展望21世纪的化学

展望展望 2121 世纪的化学世纪的化学 一一 第一篇 回顾与动向 前言 第一章 20 世纪化学的回顾 一 基础研究的重大突破 1 放射性和铀裂变的重大发现 2 化学键和现代量子化学理论 3 创造新分子新结构 合成化学 4 高分子科学和材料 5 化学动力学与分子反应动态学 二 在化学基础研究推动下化学工业的大发展 1 石油化工 2 三大合成材料 3 合成氨工业 4 医药工业 第二章 从 20 世纪末化学基础学科的动向看未来发展趋势 一 无机化学 1 现代无机合成 2 配位化学 3 原子簇化学 4 超导材料 5 无机晶体材料 6 稀土化学 7 生物无机化学 8 无机金属与药物 9 核化学和放射化学 二 有机化学 1 有机合成化学 1 天然复杂有机分子的全合成 2 不对称合成 2 金属有机化学和有机催化 1 金属有机化合物的合成 结构和性能研究 2 金属有机导向的有机反应 3 天然有机化学 1 天然产物的快速分离和结构分析鉴定 2 传统中草药的现代化研究 3 天然产物的衍生物和组合化学 4 生物技术 4 物理有机化学 1 分子结构测定 2 反应机理 3 分子问的弱相互作用 5 生物有机化学 三 物理化学 1 结构化学 2 化学热力学 3 化学动力学 4 催化 1 多相催化 2 均相催化 3 光催化 4 电催化 5 酶催化和仿酶催化 5 量子化学 四 高分子化学 1 高分子合成 2 高分子高级结构和尺度与性能的关系 3 高分子物理 4 高分子成型 5 功能高分子 6 通用高分子材料及合成高分子的原料 五 分析化学 1 光谱分析 2 电化学分析 3 色谱分析 4 质谱分析 MS 1 质谱联用 2 串联质谱 3 傅立叶变换质谱 FT MS 4 整分子气化和多光子电离技术 LEIM MUPl 5 核磁共振 NMR 1 提高磁体的磁场强度 2 发展三维核磁共振技术 3D NMR 3 固体 NMR 和 NMR 成像技术 6 表面分析 7 放射化分析 8 单分子 原子 检测体系和仪器的研制 六 化学工程 1 化工过程的多尺度效应 2 化学反应 催化 反应器 3 非传统反应工程 1 超临界反应工程 2 反应 分离过程集成 3 人为非定态反应工程 4 生化反应工程 第三章 交叉学科和热点研究领域 一 生命科学 1 生命的基础物质研究 2 遗传物质的作用 3 人类基因组计划 4 酶结构和催化功能的关系研究 5 脑科学 6 模拟生命过程和生命体系的合成 二 材料科学 1 新型导电材料 1 半导体材料 2 超导材料 3 有机导体 4 有机磁性材料 2 新型光学材料 1 非线性光学材料 2 液晶和有机电致发 3 光开关材料 3 新型陶瓷材料 1 工程陶瓷 2 电气陶瓷 3 超硬陶瓷材料 4 热敏元件陶瓷 4 复合材料 1 聚合物基复合材料 2 陶瓷基复合材料 3 金属基复合材料 5 生物医学材料 6 新型合金材料 1 轻质合金 2 贮氢合金 3 超耐热合金 4 形状记忆合金 7 高分子材料 三 环境化学 1 什么是环境化学 2 环境化学的研究方向 1 环境分析化学 2 大气环境化学 3 水环境化学 4 土壤环境化学 5 元素化学循环 6 控制污染的化学 7 环境计算化学 四 绿色化学 1 什么是绿色化学 2 绿色化学的发展方向 1 新的化学反应过程研究 2 传统化学过程的绿色化学改造 3 能源中的绿色化学问题和洁净煤化学技术 4 资源再生和循环使用技术研究 5 综合利用的绿色生化工程 五 能源化学 1 氢能 2 燃料电池 3 生物质能源 4 太阳能电池 5 海水盐差发电 六 计算化学 1 什么是计算化学 2 计算化学的发展方向 1 研究分子结构和性能的关系 2 研究化学反应是如何发生的 3 预测化学反应的产物及新化合物具有什么样的化学性质 4 生物大分子的空间结构 取向和形态研究 5 研究分子 分子体系的排列和相互作用 6 计算机对化学过程的模拟 七 纳米化学 1 纳米化学合成 1 纳米插层聚合 2 相分离嵌段聚合物 3 杂化材料 4 组装合成纳米相 2 纳米检测技术 3 纳米材料的异常行为及其用途 4 纳米化学研究动向与课题 八 手性药物和手性技术 1 什么是手性药物 2 手性药物分类 3 如何制造手性药物 1 手性合成 2 手性拆分 第四章 化学工业与国民经济的关系 一 农业 1 肥料 2 农药 3 植物激素及生长调节剂 4 光合作用和固氮 1 光合作用 2 固氮 5 优良品种和基因工程 二 能源 1 煤的高效和清洁化燃烧 2 天然气的开发和利用 3 石油的开采 精炼和燃烧 4 核能利用 三 石油化工 天然气化工和煤化工 1 石油化工 2 天然气化工 3 煤化工 1 煤的拔头上艺生产液体燃料 2 煤制合成气 CO H2 四 健康与医药 1 基因药物 2 酶抑制剂的研究和开发 3 受体拮抗剂或阻断剂 4 手性药物 5 常见病和多发病治疗药物的研制 6 中医药现代化 五 新功能材料 1 微电子材料和器件 2 超导材料 3 新型纳米陶瓷 4 光纤通讯材料 5 聚合物结构材料 6 医用材料 六 日用化学品和精细化工 第二篇 展望 一 20 世纪化学的回顾与未来化学学科发展的趋势 1 科技发展的基本考虑 2 20 世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心科学的作用 1 为人类进步提供物质基础 2 在相关学科的发展中起了牵头作用 