1981年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主福井謙一和霍夫曼

 　　福井謙一(Fukui Keniehi)，日本化學(xué)家，1918年10月4日生于日本奈良。1941年畢業(yè)于日本京都大學(xué)工業(yè)化學(xué)系，后人工學(xué)院學(xué)習(xí)并獲工學(xué)博土學(xué)位。此后在京都大學(xué)工學(xué)院石油化學(xué)系任教。1951年后一直擔(dān)任該校物理化學(xué)教授至退休。福井謙一主要從事碳?xì)浠衔锘瘜W(xué)方面的研究工作，同時(shí)對(duì)量子化學(xué)研究作出杰出貢獻(xiàn)。早在1940年，他對(duì)化學(xué)作為一門如果不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就什么也不明了的科學(xué)很有感觸。他希望能設(shè)法把這樣過于經(jīng)驗(yàn)性的化學(xué)特征變得理論性些。從那時(shí)起他開始學(xué)習(xí)量子力學(xué)，試圖將量子力學(xué)引用來說明化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)。經(jīng)過多年的試驗(yàn)驗(yàn)證，1952年他提出電子軌道概念并與試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來。在伍德沃德與霍夫曼提出分子軌道對(duì)稱守恒定律后，福井謙一研究借助于圖形表示軌道性質(zhì)、軌道圖形的“圖解量子化學(xué)”方法，使量子化學(xué)省去大型繁瑣的計(jì)算，用特定的軌道圖形方法研究和掌握量子化學(xué)。1962年他曾以論文“共軛化合物的電子狀態(tài)及其化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系”而獲得日本科學(xué)院的獎(jiǎng)賞。他提出的“前線軌道”概念，并把它發(fā)展成為了解分子反應(yīng)能力和反應(yīng)過程的強(qiáng)有力的理論。因而，福井謙一同美國(guó)的霍夫曼共獲1981年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他是榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的第一位日本化學(xué)家。福井謙一30年從事量子化學(xué)研究，發(fā)表論文500余篇。1981年在中國(guó)出版了他的專著《圖解量子化學(xué)》。他在書前致中國(guó)讀者中寫到：在電子學(xué)說中起核心作用的電子密度這一概念，當(dāng)然應(yīng)與量子力學(xué)相結(jié)合，若從原子——分子體系受量子力學(xué)原理所支配來考慮，就立刻可以理解這一點(diǎn)的。事實(shí)上，在1935年，取代苯的反應(yīng)性已可應(yīng)用量子力學(xué)所求得的電子密度分布來加以說明了。但是，電子學(xué)說也有其難處。在說明諸如萘那樣的不具有取代基的芳香族烴的反應(yīng)性時(shí)遇到了困難。這種化合物，其取代反應(yīng)，無論對(duì)于富電子反應(yīng)試劑，還是對(duì)于缺電子反應(yīng)試劑，都是在同樣的位置上發(fā)生。我想，這個(gè)課題對(duì)于想要將量子理論引用來說明化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的我來說，是再好不過的一個(gè)課題。我不像以往那樣，把電子密度作為全部電子的和來求得，而是嘗試僅取出在跟富電子試劑和缺電子試劑分別反應(yīng)中，具有特別意義的特定軌道的密度來計(jì)算看看。結(jié)果出乎意料，這些軌道的擴(kuò)展方式跟反應(yīng)性的對(duì)應(yīng)關(guān)系相當(dāng)好。1952年起陸續(xù)發(fā)表了這些結(jié)果，從此，所謂“軌道”這一概念的性質(zhì)之一開始跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來了。

　　特定軌道的性質(zhì)中，特別是特定軌道節(jié)面構(gòu)型跟化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相結(jié)合，是其后直至1964年的事。直接的反應(yīng)示例是Diels—Alder反應(yīng)。1965年，Woodward和Hoffman將其推廣到一般的環(huán)式反應(yīng)。這樣就明確了：特定軌道的擴(kuò)展方式跟化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)是具有密切關(guān)系的。換句話說，借助于以圖表示這樣的軌道性質(zhì)、軌道圖形(0rbital Ponem)，而直觀地說明、推定實(shí)驗(yàn)事實(shí)理應(yīng)是可能的。

