菊酶，例如芳烷基环丙烷羧酸酯，现在找到了广泛的用途，因为它们没有残留物的问题，而老一些的某些多氯化杀虫剂化合物是存在这类问题的。

植物生长调节剂也许要成为将来的主要农业化学药品。它们是这样一些物质；当把它们施用到生长中的植物上时，由它们所引出的一些反应能导致生产率提高，产品的质量更佳，或者使生产成本降低。这些化学药品现在正以一个适当的速度在扩大推广中，但现在它们的使用还限制在一些特殊情况中。例如，N，N' - 双（甲基磷酰）甘氨酸能加速甘蔗的成熟。β - 氯乙基在植物里分解，释放出乙烯，乙烯具有一些多变的效果，例如催熟西红柿，加速菠萝开花以及促进橡胶树内的橡胶浆的流动。农业化学家的一个重要目标就是鉴定清楚对主要的粮食和饲料作物有用的植物生长调节剂。

虫害综合控制是给这样一些系统取的名字，在这些系统中，为了控制所有种类的虫害，把化学的、栽培的、遗传的以及生物学的方法联合起来使用。正如最近有人叙述的那样，化学控制包括传统的和新的两类杀虫剂。栽培的方法由栽培、作物轮作、采用最佳种植制以及保持田原环境卫生等组成。发展和使用能抗某些虫害的品种和杂种，即可使植物有了先天的抵抗力。生物学防治集中在促进使用害虫的天敌。

对给世界迅速增长的人口提供粮食的关心，必然促使人们认识到：适于农业生产的陆地面积是有限的，要满足下个世纪的需求就需要增加粮食，而其中的大部分必须靠提高现已耕种的陆地面积的生产率。人们认为，要对付这一全球性的挑战，植物生长调节剂、新的植物品种、改进的杀虫剂、更好的农田器具和用户教育等是关键。从长远的观点来看，人们预料，植物生长调节剂的使用与虫害综合控制的所有要素相结合将会是对付这种挑战的一条最好途径。

大分子

普通“小分子”由2到200个原子品成；而大分子可能由数千到数十万个原子组成，这些原子化学结合成一特有的重复阵列。合成大分子是大多数合成纤维、胶片和塑料的成分，最近在其他文章早已对它们进行了讨论。生物大分子，例如蛋白质、核酸和低聚糖等，是造成活细胞结构完整性以及其功能的主要原因。下面将讨论生物大分子科学的一些最新发展，这些发展成果正在导致更好地在分子水平上了解生物学过程，还给化学家提出了概念上和实际上的新课题。

有生命生物体中大分子的合成靠酶作媒介，这些酶是一些属于已知最为有效催化剂之列的蛋白质。许多类型的天然大分子是一些结合了不止一种单体的共聚物。蛋白质是一些聚酜胺，它们是由按预定序列键合的约二十种不同α - 氨基酸衍生出来的、蛋白质的化学和功能的多样性不仅表现在这些组装块的无数排列变换中，而且表现在数量较大的折叠构形中，通过在不同的环境下各种酰胺基团之间发生氢键合，蛋白质这样的聚酰胺就能呈现折叠构形。现在，把一个特定的蛋白质组合在一个活细胞的核糖体上的速度和重现精度均不理想，这表明，在合成大分子化学方面，现有能力和未来目标之间尚有很大差距。

现在，人们可以借助一些高级技术测定蛋白质的共价结构，在这些技术中，为了查明α - 氨基酸序列，要实现逐级的降解反应。此外，X射线的研究已导致描绘出蛋白质晶体的三维结构。对这些资料、综合归纳，正使人们对酶作用有了一些理解，并正给人们抗体作用机理之一瞥。在测定DNA的核甙酸序列方面最近取得的进展使人们对基因的结构有了一些了解，提出了有关遗传信息贮存和处理的结构基础的一些新问题，它们还在发展重组DNA技术中起着重大的作用。

