序

　　学习卢嘉锡，宣扬卢嘉锡和诠释、评述卢嘉锡，成为我学术生涯的一个“辅业”。1981年我与卢先生合作，撰写了《结构化学研究中若干方法论问题》（原载于《自然辩证法通讯》，1982年，第4卷第1期，16—22页）。退休后，2002年我为卢先生撰写了《卢嘉锡科学——教育——人文思想组诗》（共十四首）；2003年我又与卢葛覃撰写了《卢嘉锡科学研究的风格和特色》；因自然辩证法杂志社主编李醒民邀请，要撰写著名科学家人物评述，2004年我又与卢葛覃撰写了《卢嘉锡：集科学家、教育家与科学管理于一身的实践家》等论文，并得到学界很好的评价。

　　《结构化学研究中若干方法论问题》一文，是我与卢先生合作的“处女作”。虽历经30多年，我再三研读，仍可见到卢先生那熠熠闪光的学术思想的魅力，故欲趁此所庆50周年暨卢先生95周年生日之际，把它呈献于读者。

正文

　　结构化学，是研究化学物质在原子一分子水平上的微观结构及其与宏观性能相互影响、相互制约的基础科学，是化学学科的一个重要分支。建立在现代物理研究手段(包括量子化学和电子计算机技术)基础上的现代结构化学，不仅成为揭示、认识宏观世界中纷繁复杂、变化万千的化学现象、物理性能和生物活性的必要手段，而且也是能动地改造客观物质世界、向自然界索取自由的重要利器。本文拟从方法论的角度，对研究手段与思维方法、精确与毛估、局域与离域以及模型方法等几个侧面作一概述。

　　一、研究手段和思维方法

　　(1)研究手段概述

　　工欲善其事，必先利其器;学欲研其精，必先磨其技。现代结构化学的研究，是建立在各种衍射、光谱、波谱、其它能谱、质谱、热谱、色谱、电子显微技术、电化学、激光技术、动态测试技术和电子计算机技术等所组成的庞大的高、精、尖综合探索系统。它从物质的表面相到体相，从静态到动态，从空间结构到电子结构进行广泛的分析综合工作，从而提供了大量的有用信息，包括分子中原子排列的空间构型(如键长、键角、配位结构等)，元素的组成、比例及电子结构(包括电子的组态、电子云密度、电子的空间排布以及电子的能级等)和动态信息(包括反应中间产物的构型变换、电子在各能级存活的寿命、晶格的振动、转动模式等)。有人曾作过统计，仅表面结构所用的各种探针(包括光子、电子、中性粒子、离子、声子和电磁场)就有几十种。

　　现代结构化学探测的特点是:精密的分析和高度的综合。它除了广泛采用物理手段，具有高灵敏度、高分辨率、快速、自动控制、记录并进行数据处理外，还广泛采用多机联用技术。以表面测试为例，由于每种表面分析技术都有其局限性，近年来发展了由能谱仪、衍射仪、质谱仪和电子显微技术等组成的多机联用系统(包括电子计算机)，它可以更准确更经济地进行表面分析综合工作。