3 对 20 世纪末化学现状和地位的不同估计 二 未来化学的作用和地位 1 化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一 2 化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用 3 化学继续推动材料科学发展 4 化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障 三 21 世纪化学科学发展的总趋势 1 微观与宏观相结合 2 静态与动态 过程 相结合 3 由复杂到简单 再由简单到复杂 四 未来化学研究模式 1 从实际问题中抽出化学基本问题来研究 2 吸收其他学科的新理论和新结果 孕育化学生长点 3 与其他学科融合 开拓化学新领域 4 把握动向和时机 提出新的思路和新的研究方向 5 重视化学学科自身发展与整体科学技术的发展相结合 五 其他学科中的基本化学问题 1 生命科学中的基本化学问题 1 生物大分子之间 生物大分子与小分子之间的各种相互作用 2 生物功能分子的结构与功能关系的研究 3 生命过程复杂性的研究 2 材料科学中的基本化学问题 1 分子结构 分子聚集体高级结构 材料结构 理化性质 功能之间的关系 2 合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法的研究 3 分子器件的研究 4 模拟生物材料形成过程的基础研究 3 可持续性发展的基本化学问题 绿色化学和环境化学 六 21 世纪化学学科的发展方向 1 寻求结构多样性的研究与功能研究结合 1 寻求结构复杂性和多样性的目标结构包含高级结构 2 组合化学研究 3 发现和寻找新合成方法 4 结构化学与合成化学结合 2 复杂化学体系的研究 1 复杂系统中的多层次结构研究 2 尺度效应和多尺度问题 3 复杂系统过程问题 3 化学信息学和高效计算机信息处理 1 功能分子信息处理 2 与生物衔接的化学信息学 3 与化学反应和化学过程衔接的化学信息学 4 新实验方法的建立和方法学研究 5 跟踪 分析 模拟化学反应过程 编者附话 第三篇 发言汇编 21 世纪的高分子化学 王佛松 何天白 化学研究的空白区和未来发展的前沿 王夔 微系统与化学 田中群 化学的新问题 仿生自组装和开发植物能源 朱清时 阎立峰 21 世纪的核化学与放射化学展望 刘元方 充满希望的新世纪对 21 世纪化学学科发展一些看法 吴毓林 化工过程中的多尺度效应 李静海 生命科学进展中的化学机遇 张礼和 化学计量学与 21 世纪的化学 俞汝勤 梁逸曾 展望 21 世纪的分析科学 黄本立 后记 前言 现在很多人在预测 21 世纪学科发展前景 推测 21 世纪的化学会在哪些方面有 历史性突破 什么是未来化学的新生长点 它会发展成什么样的 学科 它在整个 科学体系中占有什么地位 从另一方面看 21 世纪中化学会遇到来自哪一方面 的挑战 会遇到什么难题 会陷入什么困境 绝大多数化学工作者都 会思考这些 问题 但是实际上谁也说不清这些问题 如果我们一个一个地来考察科学技术 领域中的重要发现和创造 似乎都发生在偶然的机会之中 而且 好像计划 制 订得越明确 预期目标越清楚 实验方案越合理 可行 就越不大可能有重大 突破 那么 是否科学研究中的创新既不可能预见 也不可能有计划地达到呢 走不 是人们只能随着科学发展的潮流 等待机遇呢 实际上 我们只要温故以 知新 还是可以看出发展的动向来的 在 19 世纪末到 20 世纪初 有几个重要动 向决定了 20 世纪的化学发展方向 周期律 原予结构 放射性 人工放射性元素 量子论以至量子化学等等形成 了贯穿 100 年的向物质的微观本质深入的一条主 线 另外 从热力学到动力学 从平衡态到非平衡态 这是化学宏观研究的另一条主线 l 从制备到合成 从无 机化合物到有机化合物 从小分子到高分子 从简单分 子到复杂分子 这条合 成化学发展途径也是从 19 世纪末发展到 20 世纪中去的 这说明 可以从分析 目前发展动向去看未来若干年的发展方向 在这一部分中我们 将给读者展示化 学各个领域过去的历史和目前的动向 希望读者能够从中找到未来化学发展的 方向 学科的划分 融合和重组 恐怕是不能停止的 而且越来变化越快 化学 诞生之后渐渐形成无机化学 有机化学 分析化学和物理化学等少数几个分支 学科 如此发 展了上百年 但是 一方面随着研究的细化 它们又分化成新的 学科 另一方面又因为实际问题大多数是综合的 不能早靠一个分支学科所能 解决 因此又不断交 叉 融合 产生另外一些新学科 在这一部分 先讨论各 个传统分支学科的动向 然后再讨论交叉学科的动向 这一部分是根据 1999 年在香港由香港理工大学主办 有两岸三地主要化学 家参加的 21 世纪化学前景讨论会 上的发言 集思广益编写而成的 初稿又 经过许多化学家提出意见 作了许多修改和补充 得奖年份 获奖者 国籍 获奖时年龄 岁 获奖成就 1999 A H Zewail 美国 53 飞秒激光技术研究超快化学反应过程和过渡态 1998 W KohnJ A Pople 美国英国 7573 发展了电子密度泛函理论发展了量子化 学计算方法 1997 J SkouP BoyerJ Walker 丹麦美国英国 797956 发现为此细胞中钠钾浓度 平衡的酶 