1第一讲 20世纪化学的回顾

绿色化学与化工主讲教师 訾俊峰单位 化学化工学院 课程安排 1 化学对人类的贡献及展望2 当今世界面临的主要环境问题3 绿色化学原理4 绿色化学与现代生活 20世纪化学的回顾及未来化学的展望 化学是在原子 分子层次上研究物质的组成 结构 性质及其变化规律的一门科学 它涉及存在于自然界的物质 如矿物 空气中的气体 海洋里的水和盐 动植物体内的化学成分 以及由化学家创造的新物质 它涉及自然界的变化 如因闪电而着火的树木 生命过程中的化学变化 还有那些由化学家发明创造的新变化 作为自然科学中的一门基础学科 化学是当代科学技术和人类物质文明迅猛发展的基础和动力 是一门中心的 实用的和创造性的科学 是一门古老而又生机勃勃的科学 现在很多化学工作者都在预测21世纪化学学科发展的前景 推测21世纪化学会在哪些方面取得重大突破 会遇到哪些挑战和难题 什么是未来化学的新生长点 化学在整个科学体系中占有什么地位 实际上 我们只要温故以知新 就不难看出未来化学发展的动向 1 20世纪化学的辉煌成就 20世纪人类对物质需求的日益增加以及科学技术的迅猛发展 极大的推动了化学学科自身的发展 20世纪化学不仅形成了完整的理论体系 而且在理论的指导下 化学实践为人类创造了丰富的物质 化学过程工业以及与化学相关的国计民生的各个领域 如粮食 能源 材料 医药 交通 国防以及人类的衣食住行用等 在这100年中发生的变化是有目共睹的 1 放射性和铀裂变的重大发现 20世纪在能源利用方面一个重大突破是核能的释放和可控利用 仅此领域就产生了6项诺贝尔奖 2 化学键和现代量子化学理论 在化学键理论方面 鲍林 L Pauling 1901 1994 的贡献最大 他把量子力学应用于分子结构 创立了价键学说和杂化轨道理论 1954年由于他在化学键研究和用化学键理论阐明物质结构方面的重大贡献而荣获了诺贝尔化学奖 化学键和量子化学理论的发展足足花了半个世纪的时间 让化学家由浅入深 认识分子的本质及其相互作用的基本原理 从而让人们进入分子的理性设计的高层次领域 创造新的功能分子 如药物设计 新材料设计等 这也是20世纪化学的一个重大突破 3 合成化学的发展 创造新物质是化学家的首要任务 100年来合成化学发展迅速 许多新技术被用于无机和有机化合物的合成 例如 超低温合成 高温合成 高压合成 电解合成 光合成 声合成 微波合成 等离子体合成 固相合成 仿生合成等等 发现和创造的新反应 新合成方法数不胜数 现在 几乎所有的已知天然化合物以及化学家感兴趣的具有特定功能的非天然化合物都能够通过化学合成的方法来获得 在人类已拥有的1900多万种化合物中 绝大多数是化学家合成的 合成化学为满足人类对物质的需求作出了极为重要的贡献 纵观20世纪 合成化学领域共获得10项诺贝尔化学奖 维生素B12 这一时期先后合成了奎宁 胆固醇 可的松 叶绿素和利血平 维生素B12等一系列复杂有机化合物而荣获诺贝尔化学奖 海葵毒素 4 高分子科学和材料 20世纪人类文明的标志之一是合成材料的出现 合成橡胶 合成塑料和合成纤维这三大合成高分子材料是化学中具有突破性的成就 也是化学工业的骄傲 在此领域曾有3项诺贝尔化学奖 5 化学动力学与分子反应动态学 研究化学反应是如何进行的 揭示化学反应的历程和研究物质的结构与其反应能力之间的关系 是控制化学反应过程的需要 在这一领域相继获得过3次诺贝尔化学奖 6 对现代生命科学和生物技术的重大贡献 研究生命现象和生命过程 揭示生命的起源和本质是当代自然科学的重大研究课题 20世纪生命化学的崛起给古老的生物学注入了新的活力 人们在分子水平上向生命的奥秘打开了一个又一个通道 蛋白质 核酸 糖等生物大分子和激素 神经递质 细胞因子等生物小分子是构成生命的基本物质 从20世纪初开始生物小分子 如糖 血红素 叶绿素 维生素等 的化学结构与合成研究就多次获得诺贝尔化学奖 这是化学向生命科学进军的第一步 在这一时期主要成果有 1955年首次合成多肽激素催产素荣获了诺贝尔化学奖 1958年牛胰岛素分子结构测定获得诺贝尔化学奖 1953年提出了DNA分子双螺旋结构模型 这项重大成果对于生命科学具有划时代的贡献 它为分子生物学和生物工程的发展奠定了基础 为整个生命科学带来了一场深刻的革命 荣获了1962年诺贝尔医学奖 1960年成功地测定了鲸肌红蛋白和马血红蛋白的空间结构 揭示了蛋白质分子的三维空间的排布方式 为此获得了1962年诺贝尔化学奖 1965年我国化学家人工合成结晶牛胰岛素获得成功 标志着人类在揭示生命奥秘的历程中迈进了一大步 1980年在DNA分裂和重组 DNA测序以及现代基因工程学方面的杰出贡献而获诺贝尔化学奖 1982年发明 象重组 技术和揭示病毒和细胞内遗传物质的结构而获得诺贝尔化学奖 1989年发现核酶 Ribozyme 而获得诺贝尔化学奖 等等 7 