21世纪化学发展战略20104_1_

1、胡满成胡满成2010年年10月月21世纪化学发展战略世纪化学发展战略20世纪化学学科的贡献世纪化学学科的贡献21世纪化学四大难题及展望世纪化学四大难题及展望21世纪化学发展战略思考世纪化学发展战略思考21世纪化学的世纪化学的11个突破口个突破口2020世纪化学学科的贡献世纪化学学科的贡献 美国化学家美国化学家Stephen J lippardStephen J lippard，19981998年在探讨化学的未来年在探讨化学的未来2525年时有一段精彩的讲年时有一段精彩的讲话：话：“化学最重要的是化学最重要的是制造新物质制造新物质。化学不。化学不但研究自然界的本质，而且创造出但研究自然界的本质，

2、而且创造出新分子、新分子、新催化剂新催化剂以及具有特殊反应性的以及具有特殊反应性的新化合物新化合物。化学学科通过合成优美而对称的分子，赋予化学学科通过合成优美而对称的分子，赋予人们创造的艺术；化学以新方式重排原子的人们创造的艺术；化学以新方式重排原子的能力，赋予我们从事创造性劳动的机会，而能力，赋予我们从事创造性劳动的机会，而这正是其它学科不能媲美的。这正是其它学科不能媲美的。 北京大学徐光宪院士北京大学徐光宪院士在在“2020世纪的化学取得了空前辉煌的成世纪的化学取得了空前辉煌的成就，期望得到社会应有的认同就，期望得到社会应有的认同”一文中指出：化学的核心是一文中指出：化学的核心是合成合成化

3、学化学，是以人工合成或从自然界，是以人工合成或从自然界分离出新物质供人类需要为中心分离出新物质供人类需要为中心任务的。因此任务的。因此化学的成就化学的成就可用合可用合成或分离出的新物质的数量和质成或分离出的新物质的数量和质量（重要性和用途）来衡量。量（重要性和用途）来衡量。 19001900年年在在美国化学文摘美国化学文摘（CACA）上）上登录的，从天然产物中分离出来并确定其登录的，从天然产物中分离出来并确定其组成的，和人工合成的已知化合物只有组成的，和人工合成的已知化合物只有5555万万种。经过种。经过4545年翻了一番，到年翻了一番，到19451945年年达到达到110110万万种。再经过

4、种。再经过2525年，又翻一番，到年，又翻一番，到19701970年为年为236.7236.7万种。以后新化合物增长的速度万种。以后新化合物增长的速度大大加快，每隔大大加快，每隔1010年翻一番，到年翻一番，到19991999年年1212月月3131日日已达已达23402340万万种。所以在这种。所以在这100100年中，年中，化学合成和分离了化学合成和分离了22852285万种新物质、新药万种新物质、新药物、新材料、新分子来满足人类生活和高物、新材料、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要，新技术发展的需要， 从上面的数字还可以看出，化学从上面的数字还可以看出，化学的起点并不高，在的起点并

5、不高，在19001900年前的历史长年前的历史长河中，人们只知道河中，人们只知道5555万种化合物，到万种化合物，到19701970年也不过年也不过237237万种。但在最后的万种。但在最后的3030年中，这个数目翻了十番，达到年中，这个数目翻了十番，达到23402340万种。所以当代化学发展的速度是非万种。所以当代化学发展的速度是非常快的，是以常快的，是以指数函数的加速度向前指数函数的加速度向前发展的发展的。没有一门其它科学能像化学。没有一门其它科学能像化学那样在过去的那样在过去的100100年中，创造出如此众年中，创造出如此众多的新物质。多的新物质。 化学化学在在2020世纪的最后世纪的最

6、后3030年中以指年中以指数函数发展的高速度，数函数发展的高速度，可以和信息科可以和信息科学、生命科学相媲美学、生命科学相媲美。化学在。化学在2020世纪世纪的成就用的成就用“空前辉煌空前辉煌”来描述，是并来描述，是并不过分的。但不过分的。但“化学家太谦虚化学家太谦虚”（这（这句话是句话是自然自然杂志在杂志在2001年的评论年的评论中说的），不会向社会宣传化学与化中说的），不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。因此工对社会的重要贡献。因此20世纪化世纪化学取得的辉煌成就，并未获得社会应学取得的辉煌成就，并未获得社会应有的认可。有的认可。 化學學科的聲譽在惡化化學學科的聲譽在惡化p 恐怖威脅