在大分子科学中有一个悬而未决的何题，就是生物大分子究竟是怎样呈现具有如此多变和专一功能的三维结构的。作为这个领域取得进展的一例，E. Katehalski-Katzir研究了蛋白链中热运动的动力学并且鉴定了“呼吸”振动，这种振动也许对一种酶吸着和释放某种作用物的过程有帮助。为了复制而打开DNA的双重螺旋时也有可能包含着振动能的波动起伏。S. Krimm最近测量并且相当精细地解释了长链大分子的振动光谱。结果证明，其振动频率与链的形态关系密切，在变化着的温度和应力的条件下可以研究这些形态。

这样的光谱研究正使人们洞悉折叠式生物聚合物的动力学特性，例如蛋质和核酸等；还使人们洞悉在这些聚合物起作用的过程中所发生的分子转变。在细胞组合体如膜和其他器官中的生物大分子有着特殊的局部解剖学排列，现在人们正在用例如光亲合标记这样一些技术加以阐明。由H. G. Khorana首创合成了规定序列的低核甙酸，其合成思维途径已经成熟为一种实用的方法论，现在这种方法论已被广泛地用于重组DNA技术。新发现的DNA的Z形式（左旋型）也许使人们洞悉到DNA的经典双重螺旋结构变化所产生的效应，也许还有助于我们了解内生和外生化学物对基因的影响。

随着我们对生物过程的化学机理的认识日益加深，我们设计一些特殊分子的能力也将会提高，例如医用或农用的特殊分子，它们将在功能上有很高的选择性，而且产生的生物副效应最小，使生物体系产生的生理紊乱也最小。

过渡中的加工原料

有机化学加工原料的原料基础包括天然气、液化天然气、石脑油和轻粗柴油。在今后的几十年里，供给化学加工原料的原料混合物将会发生重大的变化。虽然向新加工原料的过渡既不会是仓促的，也不会是完全彻底的，但有机化学工业的未来将依赖于新加工原料工艺过程的发现和发展。下面讨论与加工原料有关的三个研究和发展领域。

石油和页岩油   随着轻优质原油变得难以得到供应，无论是经济上还是实际上，在利用不大纯的重质馏分作为加工原料方面都正在取得进展。在常规的炉子中，重油是不可能成功裂解的，因为在这种炉子里重油会发生严重的焦化。由于硫化物和重金属的含量过高，考虑重油作为加工原料实在是出于不得已。与此相似，页岩油在其容易焦化、氮化物和重金属含量过高等方面也是坏得出了名的。在最近的一些工业生产过程中，对付这些问题的办法是在专门的反应器里审慎仔细地焦化这样的物质并收集辉焦的馏出物，用作液体烃类的来源。

利用这些物质的第二种途径是采用氢解催化剂，这些催化剂能专门地除去硫化物和氧化物。此外，人正在发展一些工艺过程，企图把原油的重馏分直接裂解为乙烯和其它低分子量的烃类，与此同时还能解决焦沉积问题，在过去这个问题常使这类工艺过程深受其害。这种途径典型地包括有在很苛刻的条件——高温和短暂的接触时间——下的非催化裂解。

人们预料，对这样一些过程的化学进行不断的研究，将会扩大石油和页岩油原料的应用，把它们用作加工原料的源泉。

煤   煤将会成为化工原料的一种主要原料，首先是作为合成气的一个来源，合成气是一种一氧化碳和氢的混合物。催化剂是利用合成气的关键；通过催化过程可以用合成气作原料制出许多基本化学品，它的清单已给人留下了深刻的印象，而且还在补充中。

一个众所周知的工艺过程，是把合成气转化成甲醇或二甲基醚（DME）。在工业生产上，甲醇是通过氧化制取甲醛或甲酸的一种源泉，也是通过羰基化制取乙酸的一种源泉。用甲醇和乙酸作原料制得的醋酸甲酯可被羰基化成乙酸酐。另一方面，醋酸甲酯同合成气反应能产生乙叉双醋酸酯，这种化合物可以裂解为醋酸乙烯酯和醋酸。