对人类健康的贡献 利用药物治疗疾病是人类文明的重要标志之一 20世纪初 由于对分子结构和药理作用的深入研究 药物化学迅速发展 并成为化学学科一个重要领域 1909年德国化学家艾里希合成出了治疗梅毒的特效药物胂凡纳明 20世纪30年代以来化学家从染料出发 创造出了一系列磺胺药 使许多细菌性传染病特别是肺炎 流行性脑炎 细菌性痢疾等长期危害人类健康和生命的疾病得到控制 青霉素 链霉素 金霉素 氯霉素 头孢菌素等类型抗生素的发明 为人类的健康做出了巨大贡献 具不完全统计 20世纪化学家通过合成 半合成或从动植物 微生物中提取而得到的临床有效的化学药物超过2万种 常用的就有1000余种 而且这个数目还在快速增加 8 对国民经济和人类日常生活的贡献 化学在改善人类生活方面是最有成效 最实用的学科之一 利用化学反应和过程来制造产品的化学工业 包括精细化工 石油化工 制药工业 日用化工 橡胶工业 造纸工业 玻璃和建材工业 钢铁工业 纺织工业 皮革工业 饮食工业等 在发达国家中占有最大的份额 这个数字在美国超过30 而且还不包括诸如电子 汽车 农业等要用到化工产品的相关工业的产值 发达国家从事研究与开发的科技人员中 化学 化工专家占一半左右 世界专利发明中有20 与化学有关 人类之衣 食 住 行 用无不与化学有关 例如各种材料都是由不同的化学元素组成的 房子是用水泥 玻璃 油漆等化学产品建造的 肥皂和牙膏是日用化学品 衣服是合成纤维制成并由合成染料上色的 饮用水必须经过化学检验以保证质量 食品则是由用化肥和农药生产的粮食制成的 维生素和药物也是由化学家合成的 交通工具更离不开化学 车辆的金属部件和油漆显然是化学品 车厢内的装潢通常是特种塑料或经化学制剂处理过的皮革制品 汽车的轮胎是由合成橡胶制成的 燃油和润滑油是含化学添加剂的石油化学产品 蓄电池是化学电源 尾气排放系统中用来降低污染的催化转化器装有用铂 铑和其他一些物质组成的催化剂 它可将汽车尾气中的氧化氮 一氧化碳和未燃尽的碳氢化合物转化成低毒害的物质 飞机则需要用质强量轻的铝合金来制造 还需要特种塑料和特种燃油 书刊 报纸是用化学家所发明的油墨和经化学方法生产出的纸张印制而成的 摄影胶片是涂有感光化学品的塑料片 它们能被光所敏化 所以在暴光时和在用显影药剂冲洗时 它们就会发生特定的化学反应 彩电和电脑显示器的显象管是由玻璃和荧光材料制成的 这些材料在电子束轰击时可发出不同颜色的光 VCD光盘是由特殊的信息存储材料制成的 甚至参加体育活动时穿的跑步鞋 溜冰鞋 运动服 乒乓球 羽毛球排等也都离不开现代合成材料和涂料 2 未来化学的作用和地位 未来化学在人类生存 生存质量和安全方面将以新的思路 观念和方式继续发挥核心科学的作用 应该说 20世纪的化学科学在保证人类衣食住行需求 提高人类生活水平和健康状态等方面起了重大作用 21世纪人类所面临的粮食 人口 环境 资源和能源等问题更加严重 虽然这些难题的解决要依赖各个学科 但无论如何总是要依靠研究物质基础的化学学科 1 化学仍然是解决食品问题的主要学科之一化学将在设计 合成功能分子和结构材料以及从分子层次阐明和控制生物过程 如光合作用 动植物生长 的机理等方面 为研究开发高效安全肥料 饲料和肥料 饲料添加剂 农药 农用材料 如生物可降解的农用薄膜 生物肥料 生物农药等打下基础 利用化学和生物的方法增加动植物食品的防病有效成分 提供安全的有防病作用的食物和食物添加剂 改进食品储存加工方法 以减少不安全因素等 都是化学研究的重要内容 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在能源和资源方面 未来化学要研究高效洁净的转化技术和控制低品位燃料的化学反应 新能源如太阳能以及高效洁净的化学电源与燃料电池等都将成为21世纪的重要能源 这些研究大多都需要从化学基本问题作起 否则 很难取得突破 矿产资源是不可再生的 化学要研究重要矿产资源 如稀土 的分离和深加工技术以及利用 3 化学继续推动材料科学的发展各种结构材料和功能材料与粮食一样永远是人类赖以生存和发展的物质基础 化学是新材料的 源泉 任何功能材料都是以功能分子为基础的 发现具有某种功能的新型结构会引起材料科学的重大突破 未来化学不仅要设计和合成分子 而且要把这些分子组装 构筑成具有特定功能的材料 4 化学是提高人类生活质量和生存安全的有效保障在满足生存需要之后 不断提高生存质量和生存安全是人类进步的重要标志 化学可从三个方面对保证生存质量的提高做出贡献 通过研究各种物质和能的生物效应 正面的和负面的 的化学基础 特别是搞清两面性的本质 找出最佳利用方案 研究开发对环境无害的化学品和生活用品 研究对环境无害的生产方式 这两方面是绿色化学的主要内容 研究大环境和小环境 如室内环境 中不利因素的产生 转化和与人体的相互作用 提出优化环境建立洁净生活空间的途径