結構化學

結構化學是一門直接應用多種近代 實驗手段測定分子靜態、動態結構和靜態、動態性能的實驗科學。它要從各種已知的化學物質的分子構型和運動特徵中歸納出物質結構的規律性，還要從理論上說明為什麼原子會結合成為分子，為什麼原子按一定的量的關係結合成為數目眾多的形形色色的分子，以及在分子中原子相互結合的各種作用力方式和分子中原子相對位置的立體化學特徵。結構化學還說明某種元素的原子或某種基團在不同的微觀化學環境中的價態、電子組態、配位特點等結構特徵。

另一方面，從結構化學的角度還能闡明物質的各種宏觀化學性能（包括化學反應性能）和各種宏觀非化學性能（包括各種物理性質和許多新技術應用中的技術性能等）與微觀結構之間的關係及其規律性。在這個基礎上就有可能不斷地運用已知的規律性，設法合成出具有更新穎、結構特點更不尋常的新物質，在化學鍵理論和實驗化學相結合的過程中創立新的結構化學理論。與此同時，還要不斷地努力建立新的闡明物質微觀結構的物理的和化學的實驗方法。

與其他的化學分支一樣，結構化學一般從宏觀到微觀、從靜態到動態、從定性到定量按各種不同層次來認識客觀的化學物質。演繹和歸納仍是結構化學研究的基本思維方法。早期的有關物質化學結構的知識可以說是來自對於物質的元素組成和化學性質的研究。當時人們對化學物質（包括各種單質和為數不多的幾種化合物），只能從對物質組成的規律性認識，諸如定比定律、倍比定律等加以概括。隨著化學反應當量的測定，人們提出了“化合價”的概念並用以說明物質組成的規律。那時，對於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說是一無所知。

結構化學的產生與有機物分子組成的研究密切相關。有機化學發展 的初期，人們總結出許多系列有機物分子中碳原子呈徠四面體化合價的規律。為解釋有機物組成的多樣性，人們提出了碳鏈結構及碳鏈的鍵飽和性理論。隨後的有機物同分異構現象、有機官能團結構和旋光異構現象等研究，也為早期的結構化學研究提供有力的實驗證據，促使化學家從立體構型的角度去理解物質的化學組成和化學性質，並從中總結出一些有關物質化學結構的規律性，為近代的結構化學的產生打下了基礎。

近代實驗物理方法的發展和應用，為結構化學提供了各種測定物質微觀結構的實驗方法；量子力學理論的建立和應用又為描述分子中電子和原子核運動狀態提供了理論基礎。有關原子結構特別是原子中電子殼層的結構以及內力、外力引起運動變化的理論，確立了原子間相互作用力的本質，也就從理論上闡明了化學鍵的本質，使人們對已提出的離子鍵、共價鍵和配位鍵加深了理解。有關雜化軌道的概念也為眾多化合物的空間構型作出了合理的闡明甚至預測。原子中電子軌道空間取向的特徵也為共軛體系（如苯環、丁二烯等）的結構以及它們的特殊化學性質作出了解釋。

量子化學是近代結構化學的主要理論基礎。量子化學中的價鍵理論、分子軌道理論以及配位場理論等，不但能用來闡明物質分子構成和原子的空間排布等特徵，而且還用來闡明微觀結構和宏觀性能之間的聯繫。由於量子化學計算方法的發展和逐步提高完善，加上高速電子計算機的應用，有關分子及其不同聚集狀態的量子化學方法已有可能用於特殊材料的“分子設計”和製備方法的探索，把結構化學理論推向新的高度。

結構化學已成為一門不但與其他化學學科聯繫密切，而且與生物科學、地質科學、材料科學等各學科的研究相互關聯、相互配合、相互促進。由於許多與物質結構有關的化學資料庫的建立，結構化學也越來越被農學家和化工工程師所重視。

結構化學的研究主要有如下幾個方面：

1、新構型化合物的結構化學，尤其是原子簇結構化學和金屬有機化合物的結構化學研究比較活躍。這一類研究涉及“化學模擬生物固氮”等在理論研究上極其重要的課題以及尋找新型高效的工業催化劑等與工農業生產息息相關的應用研究課題。在天然產物的結構化學研究中，天然藥物，尤其是具有抗癌活性的有效成分的研究也有可能為人類制服癌症作出重要貢獻。蛋白質的空間結構的研究仍然是一個既困難而又有重要理論意義和實際應用價值的課題。

2、稀土元素的結構化學與中國豐富的稀土元素資源的綜合利用的關係非常密切。在理論上，它與4f電子的軌道函數相關。有關的研究對於中國稀土工業的發展具有重要的意義。

3、表面結構和表面化學反應的研究與工業生產上的非均相催化反應關係極為密切，有關的研究對於工業催化劑，尤其是合成氨等工業生產用的新型催化劑的研製具有理論指導的作用。

4、激光光譜學和激光化學的研究，對於快速動態結構和快速化學反應動態過程等研究方法的建立有著深遠的影響，並且可能導致新的結構化學研究手段的建立。激光作用下的化學反應過程更具有獨特之處。

5、結構化學的信息工程的研究能充分利用電子計算機的高速、高效率，充分發揮結構化學資料庫的作用，對於新的半經驗理論和新的結構化學理論的提出將有重大的影響。有關方法的建立將對於“分子設計”的實現起著重要的作用。

近代測定物質微觀結構的實驗物理方法的建立，對於結構化學的發展起了決定性的推動作用。X射線衍射方法和原理上相當類似的中子衍射、電子衍射等方法的發現與發展，大大地豐富了人們對物質分子（特別是在晶體中的分子）中原子空間排布的認識，並提供了數以十萬種計的晶體和分子結構的可靠結構數據。基於對單質和簡單的無機鹽類（包括礦物）晶體的衍射測定，人們總結出並不斷地精細化了有關原子和離子半徑的數據。對於較為複雜的化合物晶體，也通過了衍射法測定了鍵長、鍵角等基本參數，還發現了原子之間鍵合方式的多樣性和在不同聚集狀態下分子間作用力方式的多樣性，尤其是運用X射線晶體衍射方法測定了近三百種生物體中存在的蛋白質大分子結構，其中有些蛋白質的分子量達到十幾萬甚至幾十萬原子量單位。此外，通過晶體衍射的研究，使人們能夠從分子和晶體結構的角度說明這些物質在晶態下的物理性質（如光學性質和電學性質）。

另一類測定結構的方法是譜學方法。譜學方法在提供關於分子能級和運動的信息，尤其是更精細的和動態的結構信息方面起著重要的作用。如分子振動光譜（紅外和喇曼光譜）是鑒定物質分子的構成基團的迅速和有力的工具。因而被稱為化學物質的“指紋”，與電子計算機高速信息處理功能結合起來，人們已能通過計算機的檢索和識別很快地查明未知物樣品的分子結構。紅外喇曼光譜的理論處理，還能提供有關振動力常數等有關化學鍵特徵的一些數據。其他譜學法有：核磁共振譜、順磁共振譜、電子能譜（包括光電子能譜、X 射線光電子能譜、俄歇電子能譜）、質譜（見質譜法）、穆斯堡爾譜學、可見-紫外光譜、旋光譜、圓二色性譜（見圓二色性）以及擴展X射線吸收精細結構等。

物質的某些物理常數的測定，也能提供有關分子結構的某些整體信息，如磁化率、折射率和介電常數的測定等。此外，高放大率、高解析度的電子顯微鏡還能提供有關物質表面的結構化學信息，甚至已能提供某些分子的結構形象。