　　(2)分析综合与综合分析

　　由于各种测试分析手段，都有其各自的局限性。如红外光谱只适于那些振动、转动跃迁前后有偶极矩变化的分子;而拉曼光谱则要求有极化率变化，才能在光子激发时引起振动、转动的能级跃迁;核磁共振仅对有核自旋的分子，才能显示，电子顺磁共振，仅对有不成对电子的分子，才得出信号;而质谱只能给出分子碎片的质量/电荷比的信息，所以它不能对具有相同质量的碎片离子或同分异构物离子，作出判别。因此，我们在进行结构分析时，总是应用各种探针施之于物体，取得各种信息，然后再把这些信息综合起来，通过去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里的联贯思索，最后再作出判断来。例如我们在进行天然有机化合物的结构分析时，我们首先要从大量的天然有机物中，提纯、分离出各种不同组份的纯物质或有效组份，然后再根据红外光谱、紫外光谱、核磁共振波谱和质谱所提供的不同角度的信息，经过分析、综合、推理、判断，常能作出合乎逻辑的结构鉴定。因此我们把这种从分析到综合的思想方法，叫做分析综合法。但我们进行结构测定的目的，在于掌握性能与结构之间的联系，从而找出设计合成的内在规律。只有我们真正了解分子结构及其化学键本质，我们才能把握分子、驾驭分子。大规模集成电路中的集成块，若能听命于人工的控制安排，我们就能制备出“分子电路”。我们从分子的基态和激发态的几何构型、能级高低、电荷分布、偶极矩、势能面等结构参数为分子设计提供基础。例如我们从N₂:分子的能级结构，找出N₂,的异常化学稳定性原因，从而找出活化N₂:的结构因素。许多生物活性大分子:蛋白质、核酸、天然有机化合物、药物、染料的研究、模拟、合成和改性，也往往是先从大量原材料(动物、植物、微生物)中经提纯分离出纯物质后，进行组份测定、结构鉴定，最后再把它合成出来。最近日本化学工作者，报道了利用质谱碎片进行设计合成的思想。例如他们以一定能量的电子轰击吴茱萸碱，得到稳定的二个碎片，从碎片可说明键的易断裂点所在，他们以此二“碎片”为起始反应物，则可一步合成出与天然吴茱萸碱一致的产物。这说明结构的阐明者(从分析到综合)，往往是全合成的工作者(从综合到分析)。所谓“合成树”(Synthetic tree)的思想，即是这种综合分析思想。因为物质的结构是“一”，而合成的途径则有多种多样，故从已知的结构出发，必须采用综合分析方法，考虑所有可能的反应途径，并对可能的前体结构也进行类似的考虑，如此层层分支形成所谓合成树，从中经过对比分析，得到最优的合成路线。这种从结构的阐明(从分析到综合)到指导合成甚至设计合成(从综合到分析)的研究，再从合成的探索反馈到结构的确证，最后达到完全自洽的认识过程，才完成了科学的思维过程。

　　(3)归纳—一演绎

　　我们通过科学试验，应用辩证思维方法，把自然界纷繁复杂变化万千的自然现象，进行科学分类，从而找出它们间的相互联系和变化规律。门捷列夫(Mendeleyev)的元素周期律，是对元素进行科学分类的光辉典范。而要对分子、晶体中原子的空间排列、电子的轨函排布，进行科学的分类，则要靠对称性原理了。人们很早就从晶体的外形及其特性(均匀性、各向异性和空间的对称性)，推测到晶体内部结构的规律性。但要对千态万状的晶体，进行科学的分类，就要对它进行很好的分析与抽象思维。正如欧几里德(Euclid)用简单的几条几何学公理，演绎出皇皇大观的欧氏几何学一样。人们按照晶体的外形，根据几何学原理，把它抽象出7个对称要素，然后用演绎方法推导出7个晶系、14种点阵型式、32个晶体学点群和230个空间群。而群论方法，则给这些空间形式以准确而简洁的数学描述。空间群理论，是经典化学中关于晶体结构的最完备理论，它对晶体结构分析，起着重要指导作用(尽管在实际晶体中我们未能观察到全部230个空间群)。从归纳到演绎，再从演绎来指导化学合成的另一范例是Woodward-Hoffmann法则。他们从大量的有机合成的实践中，归纳出分子轨道对称守恒原理—反应前后分子轨道的位相(包括轨道形状、对称性、节点数目的广义位相)，仅以经受最小的变化而守恒着。而这一原理反过来又推动了维生素B₁₂的全合成。这是有机化学合成史上最难能可贵的生动事例。我们知道B₁₂是由四个含N的五员环联成大环。环中心通过Co⁺离子而与四个五员环中的N杂原子和CN基等配位体络合起来。但大环骨架内有9个不对称C原子，因而可能有512个异构体。要合成这样复杂的立体异构体，只有把有机反应机理就每个基元反应作演绎的理解，按化学因果律，根据反应中分子轨道位相以最小变化这一微观的变化规律，来判明和诱导分子按一定途径进行反应，才能从512个立体异构体中选择出我们所需的产物。人们的认识过程，往往从宏观到微观，从现象到本质，从个别到一般，从归纳到演绎，从功能到结构。但当科学发展到一定阶段后，就有可能使认识过程来个逆转，使人们从长期实验观察中归纳出的规律，转变为演绎的基础。上述维生素B₁₂全合成的成功，生动地说明了用演绎推理法来指导合成的可能性，从而结束了那种单凭有机合成化学家的经验来直觉地合成的时代。正如综合与分析一样，归纳与演绎也是辩证统一的。因为作为演绎基础的基本原理，往往是从归纳产生的。蒋明谦根据对立统一原理，从大量的有机化合物中，归纳出有机化合物的同系线性规律。他打破传统类型反应观念所遵从的基团电子效应的束缚，以对立统一法则来处理分子的整体性和基团的独立性，着重寻找出体现分子整体性的结构因素，导出了他的同系序数和能级序数构成的同系因子，并利用这个结构因素来联系与分子中电子活动有关的各种物理、化学性能，找到了有机化合物’的同系线性规律。