并阐明起作用机理发现了能量分子三磷酸腺苷的形成过程 1996 R F CurlR E SmalleyH W Kroto 美国美国英国 585357 发现 C60 1995 M MolinaS RowlandP Crutzen 墨西哥美国荷兰 526862 研究大气环境化 学 特别在臭氧的形成和分解研究方面做出的贡献 1994 G A Olah 美国 67 碳正离子化学的研究 1993 M SmithK B Mullis 加拿大美国 6148 寡聚核苷酸定点诱变法对基因的贡 献多聚酶链式反应技术对基因的贡献 1992 R A Marcus 美国 69 电子转移反应理论 1991 R R Ernst 瑞士 58 高分辨核磁共振谱法的发展 1990 E J Corey 美国 62 有机合成的逆合成分析法 1989 T CechS Altman 美国美国 4150 Ribozyme 核糖核酸酶 的发现 1988 J DeisenhogerH MichelR Huber 德国德国德国 454051 测定了细菌光合 反应中心膜蛋白 色素复合体的三维结构 为光化学反应做出的贡献 1987 C J PedersenD J CramJ M Lehn 美国美国法国 836848 开创主 客体化学 超分子化学 冠醚化学等新领域 1986 李远哲 D R HerschbachJ Polanyi 美籍华人美国加拿大 505455 发展了 交叉分子束技术 红外线化学发光方法 对微观反应动力学研究做出的贡献 1985 H A HauptmanJ Kale 美国美国 6867 发明了 X 射线衍射确定晶体结构的 直接计算方法 对分子晶体结构测定方法做出的贡献 1984 R B Merrifield 美国 63 发明了固相多肽合成法 1983 H Taube 加拿大 68 在金属配位化合物电子转移反应机理研究中做出的贡 献 1982 A Klug 英国 56 创造了 象重组 技术 揭示病毒结构 1981 Kenich FukuiR Hoffmann 日本美国 6344 提出前线轨道理论提出分子轨 道对称守恒原理 1980 P BergF SangerW Gilbert 美国英国美国 546248 DNA 分裂和重组研究 确定 DNA 内核苷酸排列顺序的方法 开创了现代基因工程学 1979 H C BrownG Wittig 美国德国 6782 在有机合成中发展了有机硼 有机磷 试剂和反应 1978 P Mitchell 英国 58 用化学渗透理论研究生物能的转换 1977 I Prigogine 比利时 60 研究非平衡的不可逆过程热力学 提出了耗散结 构理论 1976 W N Lipscomb Jr 美国 57 有机硼化合物的结构研究 发展分子结构学说 和有机硼化学 1975 J W CornforthV Prelog 英国瑞士 5869 酶催化反应的立体化学研究 有机分子和反应的立体化学研究 1974 P J Flory 美国 64 高分子物理化学理论和实验力面的基础研究 1973 G WilkinsonE O Fischer 英国德国 5245 研究二茂铁结构 发展了金 属有机化学和配合物化学 1972 C B AnfinsenS MooreW H Stein 美国美国美国 565961 研究核糖核 酸酶分子结构和催化反应活性中心 1971 G Herzberg 加拿大 67 分子光谱学和自由基电子结构的研究 1970 L F Leloir 阿根廷 64 在糖生物合成中发现了糖核苷酸的作用 1969 D H R BartonO Hassel 英国挪威 5172 发展分子空间构象概念分析 及其在化学中的应用 1968 L Onsager 美国 65 不可逆过程热力学研究 1967 M EigenR G W NorrishG Porter 德国英国英国 407047 用弛豫法 闪光光解法研究快速化学反应 1966 R S Mulliken 美国 70 创立了分子轨道理论 阐明了分子共价键本质 和电子结构 1965 R B Woodward 美国 48 在天然有机化合物的合成方面作出重大贡献 1964 D C Hodgkin 英国 54 重要生物大分子的结构测定 1963 K ZieglerG Natta 德国意大利 7060 发明了 Ziegler Natta 催化剂 首次合成了定向有规高聚物 1962 M F PerutzJ C Kendrew 英国英国 4845 研究蛋白质结构的杰出贡献 1961 M Calvin 美国 50 研究植物中 CO2 进行的光合作用 1960 W F Libby 美国 52 发明了 14C 测定地质年代的方法 1959 J Heyrovsky 捷克 69 发明极谱分析法 1958 F Sanger 英国 40 对蛋白质结构特别是胰岛素结构的测定 1957 A Todd 英国 50 对核苷酸和核苷酸辅酶的研究 1956 C N HinchelwoodN Sernenov 英国前苏联 5960 对化学反应机理和链 式反应的研究 1955 V du Vigneand 美国 54 对生物化学上重要含硫化合物的研究 第一次 合成多肽激素 1954 L Pauling 美国 53 对化学键本质的研究并用于阐明复杂物质的结构 1953 H Staudinger 德国 72 高分子化学方面的杰出贡献 