7、p 環境污染p 化學武器 报刊上常说报刊上常说2020世纪发明了六大技世纪发明了六大技术：术：（1 1）包括无线电、半导体、芯片、）包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、通讯和网络等的集成电路、计算机、通讯和网络等的信息技术信息技术，（，（2 2）基因重组、克隆和生）基因重组、克隆和生物芯片等物芯片等生物技术生物技术，（，（3 3）核科学和核核科学和核武器技术武器技术，（，（4 4）航空航天和导弹技术航空航天和导弹技术，（5 5）激光技术激光技术，（，（6 6）纳米技术纳米技术。但。但却很少有人提到包括新药物、新材料、却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子、化肥和农药的高分子、化肥和农

8、药的化学合成和分化学合成和分离技术离技术。 昔日的饥饿与今天的丰收景象形成鲜明的对照 但化学和化工界非常谦虚，但化学和化工界非常谦虚，从来不提抗议。我们应该理直气从来不提抗议。我们应该理直气壮地大力宣传壮地大力宣传2020世纪发明了世纪发明了七大七大技术技术，即，即化学合成（包括分离）化学合成（包括分离）技术和上述六大技术技术和上述六大技术。这七大技。这七大技术发明可以按照人类需要的迫切术发明可以按照人类需要的迫切性，和由它们衍生的产业规模及性，和由它们衍生的产业规模及其对世界经济影响的大小来排序：其对世界经济影响的大小来排序： （1 1）从人类对七大技术发明的需要）从人类对七大技术发明的需要

9、迫切性来看，迫切性来看，化学合成和分离技术应当化学合成和分离技术应当排名第一排名第一，已如前述，因为它是人类生，已如前述，因为它是人类生存的绝对需要，没有它世界上一半的人存的绝对需要，没有它世界上一半的人口要饿死。它还为其余六大技术发明提口要饿死。它还为其余六大技术发明提供了不可或缺的物质基础。国外传媒把供了不可或缺的物质基础。国外传媒把两次获得诺贝尔奖的哈勃合成氨技术两次获得诺贝尔奖的哈勃合成氨技术（Haber ProcessHaber Process） 评为评为2020世纪第一个世纪第一个重大发明，是很有道理的。重大发明，是很有道理的。 排名排名第二的第二的 是信息技术，第三是生物技术，是

10、信息技术，第三是生物技术，以下依次是航空航天技术，核技术，纳米技术以下依次是航空航天技术，核技术，纳米技术和激光技术。和激光技术。也许有人会问汽车产业不是比飞也许有人会问汽车产业不是比飞机还重要吗？但第一辆内燃机汽车是德国工程机还重要吗？但第一辆内燃机汽车是德国工程师奔师奔 驰在驰在18861886年发明的，所以汽车、火车、炼年发明的，所以汽车、火车、炼钢等都是钢等都是1919世纪发明的重大技术。而合成氨技世纪发明的重大技术。而合成氨技术是哈勃（术是哈勃（HaberHaber）在）在19091909年发明，在年发明，在19181918年因年因而获得诺贝尔化学奖。而获得诺贝尔化学奖。C.C.博施

11、改进了高压合成博施改进了高压合成氨的催化方法，又于氨的催化方法，又于19311931年获诺贝尔奖。高分年获诺贝尔奖。高分子合成技术是子合成技术是2020世纪世纪5050年代发展起来的。新药年代发展起来的。新药物、新材料的合成更是近物、新材料的合成更是近5050年的事。年的事。因此合成因此合成化学技术是属于化学技术是属于2020世纪的重大发明。世纪的重大发明。 （2 2）从）从2020世纪的七大技术发明衍世纪的七大技术发明衍生的产业规模及其对世界经济的影响生的产业规模及其对世界经济的影响来看，排名次序如下：来看，排名次序如下：第一第一是是信息产信息产业业，第二第二是由是由化学合成和分离技术化学合

12、成和分离技术衍衍生的石油化工、精细化工、高分子化生的石油化工、精细化工、高分子化工和药物、农药工业等产业，以及从工和药物、农药工业等产业，以及从空气中分离氧气和氮气，从电解水中空气中分离氧气和氮气，从电解水中分离出氢气，作为电动汽车的燃料，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产为解决将来水资源缺少的海水淡化产业等。业等。 第三第三是飞机、航天、人造卫星及是飞机、航天、人造卫星及导弹产业，导弹产业，第四第四是核电站和核工业。是核电站和核工业。这四个产业都是非常大的产业。其中这四个产业都是非常大的产业。其中在核产业中，有很大一部分是在核产业中，有很大一部分是化工产化工产业

