中国学科发展战略（配位化学）/学术引领系列/国家科学思想库

作者简介

内容简介

第一章 我国配位化学的研究进展与展望
　　第一节 配位化学的发展简史与科学地位
　　配位化学研究的主要对象是配位化合物（简称配合物，又称络合物），即由金属原子或离子与无机或有机小分子通过配位键形成的化合物。
　　普鲁士蓝是最早有记载的人工合成配合物之一，其深蓝色主要来自亚铁离子到铁离子的电子转移，至今仍被广泛用作颜料。瑞士化学家维尔纳（Werner）于 1893年发表了第一篇有关配位化学的经典文献《论无机化合物的结构》，提出了配合物的空间立体构型和配位化学成键理论，由此奠定了现代配位化学的基础。 1916年，路易斯（Lewis）提出了化学键的电子对模型。在此基础上，鲍林（Pauling）基于量子力学提出了价键理论，指出具有孤对电子的配体和具有空轨道的中心金属离子因共享电子对而形成配位键。1929年，贝特（Bethe）根据纯粹的静电效应提出了晶体场理论。后来人们基于量子力学发展了更加成熟的配位场理论和从头算分子轨道理论，用于解释和预测配合物及其材料的结构和性质，被后人发展为更成熟的配位场理论。
　　到了 21世纪，配位化学已经远远超出无机化学的研究范围。 2001年，徐光宪院士提出“ 21世纪的配位化学是处于现代化学中心地位的二级学科”的观点，充分凸显了配位化学在科学研究中的地位。事实上，配位化学与化学中各个学科，以及材料科学、生命科学、环境科学等有着密切关系，对科学研究和工业生产起着巨大的促进作用。特别是，配位化学与有机化学交叉，形成金属 —有机化学，在有机药物、精细化工和高分子聚合的催化合成方面起着至关重要的作用。例如，在高分子材料合成方面，齐格勒 –纳塔（Ziegler-Natta）催化剂大大推动了聚烯烃工业的发展，它的发现和应用使高分子材料进入人类的现代生活；配位化学与有机化学交叉，形成生物无机化学的主干领域——生命配位化学，该研究领域中发现的顺铂配合物对于癌症治疗具有革命性的意义。配位化学与材料科学交叉，形成金属 —有机材料化学/无机—有机杂化材料化学，对光电磁分子基材料、多孔材料、化工催化材料等的发展起着至关重要的推动作用。可以预见，配位化学的发展将对材料化学、能源化学、生命化学及环境化学起非常积极、重要的作用。
　　第二节 2006～2016年配位化学的若干重要数据分析
　　为了直观、“数字化”地探讨我国配位化学在 2006～2016年的概况，书中对一些代表性的数据、学术论文发表与引用情况（详情参见第十三章）、国家自然科学基金委员会化学科学部项目资助（包括国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重点项目与面上项目）情况等若干重要数据进行了统计。
　　一、学术论文发表与引用状况
　　根据科学引文索引（Web of Science，WOS）检索（参见第十三章），中国的配位化学相关论文数量从 2006年的 1318篇发展到 2016年 4314篇，世界排名第一（约占世界总数的 1/4），增幅为 2.27倍，增长率远远高于世界平均增长率的 1倍。
　　在此期间，中国的论文篇均被引频次逐年上升，但到 2014年才与世界平均水平持平，明显低于美国（约为其 60%），但差距在逐年缩小。因为中国发表论文总数多，配位化学论文总被引频次位居世界第二；在最高的 15家组织机构中，中国占了 5家，比入选机构数排名第二的美国多 1家。不过，按照篇均被引频次看，国内机构明显低于排名第一的美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）。在基本科学指标数据库（Essential Scienti.c Indicator， ESI）高被引论文的国际前 15名机构中，我国只有 2家，美国占有绝对优势，达到 9家。国际 ESI高被引论文数量中，美国以 781篇论文数位居榜首，被引频次也最高，中国总论文数和总被引频次位居第二；中国的高被引论文总数是排名第三的德国的 2.8倍，但篇均被引频次居前 10个国家中最末位置，但差距在逐年缩小。国内论文篇均引用频次偏低的主要原因，一方面是低影响力论文偏多，另一方面是我国是“新兴”配位化学研究的大国，新近发表的高水平论文的引用有时间滞后效应。
