晶体场和配位场理论

在利用价键理论和分子轨道理论描述有机化合物与无机化合物的成键作用时，针对无机化合物，特别是配位化合物的第三种量子力学方法——晶体场理论产生了。德国物理学家贝特（Bethe）创建了该理论。在1929年的一篇经典之作中，贝特考虑到像NaCl这样的离子晶体中，孤立的阳离子Na⁺位于静电场中时，它的能级将怎样变化。他指出场强与对称性对阳离子电子层的影响。

30年代，美国哈佛大学的物理学家弗莱克（Vleck）和其他人将这一新理论应用到过渡金属配合物中。他们证明了晶体场理论模拟金属配合物中d层电子的行为是有效的，对理解过渡金属配合物的颜色、磁性以及其他性能是非常有用的。但是，晶体场理论仅仅提供了离子模拟，很少谈及金属与配位体之间的成键，特别是共价键（包括双键）。

为克服晶体场理论的局限性，50年代的科学家将其优点与分子轨道理论相结合，产生了配位场理论。配位场理论被称之为讨论金属配合物的“超级工具”。配位场理论涉及到金属配合物中的中心金属如何被配位场分裂成不同的能级。布洛克（Brock）在其所著《化学的诺顿史（The Norton History of Chemistry）》一书中写道，在1950年的配位化学家会议上，配位场理论的重要发展人物之一、牛津大学的奥格尔（Orgel）揭示了配位场理论的最大作用是解释过渡金属配合物复杂的立体化学。布洛克评论配位场理论为无机化学的复兴做出了引人注目的贡献。

配位场理论在60年代真正得以发展，普渡大学化学系荣誉教授达文波特（Davenport）评论说，事实上，“以鲍林的价键理论处理过渡金属配合物受到配位场理论的猛烈冲击。”

电子转移反应

过渡态理论在早期大量的工作有助于阐明反应中键的生成与解离。由于没有方法可以考虑到周围溶剂分子的效应，因而过渡态理论无法处理电子从一原子离子到另一原子离子的最基本类型的化学反应。加州理工学院化学系教授马库斯（Marcus）想象出一种方法，用以表征象电子转移反应的过渡态。

马库斯诞生于《化学与化学工程新闻》创刊的那年，50年代初他对静电问题感兴趣，这是他早期的研究生涯。当时有关电子转移速率的研究相当活跃，科学家已经测定到较小的离子之间如三价铁和二价铁之间的电子转移相当慢，而较大的离子之间的电子转移则较快。当时在芝加哥大学化学系就职的化学家利比（Libby）发表了一静电场计算法，意欲引用Franck-Condon原理解释观察到的现象。由于Fe²⁺和Fe³⁺周围的溶剂分子的取向大不相同，当电子由Fe²⁺跳跃到Fe³⁺上时，溶剂分子的自身重排速度不如电子跃迁速度快，每个离子周围的溶剂环境会突然成为错误取向。利比提出：反应物分子越小，它周围的环境越不相宜。

当马库斯无意之中发现利比1955年的文章和研究它时，他感觉到利比的某些解释“不完全正确”，但最初他不敢相信事实真是这样。但不到一个月，马库斯就认识到：尽管利比很明智地利用了Franck-Condon原理，可在方法上有悖于能量守恒定理。马库斯也认识到，他必然发现一种可以计算原子间和离子周围溶剂分子取向形成的自由能的方法，前提是体系到达过渡态时，必然满足Franck-Condon原理。马库斯成功地实现了这一点，从结果上看，它可以表征过渡态，也可以计算反应速率常数。

取得这些成果“是我科研生涯中最激动的时刻之一”，许多年后，马库斯如此回忆到。他的计算结果发表在1956年的2篇文章中。9年之后，他进一步发展了“马库斯理论”，将最初的概念扩充以分子内振动效应、电化学的电子转移反应，以及相关的过程。

