结构化学

(化学学科分支)

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结构化学是在原子- 分子水平上研究物质分子构型与组成的相互关系以及结构和各种运动的相互影响的化学分支学科。
它又是阐述物质的微观结构与其宏观性能的相互关系的基础学科。结构化学不但与其他化学学科联系密切,而且与生物科学、地质科学、材料科学和医药学等各学科的研究相互关联、相互配合、相互促进。
由于许多与物质结构有关的化学数据库的建立,结构化学也愈来愈被农学家和化工工程师所重视。[1]
窑子的故事
中文名
结构化学
外文名
structural chemistry
应用学科
化学
适用领域范围
化学、物理

学科简介 编辑

结构化学首先是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态结构和静态、动态性能的实验科学。它要从各种已知的化学物质的分子构型和运动特征中归纳出物质结构的规律性,还要从理论上说明为什么原子会结合成为分子,为什么原子按一定的量的关系结合成为数目众多的形形色色的分子,以及在分子中原子相互结合的各种作用力方式和分子中原子相对位置的立体化学特征。结构化学还说明某种元素的原子或某种基团在不同的微观化学环境中的价态、电子组态配位特点等结构特征。[1]
另一方面,从结构化学的角度还能阐明物质的各种宏观化学性能(包括化学反应性能)和各种宏观非化学性能(包括各种物理性质和许多新技术应用中的技术性能等)与微观结构之间的关系及其规律性。在这个基础上就有可能不断地运用已知的规律性,设法合成出具有更新颖、结构特点更不寻常的新物质,在化学键理论实验化学相结合的过程中创立新的结构化学理论。与此同时,还要不断地努力建立新的阐明物质微观结构的物理的和化学的实验方法。[1]
与其他的化学分支一样,结构化学一般从宏观到微观、从静态到动态、从定性到定量按各种不同层次来认识客观的化学物质。演绎和归纳仍是结构化学研究的基本思维方法。早期的有关物质化学结构的知识可以说是来自对于物质的元素组成和化学性质的研究。当时人们对化学物质(包括各种单质和为数不多的几种化合物),只能从对物质组成的规律性认识,诸如定比定律倍比定律等加以概括。随着化学反应当量的测定,人们提出了“化合价”的概念并用以说明物质组成的规律。那时,对于原子化合成分子的成因以及原子在分子中的排布方式可以说是一无所知。[1]
结构化学的产生与有机物分子组成的研究密切相关。有机化学发展
结构化学 结构化学
的初期,人们总结出许多系列有机物分子中碳原子呈四面体化合价的规律。为解释有机物组成的多样性,人们提出了碳链结构及碳链的键饱和性理论。随后的有机物同分异构现象、有机官能团结构和旋光异构现象等研究,也为早期的结构化学研究提供有力的实验证据,促使化学家从立体构型的角度去理解物质的化学组成和化学性质,并从中总结出一些有关物质化学结构的规律性,为近代的结构化学的产生打下了基础。
近代实验物理方法的发展和应用,为结构化学提供了各种测定物质微观结构的实验方法;量子力学理论的建立和应用又为描述分子中电子和原子核运动状态提供了理论基础。有关原子结构特别是原子中电子壳层的结构以及内力、外力引起运动变化的理论,确立了原子间相互作用力的本质,也就从理论上阐明了化学键的本质,使人们对已提出的离子键、共价键配位键加深了理解。有关杂化轨道的概念也为众多化合物的空间构型作出了合理的阐明甚至预测。原子中电子轨道空间取向的特征也为共轭体系(如苯环、丁二烯等)的结构以及它们的特殊化学性质作出了解释。

理论基础 编辑

量子化学是近代结构化学的主要理论基础。量子化学中的价键理论分子轨道理论以及配位场理论等,不但能用来阐明物质分子构成和原子的空间排布等特征,而且还用来阐明微观结构和宏观性能之间的联系。由于量子化学计算方法的发展和逐步提高完善,加上高速电子计算机的应用,有关分子及其不同聚集状态的量子化学方法已有可能用于特殊材料的“分子设计”和制备方法的探索,把结构化学理论推向新的高度。[1]

