化学与合成化学课件

1、化学与化学合成刘应亮 教授一、化学与合成化学 120世纪化学干了些什么？221世纪化学何去何从？1、20世纪化学干了些什么？ 20世纪的化学取得了空前辉煌的成就， 未获得社会应有的认同 化学的核心是合成化学 人工合成新物质 从自然界分离新物质表1 新分子和新材料的飞速增长 在这100年中，化学合成和分离了2285万种新物质、新药物、新材料、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要。 指数函数的加速度向前发展，没有哪一个其它科学能像化学那样在过去100年中，创造如此众多的新物质。 “空前的辉煌” “化学家太谦虚”（2001年英国自然杂志评论） “数理化天地生”六门传统科学 1912年，格利雅(V

2、.Grignard)，萨巴迪厄(PSabatier)。发明格利雅试剂(有机镁)；发明油脂的催化加氢合成法。 1913年，维尔纳(A.Werner)。提出配位理论，为合成大量配位化合物奠定了基础。 1918年，哈伯(F.Haber)。1909年发明用锇作催化剂的高压合成氨技术。 1921年，索迪(F.Soddy)。1901年提出同位素假设、放射性位移法则和同位素理论，为合成大量同位素奠定基础。 1930年，费歇尔(H.Fischer)。合成血红素。 1931年，博施(C.Bosch)。发明和改进合成氨和水煤气的高压技术。 1934年，尤里(H.C.Urey)。发现并分离出氢的同位素重氢。 193

3、5年，艾琳约里奥-居里（I.Jo.liotCurie)、约里奥-居里(F.Juliot-Curie)。人工合成放射性元素。 1937年，霍沃思(WNHaworth)。人工合成维生素C。 1938年，库恩(RKuhn)。人工合成多种维生索。 1939年，布特南特(A.Butenandt)，卢齐卡(C.Domagk)。发现并分离提纯多种性激素；聚甲烯和多萜研究。 1946年，萨姆纳(J.B.Sumner)，诺思罗普(JHNorthrop)、斯坦利(W.H.Stanley)。酶的分离提纯。 1947年，罗宾森(R.Robinson)。研究分离提纯生物碱。 1950年，第尔斯（O.P.H.Diels)

4、、阿尔德(K.Alder)。发明双烯合成法。 1951年，麦克米伦(E.M.McMillan)、西博格(G.T. Seborg)。发现和合成超铀元素。 1952年，马丁(A.J.P.Martin)、辛格(R.L.M.Synge)。发明分配色谱法和纸色谱法。 1984年，梅里菲尔穗(R.D.Merrfield)。发明多肽合成法。 1987年，克拉姆(D.J.Cram)、莱恩(J.M.Lehn)、佩德森(C.J.Pedersen)。发现并合成冠醚。 1990年，科里(E.J.Corey)。 创建有机合成理论逆合成分析原理。 1993年，穆里斯(K.D.Mullis)，史密斯(M.Smith)。发明

5、高效复制DNA片段的聚合酶链反应法；发明寡聚核苷酸定点诱变技术。 1996年，柯尔(R.F.Curl)、斯莫利(R.K.Smally)、克鲁托(H.W.Kroto)。发现碳元素的第三种存在形式巴基球(富勒烯)，其中最重要的是C60。 1997年，博耶(P.D.Boyer)、沃克(JE.Walker)，斯科(J.C.Skou)。研究腺三磷醇合成机理。 2000年，黑格(A.J.Heeger)、麦克迪尔米德(A.C.MacDiarmid)、白川英树。合成研究导电性高分子。 20世纪发明了七大技术最重要的是信息技术化学合成技术生物技术通常说20世纪发明了六大技术：包括无线电、半导体、芯片、集成电路、

6、计算机、 通讯和网络等的信息技术：基因重组、克隆和生物芯片等生物技术；核科学和核武器技术；航空航天和导弹技术；激光技术；纳米技术。 但却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子、化肥和农药的化学合成(包括分离)技术。上述六人技术如果缺少一两个，人类照样生存。但如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新农药的技术，世界粮食产量至少要减半，60亿人口中的30亿就会饿死。没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术，人类平均寿命要缩短25年。没有发明合成纤维、合成橡胶、合成塑料的技术，人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子和新材料的化学工业技术，上述六大技术根本无法实现。这些都是无可争辩的事实。