1952 A J P Martin R L M Synge 英国英国 4238 发明分配色层分析 法 1951 E M Mcmillan G Seaborg 美国美国 44 39 发现超铀元素 1950 O DielsK Alder 德国德国 7448 发现了双烯合成反应 即 Diels Alder 反应 1949 W F Giaugue 美国 54 对化学热力学特别是超低温下物质性质的研究 1948 A W K Tiselius 瑞典 46 对电泳和吸附分析的研究 发现了血清蛋白 1947 R Robinson 英国 61 对生物活性的植物成分研究 特别是生物硷研究 1946 J B SumnerJ H NorthropW M Stanley 美国美国美国 555942 发现 酵的类结晶法分离得到纯的酶和病毒蛋白 1945 A J Virtarnen 荷兰 50 发明了饲料贮存保鲜方法 对农业化学和营养 化学作出贡献 1944 O Hahn 德国 65 发现重核裂变 1943 G Heresy 匈牙利 57 利用同位素示踪研究化学反应 1942 无 1941 无 1940 无 1939 A F J ButenandtL Ruzicka 德国瑞土 3652 性激素研究聚亚甲基多 碳原子大环和多萜烯研究 1938 R Kuhn 德国 38 维生素和类胡萝卜素研究 1937 W N HaworthP Karrer 英国瑞士 5448 发现了糖类环状结构和合成 Vc 胡萝卜素 核黄素及维生素 A 和 B2 的研究 1936 P Debye 荷兰 52 提出了极性分子理论 确定了分子偶极矩的测定方法 1935 F Joliot CurieI Joliot Cude 法国法国 3538 合成了新的人工放射性 元素 1934 H C Urey 美国 41 发现重水和重氢同位素 1933 无 1932 J Langmuir 美国 51 表面化学研究 1931 C Bosch F Bergius 德国德国 5747 发明和发展了化学高压法 1930 H Fischer 德国 49 血红素和叶绿素的结构研究 合成了高铁血红素 1929 A HardenH von Euler Chdvin 英国法国 6456 糖的发酵和酶在发酵中作 用的研究 1928 A Windaus 法国 52 甾醇的结构测定和维生素 D3 合成 1927 H Wiehnd 德国 50 发现胆酸及其化学结构 1926 T Svedberg 瑞士 42 发明超迷离心机并用于高分散胶体物质研究 1925 R Zsigmondy 德国 60 对胶体化学研究的卓越贡献 1924 无 1923 F Pregl 奥地利 54 确定有机化学微量分析方法 1922 F W Aston 英国 45 发明了质谱仪 发现了许多非放射性同位素及原子 量的整数规则 1921 F Soddv 英国 44 对放射性化学物质的研究及对同位素起源和性质的研 究 1920 W Nernst 德国 56 热化学研究 1919 无 1918 F Haber 德国 50 氨的合成 1917 无 1916 无 1915 R Willstatter 德国 43 对叶绿素和植物色素的研究 1914 Th Richards 美国 46 精密测定了许多元素的原子量 1913 A Wether 瑞士 47 金属络合物的配位理论 1912 V GrignardP Sabatier 法国法国 4158 格林尼亚试剂的发明有机化合 物的催化加氢 1911 M Curie 波兰 44 发现放射性元素钋和镭 1910 O Wallach 德国 63 对脂环族化合物的开创性研究 1909 W Ostwald 德国 56 催化研究 电化学和化学反应动力学的研究 1908 E Rutherford 英国 37 元家嬗变和放射性物质的化学研究 1907 E Buchner 德国 47 发酵的生物化学研究 1906 H Moissan 法国 54 制备单质氟 发展了一种高温反射电炉 1905 A von Baever 德国 70 对有机染料和氢化芳香化合物的研究 1904 W Ramsay 英国 52 在大气中发现惰性气体 并确定它们在元素周期表中 的位置 1903 S Arrhenius 瑞典 44 电离理沦 1902 E Fisher 德国 50 糖类和嘌呤化合物的合成 1901 J H van t Hoff 荷兰 49 溶剂中化学动力学定律和渗透压定律 从 上述诺贝尔化学奖得者的年龄来看 最老的是 1987 年 C J Pedersen 为 83 岁 最少的是 1935 年 F Joliot Curie 为 35 岁 91 届诺贝尔化学奖获得者的 平均年龄为 55 5 岁 当然这是获奖时的年龄 而他们的重大发现可能在 10 年 或 20 年以前 其间要经过长期的考验和评价 但从平均 年龄 55 5 岁来看 确 是 冰冻三尺非一日之寒 二 在化学基础研究推动下化学工业的大发展 化学工业在 20 世纪初崛起 从煤焦油衍生的染料 炸药 酚醛树脂 药物 等一系列化学工业以及合成氨 酸 碱等基本化学工业为解决衣食住行问题起 了重大作 用 在后半个世纪化学工业趋于科学化 一方面由于化学基础研究的 一些重大突破 推动了化学工业的大发展 使与化学相关的工农业务领域均相 应地得到很大的进 