费 - 托合成法使合成气转化成一些化学品和汽油。但产生出来的是些复杂的混合物。现在，人们发现了形状选择性催化剂，例如某些沸石，这个发现开辟了把甲醇或DME选择性地转化为芳香族化合物或烯烃的道路，因而人们正在发展一些以这二化学过程为基础的工艺过程。

看看未来，一种把合成气转化成乙撑二醇的催化剂已经被发现了，但到目前为止它仅仅在高得不经济实用的压力条件下应用。有一种钌催化剂能够把甲醇羰基化成一种乙醇和醋酸甲酯的混合物，而且人们正在寻找一些直接把合成气转化成乙醇的催化剂。煤的液化也正在发展中，首先是把它作为通向液体燃料的道路；但是，煤石脑油还富有一个或两个环的芳香族化合物，因而随着这些工艺过程投入生产，它们的产品就应当成为重要的芳香族化学品的来源。

生物量   这个潜在的化学原料源面临着相当大的后勤学问题，但尽管如此，它在下一个世纪里还是会变得重要起来的。既然淀粉和糖类在化学上接近于C(H2O)x，所以这些物质很可能是含氧化学物品的来源，从这种来源得到化学品的具体实例有以前生产糖醛和现时生产乙醇作代用汽油（gasohol）。

有些植物，例如大戟属植物和银胶菊，能生产出类产品，同时人们正在探索它们的栽培技术。遗传工程和低成本栽培技术的发展，也许会使这样的植物成为专门生产一些加工原料物的“能源农场”的种植候选者。

从长远的观点来看，加工原料物的出现也许要取决于发现一些这样的催化剂，它们能够作像由水生产氢这样一些太阳能促进反应的媒介物。

我们已经进入了这样一个时代，在这个时代，充分利用资源对于实现从对石油和天然气的完全依赖进行必需的过渡是必不可少的要素。这种过渡是否能随着经济增长井井有条地进行，主要取决于现在正在进行中的规划以及研究和发展工作的质量。

化学中的统计力学

最近二十年的发展已经改变了我们对液体的性质和相变本质的认识。这些发展是从对统计力学的新见识以及计算机模拟技术的发展中得出的。

过去人们常说，对气体性质的了解是充分的，因为气体是由几乎独立的分子组成的；还常说，对晶形固体的了解也是很好的，因为据认为它们可能是由几乎独立的振子组成的；但是，我们却没有令人满意的液态理论。现在，这个事实已成过去，人们已可能根据一些基本的原理计算液体和由复杂性越来越大的分子组成的液体混合物的性质。在流体和固体中的相变和临界点的一些微妙问题已变得可以解决了。

现代液体研究的一个重要的前提是，它们的结构主要决定于短距离的分子间强有力的排斥力。于是，可以把液体当作一种稍微有些被扰动形式的假想参考流体来处理，在这种流体中，分子单单通过排斥力发生相互作用，而分子间的吸引力就是扰动。根据一种分析和数字联合技术可以求得这种参考系统的性质以及扰动的效应。虽然这种理论起初曾经成功地用来描述过由原子或球形分子组成的液体，但一些相同的概念现在正成功地用于荷电或极性分子的液体或形状比较复杂的液体。这个理论已经到了这样的时刻，人们常常可以用它来预言工业上有实用价值的一些液体混合物的性质。

在临界点附近热力学函数奇特性的定量结果方面，所有简单理论的预言值和实验结果，之间有着不相符合的情况，相变和临界点理论的新发展正是从持久不断地观察这些情况开始的，这些热力学函数有液体——蒸汽临界点、混合物的共熔点、居里点等等。重要的热力学数值一一压缩系数或渗透压缩系数、比热和面际张力——在具有特征幂的临界点上全都突然消失或脱离临界点一定距离，这种特征幂被叫做临界点指数。按所有的经典状态方程式，这些幂都是相同的；而这些实验自身在所有多种多样临界现象方面同样也是一致的。然而，这些理论值却明显地与这些实验值相矛盾。