马库斯理论做出很多预测，几乎立刻就得到实验证实。然而这个理论有一出色的预测却出乎意料的耗时25年才得到验证：即超过一定点，电子转移速度随推动力的增加而下降。马库斯理论目前应用于光合成、电导性聚合物、化学发光和腐蚀等领域。

尽管量子力学明显地变革了化学，“但并不像理论物理学家预测的那样，对于化学研究并不具有压倒之势的作用。”莱德勒（Laidler）在1990年的一篇文章中写道，“例如狄拉克一度相信引入量子力学能够解决化学的所有问题，建立恰当的量子力学方程与解答方程可以解决一切问题的话，就不需要进一步的实验工作了。”莱德勒指出：事实上“并不是这样。”在真实世界中，方程总是复杂得难以精确地解答。“不得不做许多近似，而且难以确定哪些该做近似。”化学家必须继续依赖于实验和简单的近似计算，“事实似乎总是这样。”

过去的75年虽然发生了很大的变化，但理论化学已经进入成熟期，成为有用的工具。正如加州理工学院化学系教授戈达德（Goddard）在1985年的文章中所写：“在解决许多重要的化学、生物和材料等方面的问题，理论家所处的位置与实验同等重要。”

化学与生物学交叉

过去的75年间，化学与生物学交界处是两个学科最丰产的领域。在某种意义上，自从1923年以来，化学与生物学相遇了，由于化学家及其所使用的仪器设备已具备研究与生命一样复杂的分子体系的能力。与此同时，生物学家开始可以把生命体系细分到分子之间相互作用的水平，产生了非常确切的“分子”生物学之概念。

C&EN第一次发行时，化学家正在对1920年德国化学家斯托丁格（Staudinger）提出的分子可以形成巨大的长链，即他称之为“大分子”的观点进行热烈的讨论。化学史学家撒克利（Thackray）称斯托丁格的建议是20世纪化学学科中最重要的概念，为高分子科学和生物技术提供了理论基础。撒克利说：“它已经改变、正在改变，并将改变我们的生活，甚至将改变对什么是生命的认识。很有趣的是，我们现在生存的世界的70-80%是由大分子组成的。”

在斯托丁格年代，许多重要的生物物质被认为是胶冻状的胶体，撒克利称它们“粘粘糊糊的无法结晶。”1923年，瑞典化学家斯韦德贝里（Svedberg）发明了超离心机，提供了一种无需结晶即可测定这些物质的尺寸及其均匀性的方法。30年代中期，斯韦德贝里和其他人使用超离心机纯化了各种各样的蛋白质，从早期的分子量为17200的朊红蛋白到分子量将近700万的蜗牛血清蛋白朊，表明它们是均一的物质，并具有很大的分子量。

早期的先驱者也开始结晶蛋白质，1926年，塞姆纳（Sumner）结晶出脲素酶，一种可以催化尿分解的蛋白质；1934年，剑桥大学的伯纳尔（Bemal）和克劳福特（Crowfoot）（后为霍奇金Hodgkin）记录到胃蛋白酶结晶的X-射线衍射图，展现了一有序的、有结构的但又惊人的复杂的大分子。大约25年后，在同一实验室的佩鲁兹（Perutz）和肯德鲁（Kendrew）才从X-射线衍射图解析出胃蛋白酶的结构。

由于当时没有计算机，早期的工作进展相当缓慢。研究人员依靠手工计算幂数及傅利叶转换。如克劳福特本人在1935年就记录到胰岛素的X-射线衍射图，但直到1969年才解析出它的结构。

30年代中期，鲍林深深地为该领域所吸引。30年代末，他和加州理工学院的同事科里（Corey）根据S基酸键长、键角和小肽的X-射线晶体数据，开始用这些信息推断蛋白质的结构。他们发现：肽键刚硬且呈平面，但其它键较柔软，使得氨基酸之间可以形成氢键。50年代初，他们由计算推论：蛋白质中氨基酸链的两个重复结构可以假定为α-螺旋和β-折叠。