展 一方面它们又通过不断提出问题和要求 推动了化学基 础研究 下面将分别列举国民经济中一些重要的化学工业的发展 1 石油化工 这是世界经济发展中占重要地位的工业领域 世界化工总产值为 1 万亿美 元左右 其中 80 以上的产品均与石油化工有关 世界石油探明储量为 1 4 万 亿吨左右 石油炼制和加工已成为国民经济的支柱产业 石油化工从炼油开始 到分子量较小的每一种碳氢化合物 如乙稀 丙烯等 的生产均离不开催化 催化剂已成为石油化工的核心技寐 本世纪 30 年代催化 剂进入于石油化工的大门 原油裂化成石油费晶的催化裂解 使石油的各种馏 分成为各种不同用途的化工产品 如表 2 所示 第二章 从 20 世纪末化学基础学科的动向看未来发展趋势 力的发展 为了较为详细的分析目前学科动向以便展望今后化学发展趋势 下面将按 二级学科 无机化学 有机化学 物理化学 高分子化学 分析化学和化工科 学等六个方面 来叙述 事实上这些学科间的界限越来越模糊 解决实际问题必 须学科综合 今后学科重组势在必然 创新和突破可能在那些新的领域中有更 多的机会 一 无机化学 人们周围发生的和利用的化学过程许多是无机化学过程 人们周围的物质 和所创造的物质也有很多是无机物 无机化学是研究无机物的组成 结构 性质和无机化学反应与过程的化学 无机物种类繁多 包括在元素周期表上除碳以外的所有元素以及由这些元素生 成的各种不 同类型的无机物 因此无机化学的研究范围极其广阔 21 世纪无 机化学研究的立足点在哪里 可以从以下几个动向来探讨 1 现代无机合成 无机化合物涵盖周期表上碳以外各元素构成的物质 所以种类甚多 而且 各种无机物的合成方法差别较大 无机合成化学中未经开拓的领域很多 新型 无机物合成有 很宽广的前途 发现一种新的合成方法或一种新型结构 将就有 一系列新的无机化合物出现 如夹心式化合物 笼状 簇状 穴状化合物等 而且很多无机化合物都 具有特殊的功能 如激光发射 发光 高密度信息存储 永磁性 超导性 能源 传感等 均有广泛的应用前景 现代无机合成化学首先要创造新型结构 寻求分子多样性 同时应注意发 展新合成反应 新合成路线和方法 新制备技术及对与此相关的反应机理的研 究 注意复杂 和特殊结构无机物的高难度合成 如团簇 层状化合物及其特定 的多型体 po1ytypes 各类层间的嵌插 intercalation 结构及多维结 构的无 机物 研究特殊聚集态的合成 如超微粒 纳米态 微乳与胶束 无机膜 非 晶态 玻璃态 陶瓷 单晶 晶须 微孔晶体等 在极端条件下 如超高压 超 高温 超高真空 超低温 强磁场 电场 激光 等离子体等 可能得到多 种多样的在一般条件下无法得到的新化合物 新物相和新物态 如在高真空 无重力的宇 宙空间条件下的无机合成 可能会合成出没有位错的高纯度晶体 总之现代无机合成在 21 世纪会有所突破 2 配位化学 A Werner 创立的配位学说是化学历史中的重要里程碑 他打破了以前的 共价理论和价饱和观念的局限 建立分子间新型相互作用 展现出在这之前想 不到的 新领域 在 Werner 之后 有人研究配合物形成和它们参与的反应 有 人则研究配位结合和配合物结构的本质 很快配位化学就成为无机化学研究中 一个主要方 向 成为无机化学与物理化学 有机化学 生物化学 固体物理和 环境科学相互渗透 交叉的新兴学科 配合物的类型迅速增加 从最初简单配合物和螯合物发展到多核配合物 聚合配合物 大环配合物 从单一配体配合物发展到混合配体配合物 从研究 配合物分子到 研究由多个配合物分子构筑成的配合物聚集体 在 20 世纪中叶 Irving Williams Perrin 创立了溶液配位化学 而 Sillen 和 Stumm 又由溶 液配位化学研究导致后来的水化学 环境配位化学 直到 Perrin Williams 建 立多金属多配体计算机模型 另外 对配位结构的微 观研究产生了配位场理论 丰富了量子化学理论 扩大了结构化学领域 配位化学从 60 年代起就与生命科学结合 成为生物无机化学产生的基础 陆续发现配合物的良好催化作用在有机合成 高分子合成中发挥了极大作用 配位化学的另一个具有发展前景的领域是对具有特殊功能 如光 电 磁 超导 信息存储等 配合物的研究 3 原子簇化学 金 属原子簇化合物的发现开拓了又一个新领域 其后逐渐形成了一门新兴的化 学分支学科 金属原子簇化学 20 世纪 70 年代后由于化学模拟生物固氮 金属原子 簇化合物的催化功能 生物金属原子簇 超导及新型材料等方面的研 究需要 促使金属原子簇化学快速发展 建立了一些合成方法 并且用结构化 学和谱学等实验手 段了解了一些金属簇合物结构与性能的关联 在此基础上探 求成簇机理 从理论上研究其成键能力和结构规律 目前已有多种学说 如 Lipscomb 的硼烷三中 心键模型 Sidgwick 等的有效原子数 EAN 规则 Wade 的多面体骨架成键电子对理论 Cotton 的金属 金属多重键理论 Lauher 的金 属原子簇的簇价轨道 CVMO 理论 Mingos 的多面体簇骼电子对理论 张文卿的 金属原子簇拓扑电子计算理论 唐敖庆的成键与非键轨道数的 9n L 规则 卢嘉锡的类立方烷结构规则 徐光宪的 n cp 结构和成键规则及张乾二的多面 体分子轨道理论等 从不同角度论述了金属原子簇的内在结构规律 但这 些规 律均存在一定的局限性 