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电子通讯技术和计算机技术等方面的飞速发展，迫切需要更复杂、更小巧的电子器件。因而在分子水平上生产电子器件，已提到分子设计和分子工程学的议事日程上。目前世界上许多发达国家竞相投资，加紧开发和研制“分子元件”，其中以分子导线和分子开关的研制最令人关注。1991年英国学者Boden N提出用盘状液晶作分子导线。液晶是一类有机化合物，由于它能像液体一样流动，又具有晶体的光学特性，因此而得名。例如三亚苯基环类盘状液晶，见图12－1（a），在六取代三亚苯基环类分子结构中，三个亚苯基外侧均由具有良好绝缘性能的脂肪链所环绕，又由于盘状液晶分子在外电场作用下有着特殊的分子排列，见图12－1（c），因此Boden等人设想，如果将少量具有缺电子空轨道的分子（如AlCl3）掺入到盘状液晶分子中，使其具有共轭体系的三亚苯基环中心出现正电性空穴，见图12－1（b）。再沿三亚苯基环中心轴线方向施加一定的电压，环内电子就可作定向移动。这一设想与无机半导体导电原理是极为相似的。我们知道开关是电子计算机的主要器件之一，而要在分子水平上研制分子电子计算机，分子开关是不可少的。目前，许多科学家把视线主要放在光控、温控和电控等类型的分子开关的研制上。下面介绍一种光控分子开关。N－邻羟亚苄基苯胺具有光致重排性质。如果将多聚乙炔链与N－邻羟亚苄基苯胺相连，不难看出，在图12－2（b）左边，当分子处于基态时，与邻羟亚苄基直接相连的聚乙炔链的共轭体系为单键、双键相间的连续传导系统，即分子开关呈开启状态；而在图12－2（b）右边，开关分子处于光致激发状态，多聚乙炔链的共轭体系发生间断，从而使其传导功能终止，此时分子开关呈关闭状态。
N－邻羟亚苄基苯胺光控分子开关，的确是一种十分精巧的设计。但是，要将这种有机分子开关按指定的部位，引入导电聚合物，还有待于进一步探索。当然，要使分子器件设想转变为现实，还要做许多基础性研究工作。不过，我们相信随着科学技术的发展，人们对客观事物的深入了解和掌握，分子器件甚至分子电子计算机的问世，都将不会是遥远的科学幻想。探索生命的奥秘 当代化学研究与生命科学的关系越来越密切。历史上化学家从分子水平研究了重要生命物质（如蛋白质和核酸）的结构。如今化学家又在更深的层次上（即分子与分子集合体水平上）了解和认识更为复杂的生命现象。随着今后人们对生命现象本质认识的提高和深化，一定会将化学带入一个崭新的天地，从而给人类社会的进步以深刻影响。化学是在分子水平上研究物质运动的科学。生命运动的基础是生物体内物质分子的化学运动。因而，揭示生命运动的规律必定以认识生物体内的物质分子及其运动为前提。再者，生物体内的化学反应有温和、定向、高选择性、高产率的特点。因此，从化学的角度来研究生命过程，大致可以从以下两方面出发：用纯化学手段在分子水平上了解生命现象的本质；借助于有机合成和分子集约化手段创造出不同程度上再现生命现象的纯化学体系。化学家参与生命科学研究的主要武器在理论上是分子的微观结构概念和键力与非键力相互作用，化学反应动力学与机理等；在实验上是成分分离与分子结构分析、合成与模拟、反应速率与过程的测定等。目前，化学对于生物物质的研究对象已由常量、稳定的物质发展到微量、不稳定的物质；由单一分子发展到分子集合体；由静态研究发展到动态研究，对生命化学过程的研究已深入到飞秒级（1×10-15s）的快速过程。下面就以当前开展比较活跃的一些领域为例作些介绍。蛋白质、核酸和糖类是生物体的三大基本要素。蛋白质掌管生物体内各种生物功能，例如酶是一类具有催化作用的蛋白质，生物体内的所有反应几乎都是由酶催化完成的；而核酸中储存着生命体的全部遗传信息，它是构造一切生物有机体的总设计师；糖不仅为生物有机体提供建筑材料和能量来源，而且还是高密度的信息载体，具有重要的细胞识别能力。研究这些生命物质的结构与功能的关系，将帮助人们从分子水平上了解生命现象的化学本质。核酸分成脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），它的功能主要是贮存、传递和表达生物体的遗传性状。这些功能是与其结构紧密相关的，一定的结构决定了一定的功能。科学家可以利用离体的DNA重组技术，实现转基因动植物的产生与培育，进行基因治疗，促进有用蛋白质的生产，以及创造出能合成有重大经济价值的细菌等。这就是通常说的基因工程或遗传工程。蛋白质可以被视为一种分子机器，它可以精巧地完成生命特定的功能，例如血红蛋白的输氧功能，酶的专一性催化作用等。对于蛋白质分子机器运作机制的了解，主要依赖于蛋白质中原子结构细节的知识。下面在血红蛋白三维结构的基础上谈谈它们是怎样执行储运氧分子的。血红蛋白分子活性部位是血红素的含铁辅基，铁（Ⅱ）原子坐在辅基中央，它可以与其他六个配位原子相结合，其中四个配位N原子在血红素平面上，如下图所示：