早在1923年之前，生物化学家就知道蛋白质在生物催化方面有作用，然而是蛋白质本身，还是包含其中更小的分子是催化剂是公开争论的话题。通过脲素酶的结晶并验证它是蛋白质，帮助塞姆纳证实了单一蛋白质具有催化作用。10年后，诺思罗普（Northrop）在进行胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶时，证明这三种易消化酶中蛋白质的组成直接与它们的催化活性有关，从而使上述事实得到进一步地证实。麻省理工学院生物化学家利帕德（Lippard）说，这些工作以及早期的实验证实了“像变化多端花园一样的化学品，起到生物催化剂作用的分子似可在试管中结晶的。”到1960年，结晶出大约75种酶，它们都是蛋白质，虽然其中许多酶还含有对催化活性起关键作用的非蛋白辅基。

DNA结构

科学家比较慢地认识到核酸也是有重要生物意义的长链大分子。回想起来，这些分子和遗传特征之间的连结关系看上去很明显——如19世纪生物学家就知道精子的头部除含有核酸外几乎没有其它东西。但把这些分子视为具有遗传重要性似乎太“乏味”。与含有20种氨基酸的蛋白质比较，DNA中只含有4种核苷酸，以20年代分析技术的灵敏度进行分析，4种核苷酸都以化学计量的等量存在，从而使DNA的每一个片段看来都与其它片段等同。

1944年，DNA的图像发生变化。埃弗里（Avery）和他的同事表明，只含有DNA的细胞提取物能够将一新的特传递给细菌，而细菌的后代继承了这一特性。不久后，更灵敏的分析技术，使得钱戈夫（Chargaff）可以证实DNA怎样储存遗传信息。他发现，DNA中的核酸形成碱基对，当然，碱基对中两配对核酸的浓度总是彼此相当，但当DNA来源不同时，两配对核酸的相对量有变化。

这些发现为1953年沃森和克里克发现DNA双螺旋结构奠定了基础。在沃森-克里克模型中，碱基对形成的氢键成为盘旋而上楼梯中的台阶，这无疑是20世纪最著名的科学发现之一。正如几十年后克里克自己撰文所述：DNA双螺旋结构之所以赢得科学家和公众的注意，部分地是由于结构本身具有的形态和内在美，更重要的是它在概念上构建了化学与生物学之间的桥梁。沃森-克里克的DNA模型揭示了作为化学实体的基因（至少在逻辑上）能够被分析、认识，并且可以利用化学方法使其发生改变。

50-60年代，以DNA结构为平台，许多生物学家分离出控制DNA代谢作用的酶，从DNA自复制合成至充当生产信使核糖核酸RNA的模板的功能，从而决定了蛋白质链上氨基酸的序列。该序列由RNA中连续三个碱基组成的密码所决定，国立健康研究院的尼仑贝格（Nirenberg）和同事在60年代将其全部破译。他们发现：密码几乎是通用的，来自人体细胞的DNA片段如果插入到细菌，将指导细菌的细胞组织制造出蛋白质，而该蛋白质与人体细胞将要制造的蛋白质完全相同。

在与DNA代谢有关的酶中，限制性核酸内切酶具有特殊的实用价值。它们可在指定部位剪切DNA，也可作为工具将巨大的DNA分子剪切成可操纵的片段以测定其序列。1972年，斯坦福大学的贝格（Berg）用限制性核酸内切酶剪切DNA，而后在另一种酶——连接酶——的帮助下，将2股剪断的DNA粘在一起形成一环形杂化分子——重组DNA。第二年，同在斯坦福大学的科汗（Cohan）和加利福尼亚大学旧金山分校的博耶（Boyer）将工作进一步深化，他们将病毒与细菌的DNA片段拼接在一起——这种细菌可以抵抗二种抗生素——并将这种杂化了的DNA插入到细菌中。在操作过程中，他们将对抗生素的抗药性转于细菌体内，制造了重组DNA组织。