13、业，如核燃料的前处理和后处理工业，如核燃料的前处理和后处理工业，重氢、重水工业、稀有元素冶炼工业重氢、重水工业、稀有元素冶炼工业等，又如信息产业和航空航天导弹卫等，又如信息产业和航空航天导弹卫星产业中，都依靠冶金、稀有元素冶星产业中，都依靠冶金、稀有元素冶炼和高分子等化学合成产业。炼和高分子等化学合成产业。 相对于前述四大产业而言，相对于前述四大产业而言，第第五生物技术五生物技术产业、产业、第六纳米技术第六纳米技术产产业和业和第七激光技术第七激光技术产业这三个现在产业这三个现在还是小产业。其中纳米产业实际上还是小产业。其中纳米产业实际上主要是主要是化学家发明化学家发明C C6060等巴基球、等

14、巴基球、碳纳米管等衍生出来的碳纳米管等衍生出来的合成化学产合成化学产业业，以及用各种方法把化学物质制，以及用各种方法把化学物质制成纳米尺度的合成产业成纳米尺度的合成产业。 所以到目前为止，在所以到目前为止，在2020世纪世纪的七大发明中，人类最迫切需要的七大发明中，人类最迫切需要的，对人们的生活和世界经济的的，对人们的生活和世界经济的发展影响最大的发展影响最大的两大发明是信息两大发明是信息技术和合成化学技术技术和合成化学技术。再过。再过30305050年人类对生物技术需要的迫切年人类对生物技术需要的迫切性和生物产业的规模，才有可能性和生物产业的规模，才有可能超过信息技术和合成化学技术。超过信息

15、技术和合成化学技术。 因此，因此，合成化学合成化学是是化学学科当之无愧的核化学学科当之无愧的核心，是化学家为改造世心，是化学家为改造世界创造社会未来最有力界创造社会未来最有力的手段。的手段。 21世纪化学四大难题及展望世纪化学四大难题及展望化学的第一根本规律（第一世纪难题）：化学的第一根本规律（第一世纪难题）：建立精确有效而又普遍适用的化学反应的建立精确有效而又普遍适用的化学反应的量子理论和统计理论。量子理论和统计理论。 化学的第二根本规律化学的第二根本规律-结构和性能的定量结构和性能的定量关系关系 化学的第三世纪难题：生命现象的化学机化学的第三世纪难题：生命现象的化学机理理 化学的第四世纪难

16、题：纳米尺度的基本规化学的第四世纪难题：纳米尺度的基本规律律 经过经过50100年的努力，解决了化学的年的努力，解决了化学的四大难题，我们不难设想我们美好的远四大难题，我们不难设想我们美好的远景：景： （1）在解决第一和第三难题，充分在解决第一和第三难题，充分了解光合作用、固氮作用机理和催化理了解光合作用、固氮作用机理和催化理论的基础上，我们可以期望实现农业的论的基础上，我们可以期望实现农业的工业化，在工厂中生产粮食和蛋白质，工业化，在工厂中生产粮食和蛋白质，大大缩减宝贵的耕地面积，使地球能养大大缩减宝贵的耕地面积，使地球能养活人口的数目成倍增加。活人口的数目成倍增加。 （2）在解决第二和第四

17、难题的基础上，我在解决第二和第四难题的基础上，我们可以期望得到比现在性能最好的合金钢材们可以期望得到比现在性能最好的合金钢材强度大十倍，但重量轻几倍的强度大十倍，但重量轻几倍的合成材料合成材料，使，使城市建筑和桥梁建设的面貌完全更新。城市建筑和桥梁建设的面貌完全更新。 （3）在充分了解结构与性能关系的基础在充分了解结构与性能关系的基础上，我们能合成出高效、稳定、廉价的太阳上，我们能合成出高效、稳定、廉价的太阳能光电转化材料，组装成器件。太阳投射到能光电转化材料，组装成器件。太阳投射到地球上的能量，是当前全世界能耗的一万培。地球上的能量，是当前全世界能耗的一万培。如果光电转化效率为如果光电转化效

18、率为10，我们只要利用，我们只要利用0。1的太阳能，就能满足当前全世界能源的需的太阳能，就能满足当前全世界能源的需要。要。 （4）未来的化工企业将是绿色的，零排未来的化工企业将是绿色的，零排放的，原子经济的，物质在内部循环的企放的，原子经济的，物质在内部循环的企业。业。 （5）在合成了廉价的可再生的储氢材料在合成了廉价的可再生的储氢材料和能转换材料的基础上，街上行走的汽车和能转换材料的基础上，街上行走的汽车将全部是零排放的电动汽车。我们穿的将将全部是零排放的电动汽车。我们穿的将是空调衣服。是空调衣服。 （6）海水淡化将成为重要工业，从而海水淡化将成为重要工业，从而解决人类的水资源紧缺问题。解决