人们终于认识到，这些较老状态方程的缺陷在于它们未能正确地说明表征临界点领域的这些广延的波动。被叫做换算的有着齐次形式的新状态方程，是作为经典方程式的归纳结果推导出来的，但这时却收进了非经典的临界点指数。在这些指数间的关系被称作换算法则，曾对它们作过预言，后来发现实质上它们是令人满意的。这些指数具有普适性，对这个事实的解释是，当接近于一个临界点时密度或组成的起伏相互关联的距离越来越大。这些波动是由临界乳光现象明白显示出来的，临界乳光在普通光下可用肉眼看到，而在固体中则用X射线或中子散射测定。—旦组成波动的范围变得比分子间的间距或分子间力的作用范围大，区别一种物质和另一种物质的微观细节就变得大不相干了，而且相平衡呈现出一种普适特性——所有的物质都是相同的。换算概念的发展以相变的重正群理论而达到最高峰，这是一套在统计力学中有着巨大能力和范围的概念。

在这些理论进展中，重要的要素是承认尽管大大加以简化但可精确地加以解释的模型的价值以及现代数字计算技术。伊辛铁磁体模型或等效点阵 - 气体流体模型的性质，人们曾用分析和敎字方法精确地求得并且看出它们是非常接近于实验求出的性质的，但它们却不同于任何经典理论所给出的性质。事情已经很清楚，早先一些概念的欠妥应归于曾在用统计力学方法得到状态方程中运用的那些近似方法不够精确。

现在、稠密系性质的计算机模拟几乎正确地提供着具有已知规定的分子间相互作用的模型系的性质。由此得到了大量有关一些流体的“实验”结果，在这些流体中分子间力的性质或强度是不易变的，而且在这些流体上可以检验一些理论是否恰当，其可靠性要比与真实流体实验相比较的方法的要大。承认这个在理论和实验之间的居间阶段是合理的，是随后取得一些进展的主要原因。计算机模拟主要有二类：蒙特卡罗模拟和分子动力学模拟。蒙特卡罗模拟是一种抽样的方法，它对分子构形的空间进行抽样，从而使人们有可能计算自由度多的一些系统的配分函数值——最初是数十个分子，现在甚至达到一千或更多的分子。在第二种模拟技术中，人们按照它们的运动受经典力学定律支配的情况仿效一个大得相类似但是有限的系统的分子的运动，因而人们就正好像在实验室里可能测量它们那样地求出该系统的性质。

量子力学和化学

虽然可以写下方程式，但却不能得到它们的精确的显解。这一直是，现在仍终是分子的量子力学的问题，分子量子力学是量子化学的一门学科。在描述天体的经典运动方面也存在着一种类似的局面，这种情况几乎并没有妨碍用计算机工作的人非常非常精密地描绘出绕火星运动的一个太空舱的位置。虽然这些方程式也许只能近似地解出，但它们的解可能达到很高的准确度。

在量子化学中同样也有这种情况。对于那些有不到10个原子的小分子，新计算法的发展已能让人们计算基本上任何可观察的分子性质，也能计算一些未能观察到的性质。对于双原子、三原子或四原子分子，计算结果良好，以致可以用来预言地球上未发现但在星际空间探测到的某种分子的光谱，例如HNC分子；要不它们就可能修正某种不正确的实验发现，如亚甲CH2的一种线性几何构型。