这类重组机体的商业前景，几乎立即导致了许多小公司和生物技术新领域的创建。1976年，博耶帮助建立了基因技术公司（Genentech）；此前一年，科汉成为将注意力重新聚焦在开发生物技术潜在用途上的塞塔斯药物公司（Cetus）的所长；另一个早期重要的生物技术公司——生物基因（Biogen）成立于1977年。

在这期间，研究人员也开发出先测序再合成生物大分子的快速方法。1945年，剑桥大学的桑格（Sanger）发展了一种方法，将染料附着在蛋白质氨基酸的末端点上为标记，以便于用色层法鉴定蛋白质部分降解后的氨基酸残基。利用标记法和各种各样的断裂剂，桑格在1953年测定了第一个牛胰岛素蛋白质氨基酸的全序列。与此同时，瑞典化学家埃德曼（Edman）使用异硫氰酸苯仅仅移走蛋白链末端上的氨基酸，开辟出一自动降解的途径。稍后，桑格将注意力转向DNA测序，并在70年代末开发出一测序的方法，并且也能自动化。

基因和蛋白质的分子如此巨大，测序实际上只能将它们剪切成易处理的片段，先测定每一片段的序列，然后综合全部信息，重新构成起始大分子的全序列。记录所有这些信息，并将其重新集合需要借助于60~70年代间独立发展起来的高速、大容量计算机。

生物大分子自动测序的持续发展如此之迅速，80年代末，研究人员计划——撒克利称之为“最终的、最大的化学机械化分析”_世界共同努力完成人类DNA 30亿碱基对的测序。通称为人类基因组计划。该计划于1990年正式启动，有50多个国家的研究人员参与。计划用15年的时间完成，目前已经完成一半。继续发展更迅速、更廉价的测序方法，也在项目设计的构思之中。

生物化学之路

化学与生物学交界处不仅仅是大分子，同样，C&EN最初10年中还有若干前沿领域的重要发现。例如，这期间测定出在细胞内进行的许多化学反应的基本途径。

30年代初，德国生物化学家克雷布斯（Krebs）和亨泽莱特（Henseleit），在研究老鼠肝脏切片中脲的形成时，发现催化量的某种氨基酸可以大大加速脉的产生。他们提出一催化循环过程，在这一过程中，氨和天冬氨酸盐经过三个氨基酸的中间体形成脲。5年后，克雷布斯进一步报导了他对促进代谢循环中一重要步骤的看法，他将对循环有影响的糖类代谢断裂与氧被生物还原成CO₂后进入复杂的反应循环作为一整体考虑，也就是现在仍常被称为克雷布斯的循环。

早期曾利用阻断剂阻止代谢作用以研究代谢过程，将阻断剂施与动物后，测定哪些分子积累下来。放射性同位素的发展为鉴定微量的代谢中间体及特殊原子在正常代谢步骤中的示踪提供了手段。

1923年，德国弗赖堡大学的海韦希（Hevesy）利用放射性同位素钍研究铅在豆类植物中的转递。1933年，海弗希的同事舍恩海默（Schoenheimer）受纳粹迫害，从德国逃亡到美国哥伦比亚大学，一年前，尤里（Urey）就是在哥伦比亚大学发现了氘。此后的几年里，舍恩海默设计了一种方法，先是用（无放射性）氘，后用其它同位素在脂肪酸和氨基酸的特定位置上进行标记，然后将其喂食动物以测定这些分子是如何代谢的。

二战末期，长寿命放射性同位素¹⁴C和³H成为研究生物化学过程的有效试剂，预示着药物史学家霍尔姆斯（Holmes）称之为“确定所有代谢途径的黄金年代”的到来，“全部代谢图相当迅速地一起产生于战争刚结束的时期内。”