　　在结构化学的理论思维中，我们要特别提一下著名的结构化学家鲍林(Pauling)的治学方法，作为借鉴。他既善于从繁杂的实验事实中，通过抽象思维把现象与本质联系起来，又善于从量子力学的方程中，引出直观模型，使概念形象化。他不仅长于归纳，而且深明演绎，他不仅是量子力学价键理论创始人之一，而且也是应用原子参数、键参数研究分子晶体和化学键本质的主要倡导者。而鲍林关于电负性和共振论的概念，不仅立足于大量事实，而且也借助于量子力学的一般原理的启发和指导。

　　二、精确与毛估

　　一线阳光穿云出，愈见姣妍，

　　人间的万象真理愈求愈模糊;

　　　  —模糊中偶然见着一点光明，真愈觉姣妍。

　　这是周恩来同志在《雨中岚山一一日本京都》中的诗句。他以生动形象的语言，道破了深刻的哲理:真确兮模糊所伏，模糊兮真确所倚。毛泽东同志在《论持久战》中说道:“客观现实的行程，将是异常丰富和曲折多变的，谁也不能造出一本中日战争的‘流年’来。然而给战争趋势描画一个轮廓，却为战略指导所必需。”又说:“战争没有绝对的确实性，但不是没有某种程度的相对的确实性，我之一方是比较地确实的。敌之一方很不确实，但也有征兆可寻、有端倪可察、有前后现象可供思索，这就构成了所谓某种程度的相对的确实性，战争的计划性就有了客观基础。”这又给我们指出了精确的相对性和我们对之进行毛估的必要性。

　　1、科学研究，尤其是基础研究，它既是探索未知世界，揭示其内在矛盾；同时，又是展望未来、统观全局的远景筹划。爱因斯坦曾经说过:“提出一个问题比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅是数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度看旧的问题，都需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步”。在我们探索科学的道路上，常有在推理论据还不充分(或根本无“理”可依，需要我们去创立新的原理)、情况尚还朦胧时，需要我们有作出科学的论断、猜测、估计的非凡能力。我们说科学是精密的、确定的，这只是对研究对象的不确定性的某种程度的简化、抽象的一种描述。而实际过程则往往十分复杂，带有不确定性或模糊性。一种不确定性是与事件出现的次数不够多或无从取得大量有关信息，因而表现为不确定性。这种不确定性，可以通过概率统计的方法来解决。而另一种不确定性，则属于事物本身的固有属性产生出来的模糊性。从氢原子谱线的跃迁谱系中，我们可以看到理论计算和实际测量符合得如此之好，但这仅限于简单的物理体系的情景。对于复杂的生物化学过程、生命过程则现有的数理逻辑就显得不够了。电子计算机虽算得又快又淮，但它没有人的思维的那样高度灵活性和创造性。人最善于处理模糊对象，如炼钢工人观察炉温，高级厨师掌握火候，中医的辨证诊断，艺术家的灵感，科学家的创见都是从模糊中察出端倪，看到轮廓，毛估出过程的概况。

