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1981年诺贝尔化学奖获得者——福井谦一(图)

来源:高考网 2009-09-02 17:01:45

[标签:化学]

  福井谦一(FukuiKeniehi),日本化学家,1918年10月4日生于日本奈良。1941年毕业于日本京都大学工业化学系,后人工学院学习并获工学博土学位。此后在京都大学工学院石油化学系任教。1951年后一直担任该校物理化学教授至退休。福井谦一主要从事碳氢化合物化学方面的研究工作,同时对量子化学研究作出杰出贡献。早在1940年,他对化学作为一门如果不进行实验就什么也不明了的科学很有感触。他希望能设法把这样过于经验性的化学特征变得理论性些。从那时起他开始学习量子力学,试图将量子力学引用来说明化学的经验事实。经过多年的试验验证,1952年他提出电子轨道概念并与试验结果结合起来。在伍德沃德与霍夫曼提出分子轨道对称守恒定律后,福井谦一研究借助于图形表示轨道性质、轨道图形的“图解量子化学”方法,使量子化学省去大型繁琐的计算,用特定的轨道图形方法研究和掌握量子化学。1962年他曾以论文“共轭化合物的电子状态及其化学反应的关系”而获得日本科学院的奖赏。他提出的“前线轨道”概念,并把它发展成为了解分子反应能力和反应过程的强有力的理论。因而,福井谦一同美国的霍夫曼共获1981年诺贝尔化学奖。他是荣获诺贝尔化学奖的第一位日本化学家。福井谦一30年从事量子化学研究,发表论文500余篇。1981年在中国出版了他的专著《图解量子化学》。他在书前致中国读者中写到:在电子学说中起核心作用的电子密度这一概念,当然应与量子力学相结合,若从原子——分子体系受量子力学原理所支配来考虑,就立刻可以理解这一点的。事实上,在1935年,取代苯的反应性已可应用量子力学所求得的电子密度分布来加以说明了。但是,电子学说也有其难处。在说明诸如萘那样的不具有取代基的芳香族烃的反应性时遇到了困难。这种化合物,其取代反应,无论对于富电子反应试剂,还是对于缺电子反应试剂,都是在同样的位置上发生。我想,这个课题对于想要将量子理论引用来说明化学的经验事实的我来说,是再好不过的一个课题。我不像以往那样,把电子密度作为全部电子的和来求得,而是尝试仅取出在跟富电子试剂和缺电子试剂分别反应中,具有特别意义的特定轨道的密度来计算看看。结果出乎意料,这些轨道的扩展方式跟反应性的对应关系相当好。1952年起陆续发表了这些结果,从此,所谓“轨道”这一概念的性质之一开始跟实验结果结合起来了。

  特定轨道的性质中,特别是特定轨道节面构型跟化学反应实验结果的相结合,是其后直至1964年的事。直接的反应示例是Diels—Alder反应。1965年,Woodward和Hoffman将其推广到一般的环式反应。这样就明确了:特定轨道的扩展方式跟化学反应的经验是具有密切关系的。换句话说,借助于以图表示这样的轨道性质、轨道图形(0rbitalPonem),而直观地说明、推定实验事实理应是可能的。

  化学,特别是对于具有复杂特性的有机化学,通常是应用基于实验结果的类推这一手段来进行研究。类推时,具有一定理论根据的概念可作为基础。前述的有机电子学说中的总电子密度,以及后述的特定轨道方法中的轨道图形的想法,可分别作为其基础概念而被应用。这种轨道图形方法的应用范围逐渐扩大,不仅涉及到反应论,而且似乎也波及到构造论和物性论。即使在学术论文中,画特别轨道图的情况也常常出现了。

  另一方面,计算机的发展和量子化学计算方法的进步使得进行精确度非常高的能值计算成为可能,几乎大有无止境之势。在有关分子能量的问题上,即使说有时计算的精确度已经超过实验的精确度也不过份。因此,完全非经验性地理解化学的经验事实,至少对于某种问题来说,在原理上,或许可以说是可能的吧。

  但是,使用大型计算机完成这样大规模的计算决不是一件容易的事,需要花费许多的时间和经费。将理论计算引人化学的领域是个很好的想法,但如果为此,而必须一一进行大型计算的话,那么,量子化学的价值或许就减半了。将化学的经验特性变成理论特性的努力应该朝着这样的方向发展,即使实验工作者也能容易掌握和运用量子化学这一手段。

  使用特定轨道的图形方法,正是为了这一目的。轨道图形所具有的本质特征是,即使不进行那么精密的计算,也大多可以给出接近真实情况的信息。有时,即使不进行像样的计算,甚至也可以得到关于轨道的重要特性的知识。余40年前的心愿,即欲将具有难以推测之特性的“化学”这一学科对于经验的依赖性,哪怕是减少一些也好的希望,看来借助于普及运用轨道图形这种简便的方法而达到了。

 

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