19、人类的水资源紧缺问题。 21世纪化学发展战略思考世纪化学发展战略思考 在过去的在过去的100多年里化学作为一门核心、多年里化学作为一门核心、实用、创造性科学，已经为人类认识物实用、创造性科学，已经为人类认识物质世界和人类的文明进步做出了巨大的质世界和人类的文明进步做出了巨大的贡献。化学寻求结构多样性和分子多样贡献。化学寻求结构多样性和分子多样性，合成制备了数以千万计的化学物质，性，合成制备了数以千万计的化学物质，发展了化学合成理论和技术，为阐明生发展了化学合成理论和技术，为阐明生命的起源、发现生物活性物质、新材料命的起源、发现生物活性物质、新材料以及新药物的设计合成奠定了理论和实以及新药物的设

20、计合成奠定了理论和实验基础。验基础。 面对面对生命科学、材料科学、生命科学、材料科学、信息科学等信息科学等其它学科迅猛发展的其它学科迅猛发展的挑战和人类对认识和改造自然提挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求，化学在不断开拓新出的新要求，化学在不断开拓新的研究领域和思路的同时，不断的研究领域和思路的同时，不断地地创造出新的物质和品种创造出新的物质和品种来满足来满足人民的物质文化生活，造福国家，人民的物质文化生活，造福国家，造福人类。造福人类。 面对面对生命科学、材料科学、生命科学、材料科学、信息科学等信息科学等其它学科迅猛发展的其它学科迅猛发展的挑战和人类对认识和改造自然提挑战和人类对认识和改

21、造自然提出的新要求，化学在不断开拓新出的新要求，化学在不断开拓新的研究领域和思路的同时，不断的研究领域和思路的同时，不断地地创造出新的物质和品种创造出新的物质和品种来满足来满足人民的物质文化生活，造福国家，人民的物质文化生活，造福国家，造福人类。造福人类。 1 1化学界目前存在的困惑剖析化学界目前存在的困惑剖析 浸沉在浸沉在20 世纪化学所创造的辉煌之中世纪化学所创造的辉煌之中的化学家自信在的化学家自信在合成制备新分子新材料、合成制备新分子新材料、控制反应过程以及获取物质的组成结构信控制反应过程以及获取物质的组成结构信息和构息和构-性性-效关系方面有无限的的潜力。效关系方面有无限的的潜力。但但

22、是，就在化学家继续抱着创造新物质、新是，就在化学家继续抱着创造新物质、新材料为人类生存和生存质量的提高作出新材料为人类生存和生存质量的提高作出新的贡献的时候，他们却感觉化学的作用和的贡献的时候，他们却感觉化学的作用和地位似乎被淡化了。似乎化学从认识、控地位似乎被淡化了。似乎化学从认识、控制和改变客观世界的核心科学以及引导其制和改变客观世界的核心科学以及引导其他学科前进的牵头学科退后了，这就是化他学科前进的牵头学科退后了，这就是化学界目前存在的困惑学界目前存在的困惑 2.化学学科发展与化学分支学科重组化学学科发展与化学分支学科重组 的思考的思考 随着科学技术的迅猛发展，化学要从随着科学技术的迅猛

23、发展，化学要从传统的只注重研究原子和分子的反应和变传统的只注重研究原子和分子的反应和变化规律和按无机化学、有机化学、物理化化规律和按无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、高分子化学来划分二级学学、分析化学、高分子化学来划分二级学科框框中解放出来，向整体化多层次发展。科框框中解放出来，向整体化多层次发展。 化学可以由原子层次、分子化学可以由原子层次、分子片层次、分子层次、超分子层次、片层次、分子层次、超分子层次、多分子聚集态层次等不同层次来多分子聚集态层次等不同层次来划分研究对象。由此形成划分研究对象。由此形成原子层原子层次的化学、分子片层次的化学、次的化学、分子片层次的化学、分子层次的化学、

24、超分子层次的分子层次的化学、超分子层次的化学、宏观聚集态化学、介观聚化学、宏观聚集态化学、介观聚集态化学、复杂体系的化学等集态化学、复杂体系的化学等。 化学学科可以从化学学科可以从研究内容和方法来研究内容和方法来划分形成新的二级学科划分形成新的二级学科，如，如合成化学合成化学（合成方法学，手性合成，模板合成（合成方法学，手性合成，模板合成等）、等）、分离化学分离化学（萃取化学，离子交换，（萃取化学，离子交换，色层分离等）、色层分离等）、分析化学分析化学（电分析化学，（电分析化学，光和波谱分析化学，化学计量学，在线光和波谱分析化学，化学计量学，在线原位分析等）、原位分析等）、物理化学物理化学（化