尚没有一个较为完善的理论来概括和解释金属原子簇 化合物的实验结果 在这一领域内 仅 1976 年 W N Lipscomb 因其 有机硼化 合物结构研究而获诺贝尔化学奖 挑战和机遇并存 有待化学家们继续去努力 和解决 4 超导材料 众所周知 超导现象是 1911 年 H K Onnes 发现的 当汞冷却到 4 K 时 其电阻突然消失 这种超导现象提供了十分诱惑的工业前景 但 4K 的低温让人 们失去了应用的信心 直到 1986 年 IBM 公司瑞士苏黎世研究实验室的 J G Bednorz 和 K A Mueller 报道了一种铜 氧 钡和镧组成的陶瓷材料 具有超导性能 转变温度为 30 K 这是一种完全与过去已知超导体不同的新型 材料 才激起了当时世界的超导热 世界各国不少科学家相继投入到研制超导 材料的热潮中 而后美国休斯顿大学的 朱经武等很快研制成功一种含钇和钡的 铜氧化物 YBa2Cu307 其转变温度在 90 K 进入了液氮温度区 氮在 77K 变为液 体 所以可用液氮作为致冷剂使材料呈现超导性能 1988 年又研制出了转变 温度为 125 K 的新型超导材料 T12Ca2Ba2Cu3010 至今又是 10 多年过去了 与 室温超导材料的前景尚有很大距离 21 世纪能否在室温超导材料上有重大突 破 这是对化学家和物理学家提出的挑战 关键在于这些混合氧化物的超导机理至今尚未被科学家们认识和理解 混 合氧化物的超导性一直是物理学家研究的课题 其现在所得到的一些认识和规 律没有充分注 意到化学结构基础 因而人们不能解释混合氧化物超导体为什么 离不开 Cu Ba Y 和 Bi 这些元素 不能解释它们的组成为什么和超导性有关 也不能解释电子 在这类材料结构中的运动和超导性的关系 简单地说 20 世纪 是以室温超导的物理学研究为主 21 世纪室温超导化学必然发展 5 无机晶体材料 20 世纪 60 年代出现了激光技术 由于其在方向性 相干性 单色性和高 储能性质等方面的突出优点引起了工业 农业 信息 军事等方面的极大兴趣 然而激光 技术本身需要对激光光源进行变频 调幅 调相 调偏等处理后才能 起到信息传递的媒介和能源的作用 这与晶体的非线性光学效应有关 要依靠 非线性光学晶体来 完成这一处理过程 这就给无机化学提供了一个研究具有非 线性光学性质的无机晶体的极好机遇 目前已有优质紫外倍频材料低温偏硼酸 钡 BBO 晶体 其空间 群为 R3c 这是目前输出相干光波长短 倍频效应大 抗光损伤能力高 调谐温度半宽度较宽的紫外非线性光学晶体 类似性能的晶 体还有 LBO NAB 等 另一类无机晶体是闪烁晶体 可作为高能粒子如电子 g 射线等的探测器 如 BGO 晶体 锗酸铋 Bi4Ge3012 具有发光性质 当一定能量的电子 g 射线 重带电粒子进入 BGO 时 它能发出蓝绿色的荧光 记录荧光的强度和位置 就 能计算出入射粒子的能量和位置 现已广泛应用在高能物理 核物理 核医 学 核工业 地质勘探筹方面 这类具有特殊功能的无机晶体的合成和生长是固体 无机化学研究的一个生长点 其他如人造水晶 金刚石 氟金云母晶体等各种 无机 功能晶体也是目前的几个发展动向 这一领域会研究出更多 更好的具有 特殊功能的晶体材料 将会是 21 世纪无机化学发展的重要方面 6 稀土化学 稀土是中国的丰产元素 世界稀土资源的 80 在中国 稀土包括原子序数 57 71 的 15 个元素 再加元素周期表同属 副族的钪和钇 共计 17 个元素 稀土 元素外层电子结构基本相同 而内层电子结构 4f 电子能级相近 20 世纪 经过大量的研究工作 发现稀土在光 电 磁 催化等方面具有独特的功能 如含稀土的 分子筛在石油催化裂化中可使汽油产率大大提高 硫氧钇铕在电子 轰击下产生鲜艳的红色荧光 可使彩电的亮度提高 1 倍 稀土永磁材料用于电 机制造 可缩小体 积 做到微型化和高效化 在高温超导材料中也缺不了稀土 元素 稀土元素在农业生产上有增产粮食的作用等 因此研究稀土元素的性质 和功能在 21 世纪将具有重 大的科学意义和应用前景 稀土元素由于外层电子结构基本相同 使分离单一稀土元素就相当困难 目前虽有离子交换法 络合萃取法等分离方法 但生产单一稀土元素的成本是 很高的 因此 稀土元素本身的化学工作还需深入研究 有待获得单一稀土元素 的快速简易的好方法 同时稀土元素作为材料研究 在激光 发光 信息 永 磁 超导 能源 催 化 传感 生物等领域将会作为主攻方向 7 生物无机化学 生物无机化学酝酿于 20 世纪 50 年代 诞生于 60 年代 在短短的半个世纪 有了很大发展 回顾这段历史对于人们今后如何开展生命科学中的化学问题研 究颇有启 发 早在化学与生物学融合而又分化出生物化学的时候 就孕育着从 生物化学中再分化的问题 生物化学研究的对象是各种生物功能分子 生物学 家多注意功能 但 是化学进入这个领域之后 更注意结构与功能的关系 当时 最为直接的结构测定方法是 X 射线晶体结构分析 而获得生物大分子单晶是一 个难题 当 Perutz 因其对肌红蛋白和血红蛋白的结构和作用机理研究而获得 诺贝尔化学奖时生物无机化学就开始萌芽 于是在生物化学和结构化学之间开 始结合 产生了一个以测定生 物功能分子结构和阐明作用机理为内容的新领域 与此同时 在生物化学深入到涉及金属离子的生物过程时 必然地与当时正在 迅速发展起来的配位化学结合 