　　2、所谓毛估是一种近似的(包括半经验的近似计算)定性的、概念性的一种描述、判断、估计和预测。而一切精确的计算则是建立在这些正确概念基础上的“上层建筑”。量子力学的计算，几种氢分子近似方法精度的不断提高，都是先定性地考察、分析影响电子云排布的诸种可能性及各种力的作用、性质及其相对大小，即对影响和制约电子运动的动能、库仑能和交换能作适当的估计，然后才能得到好的结果。这说明定性的判据对精确的计算的重要性。

　　3、科学不是从纯粹理性认识中推敲出来的，它大部分是人类系统化的经验，而建立在实验基础上的化学更是如此。可以认为量子化学的发展已进入第三阶段，从一个数量级范围内与实验相符合，达到能非常接近实验测量的比较精确的计算，进而跃到比实验更为精确的计算或者说计算至少达到了进行理论解释所要求的足够的精确度。量子化学的发展，使某些人产生这样的印象，似乎化学的一切问题，都可归结于量子力学波动方程的求解。但我们知道目前最精确的“自洽场从头计算法”，若采用“原子轨函线性组合”时，遇到的“多中心积分”计算，是与电子个数的四次方成正比例。一个含有20个原子的分子，一般所含电子数以百计，所需计算积分就要上亿个。这要求有足够大型的计算机才能胜任。另一方面，计算机还有它的根本弱点，即计算所得数字，有时不知意味着什么?计算机所给的数值结果，也像实验室现象一样复杂而不可思议。除了发展上述精确方法外，我们在寻求新材料、筛选新的催化剂时，我们从大量的实验工作中，取得了许多信息，从而凭借现代结构化学和量子化学基本概念、原理，根据经验参数，提出简化的模型进行近似计算，然后总结出经验、半经验的规律。这种经验或半经验方法，尽管缺乏理论严整性，但它机动、灵活、有效，因而富有生命力。

　　三、模型方法

　　作家通过典型环境中典型人物的形象塑造，来揭示社会现实，阐发人生意义；艺术家通过造型、色彩、线条把生命的原型，生活的真、善、美再现于人间；而科学家则从大量的原始数据，繁多的曲线、图表，由科学概念、基本原理出发，抽象出科学模型，然后选择合理的近似方法进行计算，最后再引伸出科学的规律来。科学工作者只有抓住支配现象的主要矛盾，才能确立正确的科学模型。这种模型对沟通科学现象与其本质的认识过程，起到了重要的桥梁作用。同时，它给人以简单、清晰的物理图象，直观、明确的物理含义，因而使这种模型方法被广为采用。如经典的理想气体模型，玻尔(Bohr)的原子模型，遗传信息物质DNA(去氧核糖核酸)的双链螺线模型等，都对洞察事物内部的本质，推动各门学科的深入发展，起过重要作用或正在起作用。在过去几年中，我们曾结合我所的研究工作，运用模型方法，提出固氮酶活性中心的“网兜”模型，电光非线性光学效应的“阴离子基团”模型，雷珀Reppe)法丙烯制丁醇均相催化剂的原子簇模型，取得了可喜结果，赢得了同行们的好评，现结合我们工作的一些体会，谈谈模型方法的一些特征:

　　1.相似性

　　相似应包括“形似”和“神似”两个不同的认识层次。所谓“形似”是通过模拟自然过程，模拟生物内部机制后，对自然产生的初级认识过程。在这一认识过程中，人们把原型中的“形”进行等价相似变换，把它移植到我们的模型中(它属于同态而非同构)。这个相似应包括空间构型的相似，化学组成的相似，物理特征的相似，反应过程的相似等。但我们在向自然学习时，不应只停留在简单的模仿上，我们要通过模仿而有所创造。我们通过把握原型中所蕴涵的原理和机理，从中抽象出比原型更丰富、更精美、更典型的特征，这时才达到“神似”的境界。我们目前进行的化学模拟生物固氮，即是从固氮酶的活性中心结构、对底物的反应性能(化学探针)以及能量传递、电子传递等来模拟它的。人们应用MoK X射线吸收精细结构谱(EXAFS)的微环境分析法，了解到钼铁蛋白中M。原子周围的微环境，及其最近邻原子配位情况，应用穆氏(Mosssbauer)能谱法了解到铁氧还蛋白中Fe原子的价态及其周围的配位状态;也从对底物分子的生物化学反应中，了解到底物的“钥匙”和酶分子的“锁”的构型相关性等等。我们正是根据这些信息来推测固氮酶的买体结构的。但要从这些模拟中，得到我们上述所说的“神似”，抽象出好的模型(模型不止一个)，就要看我们能否把握住支配过程的主要矛盾，是否抓住问题的关键所在。