在量子化学中，最近又出现了一个很有希望的趋势，这就是重新使理论与实验有机化学和无机化学结合起来。在一段时间里，小分子电子结构的计算机计算越来越深入细致，这种情况仿佛要使理论家们离开化学的主流——脱离相当复杂分子的制造、分析和机械的探索。但在六十年代末期，结果已经证明，对协调合拍的反应适用的轨道对称性控制的伍德瓦尔德 · · 霍夫曼法则，远不止是分子轨道理论在有机化学中的一种透彻和统一的应用。实践表明，这些法则是理论工作者和实验工作者之间卓有成效相互影响的一个路标。它们使人们重新在实验上有把握相信理论描述、预言以及建立概念骨架的能力。

从此以后，近似的以对称性为基础的分析帮助实验工作者理解从光电子光谱得到的有关分子能级的大量资料，帮助他们阐明环加过程中的选择性和专一性，并理解有机光化学反应。其中仅引进了半经典的原子 - 原子和静电势能的分子计算机模型，可靠地再现了并预测了复制性范围从烃类到蛋白质这样一些分子的几何构形。

已经给几何构形复杂的过渡金属簇中的键合提出了一些定性的而又是有成效的理论，所谓簇是金属与缔合配位基组成的多面体。矿物和固态结构的一种新的分子轨道观点正在发展之中。过渡金属络合物的几何和电子结构特征也开始被人们所了解；而全新的结构类型，人们不仅作了预言，而且已经合成出来了。

对于现代化学中的合成、结构测定和理论之间相互影响错综复杂性的内在奥妙和验证，很难比得上无机化学的一个新子域，即结构所例证说明的金属 - 金属键合。这些化学理论的最新发展正开始对化学的许多领域产生重大的影响，特别是对合成和催化的影响更大。

化学动力学和激光

化学反应的速度——打断或形成化学键不到一毫微秒——使研究这样的事件变得很复杂。直至最近，化学家们还是不得不满足于观测随浓度和温度而变的总反应速率。由于分子束和激光光谱这两个强有力的技术的出现及其联合应用，这种局面正在发生戏剧性的变化。

从加热室或其它高压源出来的分子在一个容器里交叉射出，这个容器被抽空到低压，低压程度要能让分子按直线轨迹飞行（即成束），结果使反应在实际上能在每次只有一个碰撞事件的情况下进行研究。现在，人们已经用激光器来制备处于已知内态（以便固定振动和转动的程度）的分子试剂，并探测反应产物的内态分布。用这种方法人们就能查明各种反应物态是如何演变成产物态的。这种新化学不仅正使人们比较深入地了解在那反应物结合和产物分开的飞逝时刻里起作用的力）而且正为控制例如同位素分离、半导体薄片的气相化学蚀刻这样一些化学过程奠定基础。

最简单的化学反应之一是一个氢分子和一个氢原子或它的一个同位素类似物之间的反应，可是就是它也还有许多没有弄清楚。处于第一激发振动态（v=1）的H2含有这称对红外呈惰性的分子，由于制备已知浓度的这种H2存在着问题，只是最近才有可能在确定振动激发效应中利用这种反应。Wolfrum及其同事解决了这个问题，研究了D+H2→DH+H反应，他们的实验方法是把HF激光器调到HF（v=0）→HF（v=1）的基频，再让它产生的短脉冲（10微秒）照射氦载体中的低压HF+H2气流。H2（v=1）的快速布居是用从HF（v=1）的近共振振动传递的方法实现的。通过在微波放电中解离D2产生的上流D原子被引进这个气流。再根据时间分辨红外发射测定振动激发HF分子的绝对浓度。在利用赖曼α共振的情况下，根据时间分辨吸收测定H原子的浓度。因为H2（v=0）同D原子的反应在室温条件下比较缓慢，所以可以这样调节H2和D的浓度，让H原子产物在HF激光器断开时不会对赖曼α辐射产生强的本底吸收。此外，对H2和HF的浓度也要以选择，让只有小部分的H2被激发到v=1，从而保证H2（v＞1）的浓度可以忽略不计。