原来 研究溶液配位化学的主要学者均纷纷研究 生物配体和金属离子的溶液化学 R J P Williams D D Perrin K B Yatzimirskii D R Williams 等等先后进入这个领域 使之成为生物无机化学的另外一个分支 到后来人们 认为 晶体结构与生物介 质中的结构未必相同 应该研究溶液中的结构和构象 恰在此时 核磁共振技 术大发展 为研究生物大分子的溶液结构创造了条件 于是开 拓了结构化学和 溶液化学结合 探索含金属生物大分子结构与功能关系的新领域 生物无机化 学的另外一个分支是通过合成模型化合物或结构修饰研究结构 机理关 系 它 是合成化学介入生物无机化学的结果 这三个分支构成了延续 30 多年的生物无 机化学的主流 虽然研究思路和方法有所改变 但是这些研究都是以认识含无 机元素的生物功能分子的结构和功能关系为目的 大都采取分离出单一生物分 子 测定其结构 研究有关反应机理以及结构与功能关系的研究模式 虽然这 样的研究 取得了许多重要成果 使人们对必需元素和含它们的生物分子认识更 加深入 但是近年来 这种传统生物无机化学研究受到一系列实际问题的挑战 归结起来 这些 实际问题大都涉及无机物的生物效应 或者说生物体对无机物 的应答问题 例如无机药物的作用机理 无机物中毒机理 环境物质和能损伤 生物体的机理等 在这类 问题的研究中 共同的核心问题是从分子 细胞到整 体三个层次回答构成药理 毒理作用的基本化学反应和这些反应引起的生物事 件 这类研究促使人们把生物无机 化学提高到细胞层次 去研究细胞和无机物 作用时细胞内外发生的化学变化 这些化学变化是生物效应的基础 不可忽视生物无机化学半个世纪的发展对无机化学的启发和推动作用 例 如 混合配体配合物化学 多金属多配体体系的化学 金属的异常价态 金属 硫簇化学 分子内和分子间电子传递 自由基化学等等 显然生物无机化学在 未来既可以推动生物学发展 也可以促进化学向新的层次开拓 8 无机金属与药物 古代医药大都取材于自然界 不仅取自植物 动物 矿物也常被药用 但 由于重金属砷 汞 锑等无机化合物的毒性较大而逐渐被合成有机药物所替代 近年来 随 着科技发展 认识深化和新的发现 对以金属为基础的药物有了新 层次的认识 1965 年美国 Rosenberg 在研究电场对大肠杆菌生长速度的影响时 发现 所用的铂电极与营养液中的成分形成的六氯合铂和一些顺式的含铂络合物 能够抑制大肠杆菌的细胞分裂 但对细菌生长的影响却很小 这一偶然的发现 引起了广泛的 关注 美国癌症研究所立即组织对这些络合物进行广泛的研究和 临床试验 结果表明 含铂络合物抑制癌细胞的分裂有显著疗效 现已证实多 种顺铂 Pt NH3 2C12 及其一些类似物对子宫癌 肺癌 睾丸癌有明显疗效 在中药复方中有使用金属金的经验 但不知其机理 最近发现含金化合物的代 谢产物 Au CN 2 有抗病毒作用 而且金化合物可以抑制 NADPH 氧化酶 从而 阻断自由基链传递 有助于终止炎症反应 另外中药复方中使用砒霜和雄黄 最近发现三氧化二砷促进细胞凋亡 使现代医学接受了用砷化合物做治疗用的 可能性 目前用钒化合物治疗糖尿病 用锌化合物预防治疗流感 都已成功的在临床试用 人们处在无机药物的复兴时期 这些金属化合物被发现具有药物的治疗作用 说明人们对无机金属及其化 合物的药理作用已在深化和逐步认识 特别是我国含矿物的中药复方 其治疗 效果是肯定 的 但其中的药理作用和化学问题尚须不断研究和进一步深入 这 一领域在 21 世纪将会成为医药研究的一个重要发展方向 9 核化学和放射化学 20 世纪上半叶 从发现放射性元素 核裂变 人工放射性 到核反应堆的 建立 核爆炸的毁灭性破坏等 核化学和放射化学一直是十分活跃和开创性的 前沿领域 但到了后半个世纪 由于核电站和核武器发展的需要 核化学和放 射化学转向以生产和处理核燃料为中心 自身的科学研究和新的发现相对减少 放射性同位素和核 技术在分析化学 生命科学 环境科学 医学等方面紧密结 合 使其应用和交叉研究蓬勃发展起来 从目前的动向看 核化学和放射化学 的发展主线大体有如下几方 面 1 超重元素 稳定岛 能找到吗 20 世纪 60 年 Myers 和 Nilsson 等核 物理学家从核内存在着核子壳层和幻数的理论模型出发 提出了超重元素存在 稳定岛 的学说 即在核质子数 Z 114 和中子数 N 186 的幻数附近 有一些 超重原子核特别稳定 其寿命可能长达若干年甚至 1015 年 这些长寿命的超重 元素构成了一个 稳定岛 在这一学说吸引下 近 30 多年来无数核科学家 通过各种方法从自然界和核反应中去寻找这个梦寐以求的境地 稳定岛 至 1999 年 6 月 世界上三个大实验 室 美国的 Lawrence Berkeley 实验室 LBL 德国的 Darmstadt 重离子研究会 GSI 和位于俄罗斯的 Dubna 联合核子研究所 JINR 分别用重粒子 轰击的方法合成了超重元素 114 116 和 118 但由于 加速器流强不够和反应截面在 10 12 靶 所以只获得了极少几个原子 有关证 实研究已在重覆进 行 这意味超重元素 稳定岛 将有可能存在 可以设想 21 世纪重粒子加速器的流强增大 使产生超重元素的原子数目大增 再加上分 离 探测仪器的改进 超重 元素的化学研究将有现实性了 有人预言 稳定岛 的发现者将会荣获诺贝尔化学奖或物理奖 