美国化学的领先发展

　　前面已简要讨论了美国化学领先性的应用化学和纯化学表现。而实际上，也只有应用和纯领域双方面发达和领先，才能说具备化学中心（尤其在当代）的前提。20世纪初期以后的化学发展总趋势是既高度专业化又高度综合，而美国化学在当代聚众家之长的基础上，逐步发展为世界化学中心的过程中，在高度专业化和综合方面，有比其他欧洲国家更明显的表现和做出的更为重要的成就。我们简要抽取物理有机化学、生物化学、价键理论和有机合成及机理方面的主要内容来说明。物理有机化学是一门物理化学和有机化学相结合的交叉学科，至 1940年，美国化学家哈蒙特（L.Hammett，1894?1987）正式出版《物理有机化学》一书时才全面地得到承认。它的成长实际是通过美国化学家与英国化学家之间的激烈竞争而获得的。对物理有机化学的初始研究开始于对有机化学反应机理和反应活性的探讨。
　　
　　本世纪20年代，主要因为美国物理化学和有机化学界没有认真重视以电子为基础的路易斯?朗格谬尔理论，美国在这新的学科领域明显落后于本来有机化学基础就雄厚的英国，而且英国化学家们则逐步在接受和应用美国人的共享电子对理论。①从30年代开始，美国哥伦比亚大学的哈蒙特在成立了一个专门的研究小组后，在有机化学反应动力学方面开始有所建树，与此同时，芝加哥大学一批化学家陆续又在有机化学亲电加成反应的游离基机制方面，取得了突出成就，但总体仍表现出一种分散状态，而此时的英国，仍然有着十分利于这门新学科继续发展的气候，英国化学家当时普遍地有一种将物理化学和有机化学结合起来研究的兴趣。进入40年代后，这种英美竞争明朗化的局面开始发生变化，首先是从事这门学科内容研究的化学家在美国数量递增，论文发表数量也超过英国同行；其次是美国人率先对研究成果进行了系统总结，如哈蒙特正式提出“物理有机化学”的名词。而在英国，尽管研究兴趣浓厚，却似乎没有明确“物理有机化学”的整体性；此外，研究人员的过份集中，间接抑制了对这门学科的交流。从50年代起，可以说，美国物理有机化学就不仅超过了英国同行，而且还向欧洲化学“输出”结果①。化学和生物学的渗透，是美国化学在交叉科学上的又一表现例证。1953年，美国化学家沃森（J?D?Watson，1928?）和英国结晶学家克里克（F?H?C?Crick，1916?）提出DNA分子双螺旋结构，同年，又提出 DNA分子结构的遗传含意，开创了分子生物学。
　　
　　1959 年，美国生化学家泰勒（J?H?Tay-lor，1916?）用氘标记碱基追踪DNA的复制，初步解决了基因自我复制的分子基础问题。②DNA分子双螺旋结构的发现，进一步引发了生物工程方面的成就。1954年，美国的伽莫夫（G?Gamov，1904?1968）提出遗传密码的设想。1961年，美国生化学家尼伦贝格（M.W.Nirenberg，1927?），对遗传密码给予了确切解答。而对生命起源的探索，是美国化学在生物学领域的一项划时代任务。1953年，美国人米勒（S.L.Miller，1930?）成功地进行了模拟原始大气的火花放电实验，获得了生命赖以需要的多种氨基酸。1958 年，美国人福克斯（S.W.Fox，1912?）将甘氨酸溶解于加热熔化了的焦谷氨酸液体中，加热到 170℃，获得谷氨酸甘氨聚合物，形成了关于生命起源研究的陆相起源派。从物质结构理论发展到高度理论化的量子化学，是美国化学高度专业化发展的表现。在路易斯?朗格缪尔共享电子对学说的基础上，美国化学家继续在共价键理论上纵深发展。美国化学家鲍林（L.Paul-ing，1901?）在本世纪 30年代相继提出氢键理论和杂化轨道理论，极大补充和发展了原有的共价键理论，成为现代化学键理论的重要分支；随后，鲍林又将共价键理论应用到有机化学的研究中，提出了关于有机化合物结构和反应的“共振论”，系统地对经验型的有机化学提供了理论框架，使有机化学中特别是关于芳香族化合物的研究，由定性上升到了直观定性分析和半定量研究的水平。鲍林因对分子间作用力的创造性研究获得了1954年的诺贝尔化学奖。在对有机化学反应的理论研究上，美国化学走得更远。