　　自 2014年起，汤森路透（Thomson Reuters）公布，中国 b化学及其中配位化学入选国际高被引用科学家人数分别为： 24/4（2014年）、 34/5（2015年）、 39/5（2016年）、 52/7（2017年）。配位化学领域人数占化学领域总人数的比例在 12.8%～16.7%，增速略低于化学整体的发展。
　　（1）顶级国际学术刊物发表配位化学相关论文情况。国际上最具影响力的三种化学专业刊物［《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society， JACS）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition， Angew. Chem. Int. Ed.）、《化学科学》（Chemical Science， Chem. Sci.）］发表配位化学相关论文数量的比例分别为 7.89%、7.28%和 12.62%。中国的论文数量分别占其中的 11.2%、15.3%和 20.5%，明显低于美国的比例（分别为 51.5%、24.8%和 35.0%）。中国在前两种刊物发表论文数量位于世界第三，而在 Chem. Sci.发表的论文数量位于第二。在以上三种刊物中发表论文的引用情况，中国分别位居第二、第三和第二，与论文数量的排位基本相似。至于顶级综合学术期刊《自然》（Nature）和《科学》（Science），发表配位化学相关论文数量的比例分别仅为 0.25%和 0.59%；美国占其中约 58%和 65%，而中国分别占 9.68%和 4.48%。从这一角度可以看出，我国与美国的差距还是相当大的。
　　（2）发表配位化学相关论文的学科分布情况。显然，发表配位化学论文刊物最主要的学科是化学。化学类刊物占据了整个配位化学论文数的 86%。其次，材料科学、物理、生命科学、工程、环境 /生态等类型的刊物也发表了相当数量的与配位化学密切相关的论文。从发表论文的刊物属性也明显看出，配位化学的研究，已经与多个学科进行了相当程度的交叉、渗透。
　　（3）配位化学相关专利情况。与配位化学相关的专利主要是发光化合物、催化剂、合成方法等。日本以占比 23.37%位居首位；美国占比 22.83%，位居第二；中国占比 19.00%，位居第三。但我国没有研究机构进入前十位。
　　二、人才与科研项目状况
　　由于数据来源的限制，这里只提供 2006～2016年国家自然科学基金委员会的相关数据。在这 11年中，无机化学学科国家杰出青年科学基金获得者共有 47人，其中从事配位化学研究的获得者 21人，占 44.7%；2012～2016年国家优秀青年科学基金获得者共有 39人，其中从事配位化学研究的获得者 9人，占 23.1%。相对而言，国家优秀青年科学基金获得者所占比例明显偏低，值得关注。配位化学研究面上项目 394项，占无机化学 1635项的 24.1%；重点项目 8项，占无机化学 68项的 11.8%。重点项目中，配位化学占比也明显偏低。
　　由于数据来源有限及学科交叉等原因，我们无法准确统计在其他学科中属于配位化学研究或与配位化学研究密切相关的资助项目情况。不过，大致可以看出，从事配位化学相关的优秀中青年学者的群体比较大，特别是中年科研工作者。但从国家优秀青年科学基金项目及面上项目看，其似乎有逐步减少的趋势。这可能是部分学者的研究方向与其他学科交叉所引起，也可能因为部分优秀学者参与了其他项目、计划的研究工作。
　　第三节 近十余年我国在配位化学领域取得的重要进展
　　过去十余年里，我国在配位化学领域中各个研究方向都取得了快速的发展。其中若干重要、代表性的进展简要地概括如下。