已经发现，D+H2（V=1）反应比D+H2（v=0）反应大约快4000倍，可是最新的准经典轨迹计算所得出的相同温度下的速率仅及D+H2（v=1）的实验结果四十分之一弱，在这些计算中采用了很准确的H2势能表面。全量子处理法并没有明显地缩小这个差距，这表明，这种最简单的化学过程尚未被透彻地了解。

Zare及其同事曾用一种类似的技术来研究在Sr+HF（v=1）→SrF+H反应中振动激发HF的化学。他们让一束Sr原子射过一个充有HF气体的散射室，室内气压为10-4到10-5托。Sr+HF（v=0）反应的阈能值为6.4±1.6千卡/克分子。当照射HF时，SrF产物就会出现。再一次发现，Sr+HF（v=1）反应的速度比Sr+HF（v=0）要快若干个数量级。

在这样的实验中，激光器被用来探测反应产物，探测方法是一种被叫做激光诱发荧光（LIF）的技术。让一台可调激光器产生的光射进反应区。由于激光器的波长被扫描，当该激光器的输出迭盖某一吸收谱线时，反应区内的分子就被激发了。一旦受激之后，这些分子就重新发出这种辐射，而且它们荧光的一小部分就在一光电倍增管上成像反映出来。把这种随激光波长而变的这种光电倍增管信号记录下来，就可得到一种“激发光谱”，它类似于一种吸收光谱，但它是发射中的光谱。对着黑暗的背景观察明亮的荧光，使LIF技术特别灵敏；已经测量了范围在104 ~ 105分子/cm2的分子密度。其分辨力取决于激光光源的线宽。在J. L. Kinsey及其同事所进行的一些研究中，单模可调激光群已能使他们测量分子沿激光瞄准线运动的速度（多普勒效应）及其内态分布。并非所有的分子都适合于进行LIF探测，但在能够采用这种技术时，它就带来分子光谱与分析产物有关的全部本领。

在研究Sr与HF的反应中，不仅能测定SrF产物的内态分布，而且能研究这种分布在制备以下两种情况的HF（v=1）反应试剂时是如何变化的；（1）有不同的转动激发态；（2）有不同的空间取向。前者是通过把HF泵浦激光器调到不同的振动一转动跃迁完成的，而后者则是利用泵浦激光输出的平面偏振来选择振动激发HF分子的一种优先空间分布。与此相反，SrF产物的空间取向也能通过改变可调探针光束的偏振来测量。

此外，当Sr+HF（v=0）反应用过剩的碰撞能完成时，可将它与Sr+HF（v=1）反应相比较，Zare及其同事就是这样测定了究竟哪种供能形式在促进反应中比较有效。已经发现，在总碰撞能相同的情况下）振动激发使反应速率的加快要比平动激发的高出十倍之多。这个发现是与J. C. Polanyi在经典轨迹计算基础上作出的总结判断一致的，即：在反应路径之末出现的反应势垒易于被反应试剂的振动克服，但这种质量结合反应也使克服吸热反应势垒中对振动能量的要求减至最低。

最近有报道说，有些激光器可以提供很强的辐射场，足可以影响在那短暂时刻里分子间的相互作用，从而引起激光辅助化学的出现，在那短暂的时刻里，既无反应物又无产物，而仅有一种过渡状态存在。让K原子的分子束与HgBr2分子束交叉而过，再用调到595毫微米的一台闪光灯泵浦的染料激光器的脉冲输出辐照相互作用区。在这种波长下，该激光器既不能激发反应物也不能激发产物。当接通激光器时，观察到500毫微米的发光，这是由电子激发的HgBr发射出来的。据推测，这种产物是在反应性碰撞［K-HgBr2］+hv→KBr+HgBr中吸收光（hv）形成的。这样的研究也许能使化学家探测过渡态（即跃迁态）并且获得有关成键一断键过程的直接信息资料。

这些新的实验技术正使化学家能把焦点集中在各个反应性碰撞所起的作用，它们还正提供着至今观察不到的一些化学反应的梗概。

（译自Science，1980年，4452）