　　2.近似性

　　模型是原型的近似反映，它突出了事物的主要矛盾或主要特征，而忽略了次要矛盾或次要特征。我们体会到模型的设计过程，正是不断分析矛盾，抓住矛盾的主要方面并不断解决矛盾的过程。我们从大量的酶化学和过渡金属氮分子络合物的信息中，对固氮的三个过程络合—还原—加氢作了分析。我们抓住了N₂分子的异常化学稳定性这一主要矛盾，它既难于氧化(失去电子)，又难于还原(得到电子)，这从N₂分子的前线分子轨函的能级分布及其能差△₁，(即最低空轨函与最高占填轨函间的能差)特别大而△₂(即最高占填轨函与次高占填轨函的能差)又非常小的情况反映出来。因此要通过络合过程，实现N2的充分活化，一方面既要在π型分子轨函上打主意，设法从次高满填π型轨函抽走电子，同时设法往最低全空π型轨函送进电子，从而拉低π键键序，缩小△₁的异常性，另一方面还要从σ型轨函上出点子，设法拉伸N一N键，压低N核间的静电斥力，扩大△₂或者设法从最高满填π型轨函抽走电子。这是充分活化N₂的前提，但如何实现上述的战略要求，这就要求我们选好主攻方向，配合诸路侧攻力量，据此，我们提出了充分活化N₂的单端基加多侧基结构设想。提出了MoFe₃S₃模型，它是具有网兜状的不完整立方烷原子簇结构(福州模型Ⅰ)。这就体现了我们对大自然的模拟，要在“神似”上下功夫。

　　3.我们没有万古不易的定理，自然也不会有恒久不变的模型。得鱼忘筌，我们仅把模型当作研究手段，当作沟通宏观世界和微观世界的媒介。当层出不穷的实验材料和理论，要求对模型作出修改时，我们应把原始模型的出发点及其具体形式的不适当部分作必要的补充、修改，来尽量符合新的实验事实。根据固氨酶钼铁蛋白中Mo周围的X射线吸收精细结构谱和铁钼辅基的最新结果，我们在原先模型的基础上又推敲出固氮酶福州模型Ⅱ—孪合网兜模型，即把两个基本上同向平行的网兜，通过共有的M。原子，偶联成一个双立方烷型孪合重烷体Fe8MoS6。目前我们已从模型的构想，跨到模型物的试探合成、结构鉴定及活性评价上，并取得了可喜的进展。

　　必须指出:作为一般的考虑，科学的发展也可能超脱于一切具体模型而取得突破的。如传统的原子模型:汤姆逊的“馅饼式”原子模型，被卢瑟福的“行星绕日式”原子模型所取代，后来有人试图用经典的物理概念，来解释卢瑟福的原子模型，但失败了。因为按经典理论，作轨道运动的电子要不断辐射能量，终将使电子堕进原子核中消灭掉。后来玻尔吸收了量子论观点，用电子从一个轨道跃迁至另一轨道时才允许有能量的吸收或释放的假定来克服上述困难，取得了一定的成功。但从根本上说，玻尔模型仍属于经典理论与量子论的“杂交”产物。这时推动科学前进的不再是新、旧模型的更迭，而必须是解放思想，打破旧观念，建立新的理论体系为契机。