　　
　　1965年，美国有机化学家伍德瓦德（R.B.Woodward，1917?1979）和美国量子化学家霍夫曼（R.Hoffmann，1937?）合作，提出了关于有机化学结构分析和合成方面的“分子轨道对称守恒”原理。轨道对称性守恒原理是有其实验依据和理论基础的，其实验依据是有机化学工作者长期积累的有机反应的经验规律，其理论基础是量子化学工作者多年来对分子轨道理论的新发展。值得提出的是，伍德瓦德实际上从本世纪30年代起，就开始把理论和实验技术紧密结合起来，利用紫外和红外吸收光谱来分析有机分子的结构，并以此为指导合成了一系列天然有机化合物，使有机合成从19世纪的依靠经验和筛选的传统中解脱出来。1944 年，伍德瓦德就合成了结构很复杂的奎宁碱，1962年他又合成了叶绿素，而合成维生素B12是他与霍夫曼提出轨道对称守恒原理的一个重要实验依据。伍德瓦德在伍德瓦德-霍夫曼规则的建立过程中，表现出了他非凡的实验合成有机物的技巧和理论思维。出生于波兰一个犹太人家庭的霍夫曼，生活经历曲折。1946年，他侥幸逃出纳粹占领下的波兰，前往捷克斯洛伐克，后辗转经过奥地利、德国，最终到了美国，1955年加入美国籍。1960年在哈佛大学获物理学硕士学位。1962年又在该校获化学物理博士学位。霍夫曼的主要研究兴趣是：稳定分子和不稳定分子的电子结构，化学反应状态的改变，将各种计算方法、半经验和非经验方法用于对中等有机和无机分子的结构与活性问题的研究等。在与伍德瓦德的合作中，霍夫曼应用了简单而有效的对称和成键的观点来分析具体的反应，具有很强的预见性，极大地增强了实验结果的可靠性。
　　
　　1965年，伍德瓦德和霍夫曼主要通过对共扼多烯的电环化以及环加成反应的研究，提出了关于协同反应的立体化学选择的简明规则，称为“伍德瓦德-霍夫曼规则”。①1969年，他们在专著《轨道对称性守恒》中，用“轨道对称守恒原理”来概括他们在1965年开始提出的理论。分子轨道对称守恒原理的诞生标志着美国化学（现代化学）开始从研究分子的静态跨入了研究分子的动态。因提出分子轨道对称守恒原理，霍夫曼荣获1981年的诺贝尔化学奖，无疑是美国化学全面成为化学大国和中心的重要标记，而且也是近30年来化学理论的最大成就之一。因为美国本来因对理论研究而获诺贝尔化学奖的情况就属少数，故这一原理更具有时代价值。当代美国化学仍处于领先和繁荣阶段，其化学中心地位，到目前为止，还没有受到来自其他国家的严重挑战。概括起来，美国化学的发展有一些最基本的特点：注重向欧洲化学学习，并选择其中的优质成分；注重化学的社会经济效益，有牢固的实用化学基础和发达的应用化学工业；注重化学知识的宣传和普及，并重视化学教育的建设；化学组织既独立，又和政府保持联系，起到了一种很好的科学参谋作用；由于雄厚的经济实力而大面积地培养了化学专业人才，并成为世界各国优秀化学家的聚居地；应用化学和纯化学研究同时并举，并不偏废任何一方，尤其在当代，有极其发达的基础理论研究；以及发人深省的牢固的化学家凝聚力传统，无论什么时期，美国化学家似乎以推动美国化学的发展为己任，少有化学人才外流现象。
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