　　一、分子设计与组装方法和策略
　　十余年间，我国在簇合物和配合物（包括金属 —有机框架材料）研究方面取得了重要进展。特别是，发展了配位、阳离子导向等组装方法，获得了系列结构新颖的多孔配合物［也称金属 —有机框架（metal-organic framework， MOF）］、超高核数的稀土 —过渡金属簇合物、配位分子笼等。这些研究成果在国际上产生了重大影响并占据了举足轻重的地位。其中，我国学者提出了若干创新性合成策略与方法，在国际上首次制备了结构新颖、有应用前景的配合物。例如，通过在咪唑配体上引入取代基对网络拓扑进行调控，获得具有较高孔洞率、很高稳定性、便宜易得的咪唑金属盐类金属 —有机框架材料，这些成果引发了国际上对咪唑基、多氮唑基金属 —有机框架材料的广泛研究，其中我国学者首先报道的具有 SOD拓扑结构的甲基咪唑锌盐 [Zn(mim)2]（即 MAF-4或 ZIF-8，Hmim=2—甲基咪唑）已经成为近年来国际上研究最多的少数几种金属—有机框架材料之一。再如，提出基于阴离子模板、有机配体保护等有效策略，组装与合成一系列新颖的高核金属团簇。
　　二、理论配位化学
　　我国学者在理论配位化学领域，开展了对配合物电子结构与成键、重元素化学键理论、金属芳香性、磁性、激发态性质、催化反应性等方面的一系列科学研究，预测和解释了许多结构新颖、性能优良的配合物。尤其是，结合高分辨光电子能谱和相对论量子化学计算研究了多种金和铀配合物的精确电子结构及其激发态性质；研究了碳龙配合物中平面共轭长碳链的芳香性及与金属配合物的结构特性相结合所显示出的独特性能；通过对后过渡金属配合物激发态的研究，揭示了配体对光谱学性质的显著调控作用，以及其在染料敏化太阳能电池中的载流子复合的电场诱导效应和共敏化结构因素；使用密度泛函理论（density functional theory，DFT）结合对称性破损态的方法和基于多参考态的量子化学从头算方法研究了分子纳米磁体等低维磁系统的磁构关系、磁耦合、磁弛豫及量子化磁现象；揭示了锕系配合物与冠醚、氧膦、吡啶、吡唑类配体的成键规律和配位选择性，并用于镧锕共萃取及镧锕分离。
　　上述研究工作中，我国化学家取得的下列研究成果具有重要的理论意义和创新性，在理论配位化学中产生了重要的影响：①首次揭示了含 C≡U三重键配合物的存在及其稳定化条件，发现了前所未有的 四重键，并在 Si—U化合物中发现了突破路易斯电子对模型的新颖的多自由基成键方式；②首次提出了低氧化态八核 Zn(Ⅰ)、Mn(Ⅰ)立方簇合物中的“立方芳香性”的概念及其遵守新的 6n+2电子规则，从而解释了低价态金属团簇的特殊稳定性；③首次发现了具有 Oh对称性立方体结构的八羰基配合物 M(CO)8和 [M(CO)8]+（M=Ca、Sr、Ba），表明属于主族元素的碱土金属的 (n–1)d空轨道在一定条件下也可以参与化学成键。
　　三、生命配位化学
　　我国学者在配位化学与生物、医学的交叉方向上取得了令人瞩目的研究进展，逐步在生命配位化学领域形成了自己的发展特色。金属离子和金属配合物对生命分子的识别是生命配位化学的重要研究内容。金属铱（Ⅲ）配合物在活细胞器染料的开发上展现了惊人的潜力。
　　例如，我国学者开发了不需要连接上额外辅助透膜的基团即可定位于活细胞核的铱（Ⅲ）配合物，能快速有效地点亮活细胞核，显示出 200倍的荧光增强信号及较低的细胞毒性，是首例基于反应点亮的细胞核荧光探针。同时，还报道了一系列线粒体靶向双齿金属铱（Ⅲ）配合物，成功应用于活细胞及固定细胞中线粒体的磷光成像，成功应用于观察细胞凋亡过程中线粒体形态的动态变化。
　　我国学者设计了一类新型“铂类药物 -DNA-多聚组氨酸小肽”的杂交分子探针，成功地从多种癌细胞中“垂钓”出可以特异识别铂类药物 -DNA复合物的纳摩尔级别目标蛋白质分子，探测了多种铂类金属配合物与蛋白质的作用过程与机理，说明蛋白质的配位反应对药物活性的影响，从分子水平