学科进展 编辑

结构化学已成为一门不但与其他化学学科联系密切,而且与生物科学、地质科学、材料科学等各学科的研究相互关联、相互配合、相互促进。由于许多与物质结构有关的化学数据库的建立,结构化学也越来越被农学家和化工工程师所重视。[2]
结构化学的研究主要有如下几个方面:
  1. 新构型化合物的结构化学,尤其是原子簇结构化学和金属有机化合物的结构化学研究比较活跃。这一类研究涉及“化学模拟生物固氮”等在理论研究上极其重要的课题以及寻找新型高效的工业催化剂等与工农业生产息息相关的应用研究课题。在天然产物的结构化学研究中,天然药物,尤其是具有抗癌活性的有效成分的研究也有可能为人类制服癌症作出重要贡献。蛋白质的空间结构的研究仍然是一个既困难而又有重要理论意义和实际应用价值的课题。
  2. 稀土元素的结构化学与中国丰富的稀土元素资源的综合利用的关系非常密切。在理论上,它与4f电子的轨道函数相关。有关的研究对于中国稀土工业的发展具有重要的意义。
  3. 表面结构和表面化学反应的研究与工业生产上的非均相催化反应关系极为密切,有关的研究对于工业催化剂,尤其是合成氨等工业生产用的新型催化剂的研制具有理论指导的作用。
  4. 激光光谱学激光化学的研究,对于快速动态结构和快速化学反应动态过程等研究方法的建立有着深远的影响,并且可能导致新的结构化学研究手段的建立。激光作用下的化学反应过程更具有独特之处。
  5. 结构化学的信息工程的研究能充分利用电子计算机的高速、高效率,充分发挥结构化学数据库的作用,对于新的半经验理论和新的结构化学理论的提出将有重大的影响。有关方法的建立将对于“分子设计”的实现起着重要的作用。[1]

测定方法 编辑

近代测定物质微观结构的实验物理方法的建立,对于结构化学的发展起了决定性的推动作用。X射线衍射方法和原理上相当类似的中子衍射电子衍射等方法的发现与发展,大大地丰富了人们对物质分子(特别是在晶体中的分子)中原子空间排布的认识,并提供了数以十万种计的晶体和分子结构的可靠结构数据。基于对单质和简单的无机盐类(包括矿物)晶体的衍射测定,人们总结出并不断地精细化了有关原子和离子半径的数据。对于较为复杂的化合物晶体,也通过了衍射法测定了键长键角等基本参数,还发现了原子之间键合方式的多样性和在不同聚集状态下分子间作用力方式的多样性,尤其是运用X射线晶体衍射方法测定了近三百种生物体中存在的蛋白质大分子结构,其中有些蛋白质的分子量达到十几万甚至几十万原子量单位。此外,通过晶体衍射的研究,使人们能够从分子和晶体结构的角度说明这些物质在晶态下的物理性质(如光学性质和电学性质)。
另一类测定结构的方法是谱学方法。谱学方法在提供关于分子能级和运动的信息,尤其是更精细的和动态的结构信息方面起着重要的作用。如分子振动光谱(红外和喇曼光谱)是鉴定物质分子的构成基团的迅速和有力的工具。因而被称为化学物质的“指纹”,与电子计算机高速信息处理功能结合起来,人们已能通过计算机的检索和识别很快地查明未知物样品的分子结构。红外喇曼光谱的理论处理,还能提供有关振动力常数等有关化学键特征的一些数据。其他谱学法有:核磁共振谱顺磁共振谱、电子能谱(包括光电子能谱、X 射线光电子能谱、俄歇电子能谱)、质谱(见质谱法)、穆斯堡尔谱学、可见-紫外光谱旋光谱圆二色性谱(见圆二色性)以及扩展X射线吸收精细结构等。
物质的某些物理常数的测定,也能提供有关分子结构的某些整体信息,如磁化率、折射率和介电常数的测定等。此外,高放大率、高分辨率的电子显微镜还能提供有关物质表面的结构化学信息,甚至已能提供某些分子的结构形象。
参考资料
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