7、从产业规模及对世界经济的影响：信息产业由化学合成（包括分离）技术衍生出来的石油化工、精细化工、高分子化工和药物、农药工业等产业、以及从空中分离出氧气和氮气，从电解水中分离出氢气作为电动汽车的燃料，为解决将来水资源缺少的海水淡化等产业。飞机、航天、人造卫星及导弹产业核电站和核工业（前4个产业都是非常大的产业）生物技术产业（3050年后才可能超过信息产业和化学合成产业）纳米技术产业激光技术产业（后3个现在还是小产业）20世纪和21世纪上半叶理应称为信息和化学合成时代，21世纪下半叶才称为生物技术时代。 化学理论19世纪化学有三大理论成就： 经典原子分子论，包括建筑在定比、倍比和当量定律基础上的道尔

8、顿原子论，以及包括碳4价及开库勒提出的苯分子结构等工作为中心内容的分子结构和原子价理论。 门捷列夫的化学元素周期律。 C.M.古尔德贝格和P.瓦格提出的质量作用定律是宏观化学反应动力学的基础。 道尔顿的原子论和门捷列大的化学元素周期律对于20世纪玻尔建立原子的壳层结构模型具有十分重要的借鉴作用。所以化学和物理学这两个姐妹学科是互相促进的。2、21世纪化学何去何从？ 对于这个问题有两种回答： 第一种回答：化学已有200余年的历史，是一门成熟的老科学，现在发展的前途不大了；21世纪的化学没有什么可搞了，将在物理学与生物学的夹缝中逐渐消微。 第二种回答：20世纪的化学取得了辉煌的成就，21世纪的化学

9、将在与物理学、生命科学、材料科学、信息科学、能源、环境、海洋、空间科学的相互交叉，相互渗透，相互促进中共同大发展。 化学是一门中心科学，化学与生命、材料等八大朝阳科学有非常密切的联系，产生了许多重要的交叉学科，但化学作为中心学科的形象反而被其交叉学科的巨大成就所埋没。 (1) 化学是一门承上启下的中心科学。科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游，化学是中游，生命、材料、环境等朝阳科学是下游。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂。除了用本门科学的方法以外，如果借用上游科学的理论和方法，往往可收事半功倍之效。化学是中心科

10、学，是从上游到下游的必经之地，永远不会像有些人估计的那样将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡。 (2) 化学又是一门社会迫切需要的中心科学，与我们的衣、食、住(建材、家具)、行(汽车、道路)都有非常紧密的联系。我国高分子化学家胡亚东教授最近发表文章指出：高分子化学的发展使我们的生活基本被高分子产品所包围。化学又为前述六大技术提供了必需的物质基础。 (3) 化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。 化学与八大朝阳科学之间产生了许多重要的交叉学科，但化学家非常谦虚，在交叉学科中放弃冠名权。例如“生物化学”被称为“分子生物学”，“生

11、物大分子的结构化学”被称为“结构生物学”，“生物大分子的物理化学”被称为“生物物理学”，“固体化学”被称为“凝聚态物理学”，溶液理论、胶体化学被称为“软物质物理学”，量子化学被称为“原子分子物理学”等。 又如人类基因计划的主要内容之一实际上是基因测序的分析化学和凝胶色层等分离化学，但社会上只知道基因学，看不到化学家在其中有什么作用。再如分子晶体管、分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的，但开创这方面研究的化学家却不提出“化学器件学”这一新名词，而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景，并称之为“分子电子学”。 又如化学家合成了巴基球C60，于1996年被授予诺贝尔化学奖

12、，后来化学家又做了大量研究工作，合成了碳纳米管。但是许多由这一发明所带来的研究被人们当作应用物理学或纳米科学的贡献。 内行人知道分子生物学正是生物化学的发展。在这个交叉领域里化学家与生物学家共同奋斗，把科学推向前进。但在中学生或外行看来，“分子生物学”中“化学”一词消失了，觉得化学的领域越来越小，几乎要在生物学与物理学的夹缝中消亡。 21世纪的生物学也有重大难题和奋斗日标： 后基因组学和人类疾病的消除。 蛋白质组学。 脑科学。 生物如何进化?生命如何起源等。 但化学家又比较谦虚，好像没有人明确提出哪些是化学要解决的世纪难题。这样与物理学和生物学相比，就会显得化学没有什么伟大的目标了。其实化学家

13、心目中是有自己的奋斗目标的，只是不愿多说。但这又造成“化学无理论”的错误印象。这是近年来在世界范围内出现的淡化化学的思潮的主观原因之一。那么化学果真提不出重大难题吗?初步提出21世纪化学有四大难题。 (1) 化学的第一根本规律(第一个世纪难题)：建立精确有效而义普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论。 (2) 化学的第二个世纪难题：分子结构及其和性能的定量关系。 如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料? 如何使宏观材料达到微观化学键的强度?例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个数量级，但还远末达到金属金属键的强度，所以增加金属材料强度的潜力是很大的。又如目前高分子纤维达到的强