　　化學(xué)，特別是對(duì)于具有復(fù)雜特性的有機(jī)化學(xué)，通常是應(yīng)用基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的類推這一手段來進(jìn)行研究。類推時(shí)，具有一定理論根據(jù)的概念可作為基礎(chǔ)。前述的有機(jī)電子學(xué)說中的總電子密度，以及后述的特定軌道方法中的軌道圖形的想法，可分別作為其基礎(chǔ)概念而被應(yīng)用。這種軌道圖形方法的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，不僅涉及到反應(yīng)論，而且似乎也波及到構(gòu)造論和物性論。即使在學(xué)術(shù)論文中，畫特別軌道圖的情況也常常出現(xiàn)了。

　　另一方面，計(jì)算機(jī)的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法的進(jìn)步使得進(jìn)行精確度非常高的能值計(jì)算成為可能，幾乎大有無止境之勢(shì)。在有關(guān)分子能量的問題上，即使說有時(shí)計(jì)算的精確度已經(jīng)超過實(shí)驗(yàn)的精確度也不過份。因此，完全非經(jīng)驗(yàn)性地理解化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，至少對(duì)于某種問題來說，在原理上，或許可以說是可能的吧。

　　但是，使用大型計(jì)算機(jī)完成這樣大規(guī)模的計(jì)算決不是一件容易的事，需要花費(fèi)許多的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。將理論計(jì)算引人化學(xué)的領(lǐng)域是個(gè)很好的想法，但如果為此，而必須一一進(jìn)行大型計(jì)算的話，那么，量子化學(xué)的價(jià)值或許就減半了。將化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)特性變成理論特性的努力應(yīng)該朝著這樣的方向發(fā)展，即使實(shí)驗(yàn)工作者也能容易掌握和運(yùn)用量子化學(xué)這一手段。

　　使用特定軌道的圖形方法，正是為了這一目的。軌道圖形所具有的本質(zhì)特征是，即使不進(jìn)行那么精密的計(jì)算，也大多可以給出接近真實(shí)情況的信息。有時(shí)，即使不進(jìn)行像樣的計(jì)算，甚至也可以得到關(guān)于軌道的重要特性的知識(shí)。余40年前的心愿，即欲將具有難以推測(cè)之特性的“化學(xué)”這一學(xué)科對(duì)于經(jīng)驗(yàn)的依賴性，哪怕是減少一些也好的希望，看來借助于普及運(yùn)用軌道圖形這種簡(jiǎn)便的方法而達(dá)到了。

　　霍夫曼(Roald Hoffmann)，美國(guó)化學(xué)家，1937年7月18日生于波蘭。

　　美國(guó)康奈爾大學(xué)教授，主要從事物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究。在固體與表面化學(xué)方面有突出貢獻(xiàn)。1965年他與伍德沃德共同提出了分子軌道對(duì)稱守恒定律(原理)。此原理在解釋和預(yù)示一系列化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)物上具有指導(dǎo)作用，使化學(xué)鍵理論進(jìn)入研究化學(xué)反應(yīng)的新階段。20世紀(jì)70年代，由于對(duì)有機(jī)導(dǎo)體的共同興趣，他曾與R·B·伍德沃德再次合作，直到1979年伍德沃德去世才使合作中斷。霍夫曼曾在瑞典斯德哥爾摩大學(xué)和龍?zhí)丶夹g(shù)大學(xué)講學(xué)，擔(dān)任瑞典科學(xué)研究協(xié)會(huì)講座教授。霍夫曼因提出分子軌道對(duì)稱守恒原理而與日本東京都大學(xué)的福井謙一教授共同獲得了1981年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?；舴蚵苍囵B(yǎng)了華人學(xué)生并與他們合作。他的專著《固體與表面》，就是由他的學(xué)生李靜等譯成中文在中國(guó)出版?；舴蚵淌谠谠摃爸轮袊?guó)讀者中寫到：我非常高興地歡迎你們踏人固體和表面的世界。長(zhǎng)期以來，這個(gè)領(lǐng)域，…與分子相脫節(jié)。在本書中我所盡力去做的是定性地說明如何運(yùn)用前線軌道的概念對(duì)擴(kuò)展材料進(jìn)行分析。這種概念在分子有機(jī)和無機(jī)化學(xué)中已證明是非常有用的。我的目的是向你們提供一種相通的思考方法，因而我們能基于同一觀點(diǎn)研究所有物質(zhì)，從最簡(jiǎn)單的分子到最復(fù)雜的固體。