第五配位和第六配位则处于平面的上方和下方。在血红蛋白中第五配位是一个组氨酸（His F8）的N原子，第六配位是O2等分子，在其附近还有另一个组氨酸（His E7），它能影响进入第六配位的分子，如图12－4所示。以下讨论第六配位的情况。
O2和CO分子都能在血红素的第六配位上与Fe（Ⅱ）结合。由于它们的电子结构不同，在一个孤立的血红素中，Fe（Ⅱ）与O=O分子之间形成角度为121°的弯曲型，见图12－5（a），而C=O分子与Fe（Ⅱ）之间形成直线构型，见图12－5（b）。这样相
比CO与Fe（Ⅱ）的结合力要比O2分子大25000倍。但从血红蛋白结构上看，Fe（Ⅱ）第六配位附近有E7组氨酸的影响，使CO偏离直线构型，也呈结合力弱得多的弯曲型，见图12－6（a），在血红蛋白中，Fe（Ⅱ）和O2的结合则与在孤立血红素中相似，见图12－6（b）。因而CO与Fe（Ⅱ）的结合力只比O2大200倍，换言之，CO的结合优势降到了原来的1%以下，不难想象这一点对人类是多么重要。因为CO与血红素中的Fe（Ⅱ）结合，会使血红蛋白失去了携带氧的能力。煤气中毒就是由于煤燃烧不完全而产生CO被人体吸收后形成一氧化碳血红蛋白的结果。只要空气中的CO体积含量达到10-3左右，即可使血液中半数的血红蛋白成为一氧化碳血红蛋白，从而造成缺氧状态，甚至死亡。如果血红蛋白结构上没有E7组氨酸，则CO与血红蛋白的结合能力将非常强，那么人们将只能生活在极其纯净的空气中了，而这是不现实的。
血红蛋白具有输送氧气的功能，从肺气泡中取氧气，然后输送给肌红蛋白分子和其他需要氧气的细胞和部位。肌红蛋白有贮存氧气的功能。血红蛋白和肌红蛋白都可吸收和释放氧气，只是血红蛋白在氧气压力稍高或稍低时，即可吸收或释放氧气，而肌红蛋白一般是吸收氧气的，只有在氧气压力很低、肌肉十分需要氧气时，才会释放氧气。多年来化学一直向往着分子工程学这样的目标。进入分子水平的生物学为我们提供了所需蛋白分子的蓝图和模板。随着DNA重组技术的发展，基因工程发展到蛋白质工程，它与一般基因工程所不同的是往往要对天然基因进行改造，从而制造出与天然蛋白质不同的、更符合人们特定需要的非天然蛋白质。蛋白质工程的发展主要是由于天然蛋白质往往不能满足人们特定的需要，如工业上用的酶需要能抗酸、碱及耐高温等，而医用蛋白质则希望能降低毒性、提高活性及延长使用时间等。因而必须通过人为的方式对天然蛋白质进行改造，甚至从头设计出一种自然界不存在的全新蛋白质，然后可以通过基因工程方法制造出来，也可以通过多肽合成的方法化学合成出来。酶是一类具有高度选择性的催化作用的蛋白质，它能在众多的养分中识别出正确的反应物，并且把它造成需要的结构形式。酶的这种本领早就吸引了化学家的研究视线：提纯天然酶、测定它的结构、应用化学合成技术合成、研究酶的催化机理、对酶功能模拟、设计合成新的人工酶并将它们应用于化学反应中，这是化学家极感兴趣的领域。虽然迄今为止所取得的进展还是初步的，但所需要的科学积累和实验技术都已基本解决，可以预计今后一定会取得很好的成果。长期以来，人们把糖只作为生物的能量来源和结构物质，而没有认识到糖在细胞识别中的重要作用，因而还没有达到像对待核酸（遗传物质）和蛋白质（功能分子）一样的重视程度。直到20年前，由于对细胞在分子水平上研究的深入，生物化学家和化学家才对长期被忽视的糖蛋白和糖脂发生了兴趣。人们已经发现细胞的很多作用，如细胞表面的相互作用、分泌和摄取、变异和转化，细胞调节及识别等都直接依赖于糖复合物（糖蛋白和糖脂）。糖分子的结构研究是糖化学研究中的重要方面，由于糖分子结构复杂性及理化性质的特殊性，目前对糖分子的结构信息人们还了解得很少。高分辨核磁技术与量子化学、分子力学等方法相结合，可以综合应用于糖分子的构象研究。另外，要寻找新的化学合成方法和生物技术，开展糖合成方法的研究，相信在化学家们的努力下，糖的结构测定和合成方法将会有新的创造和突破。目前，我国已在十大基础科学研究攀登计划首批项目中，集中化学界有志于生命科学研究的优势力量，加强学科之间的交叉，开展糖化学、蛋白质的全新设计和合成以及生物催化等生命过程中重要化学问题的研究。这将加深对生物大分子结构、结构与功能关系以及它们在生物体中作用机制的认识
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