14、度要比高分子中的共价键的强度小两个数量级。这就向人们提出如何挑战材料强度极限的大难题。 溶液结构和溶剂效应对于性能的影响。 光合作用的机理活分子催化剂叶绿素如何利用太阳能把很稳定的CO2和H2O分子的化学键打开，合成碳水化合物CH2On，并放出氧气，供人类和其他动物使用。 生物固氮作用的机理。 搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。 人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是2l世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。 了解活体内信息分子的运动

15、规律和生理调控的化学机理。 了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。 如何实现从生物分子到分子生命的飞跃?如何制造活的分子，跨越从化学进化到生物进化的鸿沟。 蛋白质和DNA的理论研究。 (4) 化学的第四个世纪难题：纳米尺度的基本规律。 当尺度在十分之几到10nm的量级，正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界中，有许多新的奇异特性和新的效应，新的规律和重要应用，值得理论化学家去探索研究。下面举例说明纳米效应： 如以银的熔点和银粒子的尺度作图，则当粒子尺度在150nm以上时，熔点不变，为960.3，即通常的熔点。以后熔点随尺度变小而下降，到5nm时为100 。又如金的熔点为1063 ，纳米金的熔化

16、温度却降至330 。 在纳米尺度，热运动的涨落和布朗运动将起重要的作用。因此许多热力学性质，包括相变和“集体现象”如铁磁性、铁电性、超导性和熔点等都与粒子尺度有重要的关系。 纳米粒子的比表面很大，由此引起性质的不同。例如纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从600降至室温。这一现象为新型常温催化剂的研制提供了基础，有非常重要的应用前景。纳米催化剂能否降低反应活化能?这是值得研究的一个理论问题。 当代信息技术的发展，推动了纳米尺度磁性的研究。 电子或声子的特征散射长度，即平均自由程，在纳米量级。当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时，电流或热的传递方式就发生质的改变。 与微粒运动的动量p=mV相对

17、应的deBroglie波长l=h/p，通常也在纳米量级，由此产生许多所谓“量子点”的新现象。所以纳米分子和材料的结构与性能关系的基本规律是21世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一。 化学家缺少品牌意识，没有在社会上树立化学的美好品牌。 化学没有树立品牌，化学与化工被认为是污染源，这也是缺少生源的原因之一。其实，造成环境污染的不仅仅是化学，更重要的是森林破坏，水土流失，沙漠化和沙尘暴，汽车尾气排放，煤燃烧等。而分析、监测、治理环境污染的正是化学家。化学家已提出绿色化学的奋斗目标。化学家不但要认识世界、改造世界，还要保护世界。我国化学基础研究取得了显著进展 (1) Chem & Eng News

18、，Oct 30，2000，p.65“在全球各国(化学)研究与发展(R&D)状况”的报告中评价：“中国是唯一在化学论文源表现出重大增长的国家。 1989年全世界发表化学论文397200篇，中国发表14650篇，占13.7 1999年全世界发表化学论文591100篇，中国发表53200篇，占9.0。相对百分数增加2.43倍，绝对论文数增加3.62倍。成为继美国(23.9)、日本(13.5)之后的第三化学论文大国，超过德国(7.5)、英国(5.1)、俄罗斯(4.4)、法国(4.3)、加拿大(2.7)、意大利(2.7)和印度(2.3)。 (2) 1999年中国科技论文统计结果SCI收录我国论文总数24

19、476篇，其中化学论文8149篇，占33.3，化学是中国发表论文在SCI收录中最多的学科。 (3) 我国已有多年未授予国家自然科学一等奖，评出一个一等奖，授予中国科学院上诲有机化学所的蒋锡夔院士等，表彰他们在理论有机化学方面取得的成就。 化学界有一个奇怪的现象，大学中的化学教授很多是长寿的。例如美国加州大学柏克来分校的Hildebrand教授逝世时101岁，南京大学的戴安邦先生逝世时99岁，北京大学现有83岁以上的资深院士6位，其中张青莲先生95岁，身体非常健康；张滂先生86岁，还骑自行车到系办公。这是因为化学家知道那些化学品有毒，并熟悉如何防护。正如医生接近病人多，但知道如何防护，所以也是长