　　四、固体中的长程力与短程力

　　早期的固体理论，主要以阐明金属的特性为其主要的研究对象。人们发现金属有良好的导电、导热性能，因而假定金属原子周围的价电子是处于独立的、自由的状态，它的运动几乎不受原子核所制约，这就产生了“电子气”的概念。但当人们的视野从简单的金属转向一般固体时，发现“电子气”概念无法说明一般固体导电性上的巨大差异(它们间的电阻率相差达32个数量级即10³²倍左右)，这就使人怀疑固体中的电子是否就象“电子气”模型所说那样的独立、自由?直至本世纪初期，才有人对规整的固体提出了原子按周期点阵排列的概念。他们把每个原子核安置于点阵点上，而设想价电子是处在这样周期势场中运动的。因此，电子运动轨道应服从平移不变性。Bloch等把这一雏型发展成固体电子结构的能带理论。这一理论，不仅能很好地说明了固体导电性的巨大差异，尤其对半导体材料的研究与发展起了重大的推动作用。但自六十年代后，随着固体化学的发展，表面科学的进步，许多新型新技术晶体材料(例如电光非线性光学材料)和非晶态物质(例如表面吸附剂、催化剂等方面的研究，都给固体理论与表面科学以新的巨大的推动力。人们开始认识到，除了象NaCI那样的简单离子型晶体外，一般稍微复杂的固体物质，其中每个原子或离子周围都有相当复杂的价电子结构，且往往是几个原子首先按一定方式组成基团或原子簇，然后再由这些基团或原子簇配上另一些具有不同电荷的简单离子，按一定次序堆砌而成的。即是说固体的结构单元，不一定是简单的球状离子，而应是原子簇。显然，这种原子簇结构模型，符合大多数固体结构的特征，尤其是以共价键相结合的固体物质，更是如此。非晶体物质的外延X射线吸收精细结构谱表明，这类物质既非多晶体，也非完全无序，而是某种短程有序、长程无序的物质。在金属表面吸附的研究中，发现金属表面化学吸附的结构特征和金属原子簇化合物有很多相似处。以Rh₆(CO)₁₆,。为例，它们在金属原子间距和排列上，结合(或吸附)能量上，对CO的结合(或吸附)构型上和键合的能级上，都表现出很大的相似处。这些现象都说明金属的吸附催化活性，仅发生在金属或催化剂的特殊面、棱或点上。这说明我们可以用局域的表面络合物或表面原子簇，来模拟某些化学吸附催化过程的。

　　因此可以看到，在固体中存在着两类矛盾:一类是以长程力为主、短程力为辅的研究对象，如固体的电的(特别是温差发电、霍尔效应)或磁的性质等，能带论在很多情况下提供了很好的解释;另一类是以短程力为主、长程力为辅的研究对象，如电光非线性光学效应、缺陷、表面吸附等，则“原子簇”模型显示其优越性。能带处虽见到事物的整体性，它把事物看作不可分割的相互联系的整体，这是它的优点，但由于数学上的困难，不得不把构成整体的各个局部作简化的处理，这就给这个完备的整体结构，埋伏下严重的“缺陷”。因而，对那些属于“局域化”的电子运动问题，就陷人了根本性困难。而在“原子簇”模型中，虽对实体的局部微观结构给予精确的描述，但由于它忽略了事物的整体性，因而也必会给那些“离域”的电子运动，造成了人为的“位垒”。有鉴于此，近来学者为使他们的模型臻于完善，必须针对他们模型的各自不足处，进行合理的改造，即是说一者要从远程力出发，逐步包括近程力的影响:一者要从短程力出发，逐步包括长程力影响。这正是把两种理论模型的合理部分结合起来，构成所谓相互作用原子簇模型(Interacting-cluster model)，只有这样才能使问题得到更为合理的解决。

　　以上所述的几个问题，是具有普遍意义的科学方法论问题。我们从物质宏观性能的研究人手以揭示其隐藏在内部的结构奥秘:而通过微观结构因素的研究，来达到有效控制分子的过程，使朝着人们需要的方向来剪裁、设计、合成分子，为人类创造出千千万万新颖的、精美的物质世界。要揭示物质世界的奥秘，我们一刻也不能停止输入有关物质外部的及内部的诸多信息，并对这些信息进行鉴别和科学的加工。这就要求我们充分运用现代物理研究的手段(包括电子计算机技术)。同时，还要运用唯物辩证的科学思维方法，处理好微观世界中局部与整体、精确与近似、动态与静态等诸方面的对立统一关系。并运用模型方法提出假说，再经实践验证而上升为理论，然后再通过应用研究、发展研究而指导生产。