例如，加州大学伯克利分校的卡尔文（Calvin）和同事以¹⁴CO₂揭示了海藻的光合过程，并且用新发展的二维纸色层技术分离或在黑暗中或在其后不同时期暴露在光线下所形成的带有放射性同位素¹⁴C的化合物。他们发现，光合作用有二个截然不同的部分，光聚集和叶绿素所依赖的步骤与CO₂丝毫无关。1956年，他们跟踪了CO₂中的标记碳经过甘油醛-3-磷酸酯进入糖类和其它生物分子的光合过程。

50年代之后，代谢研究的热点由探索其基本途径转向以了解酶是如何控制光合过程的。事实上，本世纪中叶，无论是结构分析，还是核酸合成，或代谢研究，所有的研究似乎都是关于酶及其在生物催化中的作用。麻省理工学院的利帕德说：“化学家过去75年的努力，了解蛋白质作为酶是化学家定位于生物学研究的第一件大事。”这种努力仍在进行之中。哈佛大学的怀特塞德（Whitesides）说：“化学家在生物领域中所要认识和从事的研究是要更详尽的了解酶的催化作用。”

生命起源

20年代，生物化学家开始认K地思考有生命前的地球上的生存体系是怎样进化的。当时，俄罗斯的生物化学家奥帕林（Oparin）和英国生物化学家霍尔丹（Haldane）分别指出：在富氧气氛下（如同地球现在的气氛），简单的有机分子很难转变成生命体系中的复杂分子。他们认为，没有光合成植物的世界可能具有很好的富氢还原气氛，在这种气氛下，简单有机分子转化成复杂分子的反应更容易发生。

这些观点被接受得很慢，但在1953年，当时在芝加哥大学的米勒（Miller）和尤里试验性地再创造了氢、甲烷、氨和水的混合物以模拟生物前的地球气氛，当混合物受到人工闪电轰击时，10%的碳转化成醛、羧酸与氨基酸的混合物。米勒和其他人在后来的实验中发现，稍微改变一下反应物的混合比，生成了蛋白质中一半以上的氨基酸，以及腺嘌呤与其它的核酸碱。

60年代间阐明了蛋白质与核酸间反应的复杂性，进而提出生命在进化过程中究竟是否有一种高分子（蛋白质及核酸）可先于其它高分子的问题。直至60年代末，一些研究人员分别假设RNA更像起始的生物高分子。他们提出以DNA、RNA和蛋白质之间的相互反应为基础的现代生命是从一早期的RNA逐渐进化而来的。

1983年，切赫（Cech）和阿尔特曼（Altman）各自发现现代生物学中的一些反应是在RNA的催化下进行的，验证的第一个反应是细菌的自拼接反应。在反应中，RNA的链段能从聚合物中间将无关的部分催化除去。最近合成的RNA能利用ATP为能源，将寡聚核苷酸连接在一起。

关于RNA世界的假说正在发展之中。尽管它有众多的支持者，但催化过程中的一些关键步骤尚有待进一步地解释，诸如为什么在米勒-尤里实验中，蛋白质与核酸聚合物都是专一地由L-异构体所组成，而其它的却生成外消旋混合物。新近的工作也证明地球的气氛绝不可能像米勒-尤里所模拟那样的还原性，他们所观察到的有机合成在真实的地球条件下非常非常的困难，甚至是不可能的。

有关RNA世界为生命进化过程中的中间步骤的看法，仅仅是众多化学观点中的一个，仍然处于不确定状态，犹如1923年对斯托丁格的大分子理论不能确定一样。正如化学史学家撒克利指出：“很多我们现在认为是自然明了的概念，曾经一度至少是有争议的，如果不说是荒唐的话。当前的这些建议，哪些将成为下一阶段我们理解化学的基础，在下一个75年中的某一时刻将会变得清晰。”

（全文完）

[C&EN，1998年1月12日]