20、寿的多。因此中学生的家长们可以不必为此顾虑子女报考化学专业。大爆炸宇宙模型 最先在1922年提出宇宙膨胀模型的是苏联数学家佛里德曼18881953)，随后，1929年美国天文学家哈勃(18891953)发现宇宙处在膨胀之中，建立了哈勃定律。1948年，俄裔美国物理学家伽莫夫(19041968)在爱因斯坦1917年提出的根据广义相对论对宇宙所作的考查的基础上，以哈勃定律为根据，提出宇宙起源于热爆炸的学说。这一学说认为宇宙的过去要比现在小得多，最初可能是一个温度非常高、密度非常大的“原始火球(primeval fireball)”，通过大爆炸而迅速膨胀、温度迅速降低，逐渐形成现在的宇宙。这一学说后

21、来得到越来越多的实验和理论支持，经过许多科学家的不断改进，发展成为现在的大爆炸宇宙模型(the Big Bang Model)。大爆炸宇宙模型的实验根据： (1) 哈勃(E.Hubble)定律 1929年哈勃在仔细研究了一批星系的光谱之后发现，绝大多数星系的谱线都表现出红移，而且红移量大致与星系和观察者的距离成正比。如果将红移解释为多普勒效应，那就意味着所有星系都在离开我们而远去，其退行速度正比于同我们的距离。这一关系称为哈勃定律，比例常数称为哈勃常数。如果确认我们在宇宙中并不处于特殊的中心位置，那么哈勃定律对于任何一个星系上的观察者都是成立的。直接的推论就是：宇宙中所有的星系都在彼此远离，而

22、宇宙处于普遍的膨胀之中；如果星系目前仍在彼此远离，那么过去它们必定相互靠得较近。按照哈勃定律可以推出距今约150亿年前，全宇宙的物质应当处于极其高温高密的状态；也在那时发生了“大爆炸”，开始了宇宙的膨胀。 (2) 宇宙背景2.7K黑体辐射 1964年A.A.Penzias和R.W.Wilson意外地发现天空的各个方向都有微波背景辐射，它与3K的黑体辐射一致，且其空间分布是均匀和各向同性的。1974年美国开始开发发现宇宙背景辐射的探测卫星(Cosmic Background Explorer，COBE)，并于1989年进入距地900公里的轨道。COBE证明宇宙背景辐射是2.7260.010K的黑

23、体辐射，能谱的畸形幅度小于3/1万。这证明宇宙的所有背景辐射能量几乎都来自厚始的大爆炸，最多只可能有3/1万的能量来自大爆炸之外的物理过程(如现在观察到的超新星爆炸)。 (3) 化学元素的丰度 地球上人们已发现和合成了114种化学元素从天体的光谱中知道宇宙天体也是由这些化学元素组成的。大量测量表明宇宙元素主要是H和He，分别占73和25。其他所有元素的总丰度约为1.7(重量)。而这一元素丰度可由宇宙大爆炸理论解释，其他理论很难解释。地球因引力太小，大气中的H和He都飞跑了，所以大气、海洋和地壳中元素丰度He为10-7，H为0.15(主要在梅水中)，O为47.2(主要在岩石、土壤、海水和大气中)

24、，Fe为5.1(地心中主要是Fe，这是核聚变反应后得到的最稳定的元素)，Ca为3.6，等等。 (4) 宇宙大爆炸理论也得到爱因斯坦相对论的支持 它一举将恒星演化理论和化学元素起源的学说纳入到一个统一的理论框架。宇宙进化8个层次 第一层次是物理进化。从宇宙大爆炸开始到3万年，是宇宙的婴儿时期。按照宇宙大爆炸理论，大爆炸开始时处于超高温、超高密的超统一场。开始后10-44秒发生超统一相变，超统一场分化为引力场和大统一场，时间和空间也开始分化。到10-36秒发生大统一相变。大统一场分化为强场和电弱场，夸克和电子等轻子也分化出来。到10-12秒，发生电弱相变，弱场和电磁场分化出来。到10-6秒。夸克合成中子和质子。到3分钟，中子和质于合成氦、氘等轻核，到3万年合成原子。以上是物理进化。 第二层次是天体演化从3万年到现在的150亿年。宇宙由原于云凝聚成星云星系和现在夜空中灿烂的星星。这是宇宙的青春时期。 第三层次是地质演变，从46亿年前地球诞生开始到现在。是地球的青年时期。 第四层次是化学进化，从大爆炸后3万年原子形成开始，到34亿年前微观生命开始。这是宇宙的幼童时期。这一层次的化学进化是从原子到生物大分子，从尚无生命的生物大