2 核医学和放射性药物 现代核医学的重要支柱是放射性药物 主要用于 多种疾病的体外诊断和体内治疗 还可在分子水平上研究体内的功能和代谢 21 世纪将在单光子断层扫描仪 SPECT 药 物方面有新的突破 将会用放射性标记的放免活性和专一性极强的 人抗人 单克隆抗体作为 生物导弹 定向杀死癌细胞 而中枢神经系统显像将推动 脑化学和脑科学的发展 3 核分析技术将以其高灵敏度等优点向纵深发展 放射性示踪技术和核分析技 术始终因其灵敏度很高的优点在各个领域中得到广泛 这是有机化学中最重要的基础学科之一 它是创造新有机分子的主要手段 和工具 发现新反应 新试剂 新方法和新理论是有机合成的创新所在 有机 合成的基础是 各类基本合成反应 不论合成多么复的应用 核分析方法未来将 在分析化学中大有作为 如物种分析 speciation 分子活化分析 生物 加 速器质谱学 bio accelerator mass spectrometry Bio AMS 粒子激发 X 射 线发射 particle induced X ray emission PIXE 包括扫描质子微探针 scanning proton microprobe SPM a 粒子质子 X 射线谱仪 alpha proton X ray spectrometer APXS 等各种新型结构和功能的分析仪器水为未来人类认 识大自然提供有利的武器 综上所述 无机化学的研究范围极其广阔 在 21 世纪的展望畔只能重点列 举这九个方面 不可能面面俱到 最关键的是创新和发现 一旦有了新的发现 和突破 就又可能发展成为一个新的研究和应用领域 二 有机化学 20 世纪的有机化学 从实验方法到基础理论都有了巨大的进展 显示出蓬 勃发展的强劲势头和活力 世界上每年合成的近百万个新化合物中约 70 以上 是有机化 合物 其中有些因其所具有的特殊功能而用于材料 能源 医药 生 命科学 农业 营养 石油化工 交通 环境科学等与人类生活密切相关的各 行各业中 直接或 间接地为人类提供大量的必需品 与此同时 人们也面对天 然的和合成的大量有机物对生态 环境 人体的影响问题 展望未来 有机化 学将使人们优化使用有机物 和有机反应过程 有机化学的迅速发展产生了不少分支学科 三级或四级学科 包括有机合 成 金属有机 元素有机 天然有机 物理有机 有机催化 有机分析 有机 立体化学等 下面将选择其中的一部分分支学利分别概述和展望 1 有机合成化学 多种构象分析方法的研究 如 NMR 多维谱 X 射线衍射激光拉曼光谱及荧光 圆二色散等手段在构象分析中的应用 从构象分析和分子力学计算出发的结构与功能关系的研究以及设计合成 类似物的研究 生物大分子的合成及应用研究 包括合成方法 模拟和改造天然活性肽 创造新功能的蛋白质分子 合成具有特殊生物功能的寡糖 合成反义寡核苷酸 及其多肽 与共轭物 并开发这些合成物质在医学和农业上的应用研究 生物膜化学和信息传递的分子基础的化学研究 生物催化体系及其模拟研究 包括催化性抗体和催化性核酸的研究 生物体中含量微少而活性很强的多肽 蛋白质 核酸 多糖的研究 包 括分离 结构 功能和合成等 光合作用中的化学问题 三 物理化学 现代物理化学是研究所有物质体系的化学行为的原理 规律和方法的学科 涵盖从微观到宏观对结构与性质的关系规律 化学过程机理及其控制的研究 它是化学以 及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础 在物理 化学发展过程中 逐步形成了若干分支学科 结构化学 化学热力学 化学动 力学 液体界面化 学 催化 电化学 量子化学等 20 世纪的物理化学随着 物理科学发展的总趋势偏重于微观的和理论的研究 取得不少起里程碑作用的 成就 如化学键本质 分子 间相互作用 分子结构的测定 表面形态与结构的 精细观察等等 目前看来有三个方面的问题 一是宏观和介观研究应该加强 二是微观结构研究要由静态 稳态向 动态 瞬态发展 包括反应机理研究中的 过渡态问题 催化反应机理与微观反应动力学问题等 三是应该参与到复杂性 研究中去 在物质体系中化学复杂性是直接关 系人类生存与进步的 也是可以 用实验方法研究的 总之 留给 21 世纪物理化学家的问题甚多 1 结构化学 结构化学研究从单纯为了阐明分子结构已发展到研究物质的表面结构 内 部结构 动态结构等 结构分析可借助于现代波谱技术和衍射分析来进行 最 直接的测定是 晶体结构分析 它可分为两类 即 X 射线衍射分析和显微成像 方法 能 看到 原子的原子层次分辨的各种显微技术将会给结构化学家提供 有力的武器 来探索生 物大分子 细胞 固体表面等的结构和变化 1982 年 诺贝尔化学奖得主 A Klug 开创了 晶体电子显微学 并用于揭示核酸 蛋 白质复合物的结构 这种 三维重构技术使电子显微镜的视野从二维空间发展到 三维空间 A M Cormack 发明了 X 射线断层诊断仪 CT 用于医学诊断 获得 1979 年诺贝尔 生理学或医学奖 总之在结构化学领域随着分析仪器和测定精 度的日新月异 新型结构分析仪器的不断推陈出新 结构化学在 21 世纪将会大 展宏图 生物大分子的 结构研究过去主要依赖 X 晶体结构分析做静态研究 由于实际上它们都是在溶液中发挥功能 而且它们的结构是易变的 所以 20 世 纪后期用核磁共振谱法研究大 分