25、学热力学，（化学热力学，结构化学，催化化学，表面结构化学，催化化学，表面/界面化学，界面化学，超临界化学等）、超临界化学等）、理论化学理论化学（计算化学，（计算化学，量子化学，化学统计学，非线性化学等）量子化学，化学统计学，非线性化学等）等。等。 根据将现代数学、物理、信息方法根据将现代数学、物理、信息方法融入化学，赋予化学更多的生命活力和融入化学，赋予化学更多的生命活力和创造力的原则，也可以从学科交叉来重创造力的原则，也可以从学科交叉来重新划分，如与生命科学交叉的新划分，如与生命科学交叉的化学生物化学生物学，学，与材料科学交叉的与材料科学交叉的纳米（材料）化纳米（材料）化学，学，与资源和环境

26、科学交叉的与资源和环境科学交叉的绿色化学，绿色化学，与数学、信息和生命科学交叉的与数学、信息和生命科学交叉的化学信化学信息学等。息学等。 随之而来对化学科学的定义也有随之而来对化学科学的定义也有必要重新考虑即：必要重新考虑即：化学是主要研究从化学是主要研究从原子、分子片、分子、超分子，到分原子、分子片、分子、超分子，到分子和原子的各种不同尺度和不同复杂子和原子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态的合成和反应，程度的聚集态和组装态的合成和反应，分离和分析，结构和形态，物理性能分离和分析，结构和形态，物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科和生物活性及其规律和应用的自然科学学 。3.化学未

27、来新发展的契机化学未来新发展的契机 化学界普遍认为，化学正酝酿着重要进化学界普遍认为，化学正酝酿着重要进展。这是由于：展。这是由于： （1）各相关科学（主要是生物和材料科）各相关科学（主要是生物和材料科学）与化学在大量问题上相遇，化学家开学）与化学在大量问题上相遇，化学家开始发现其中的化学基础问题，而相关学科始发现其中的化学基础问题，而相关学科的科学家也意识到需要解决的化学问题；的科学家也意识到需要解决的化学问题； （2）可持续发展的战略向化学科学提出）可持续发展的战略向化学科学提出了大量化学基础问题，国民经济的需求和了大量化学基础问题，国民经济的需求和化学学科自身发展的需求也已经结合成为化学

28、学科自身发展的需求也已经结合成为推动推动21世纪化学学科发展的动力；世纪化学学科发展的动力； （3）化学已经在理论和方法上有了相）化学已经在理论和方法上有了相当的积累成果。但是必须把握下列几点当的积累成果。但是必须把握下列几点原则，才能使化学科学有更大发展：原则，才能使化学科学有更大发展：第第一，一，微观研究与宏观研究结合；微观研究与宏观研究结合；第二，第二，注重多层次、多尺度的研究；注重多层次、多尺度的研究；第三，第三，研研究要由复杂到简单，由简单到复杂，不究要由复杂到简单，由简单到复杂，不断升华；断升华；第四，第四，注重静态与动态（过程）注重静态与动态（过程）研究的结合；研究的结合；第五，

29、第五，寻找其它领域中必寻找其它领域中必须化学解决、而化学还未能解决的基本须化学解决、而化学还未能解决的基本问题。问题。 预计预计21世纪科学发展的特点是世纪科学发展的特点是各学科纵横交叉解决实际问题各学科纵横交叉解决实际问题。即。即化学学科的自身继续发展和与相关化学学科的自身继续发展和与相关学科融合发展相结合学科融合发展相结合; 化学学科内化学学科内部的传统分支继续发展和做为整体部的传统分支继续发展和做为整体发展相结合发展相结合; 研究科学基本问题与研究科学基本问题与解决实际问题相结合。解决实际问题相结合。 21世纪化学的世纪化学的11个突破口个突破口r1 新的合成方法学新的合成方法学 例如例

30、如(1)组合化学。组合化学。(2)手性合成。手性合成。(3)分子反应器控制的合成。分子反应器控制的合成。(4) 自复制和自自复制和自组装合成。组装合成。(5)定向合成。定向合成。(6)掌握零维笼掌握零维笼状和杯状、一维通道、二维层间、三维状和杯状、一维通道、二维层间、三维网络空腔结构的合成方法，并通过化学、网络空腔结构的合成方法，并通过化学、电场或磁场的作用，使囚禁在里面的客电场或磁场的作用，使囚禁在里面的客体分子被释放或取代出来。体分子被释放或取代出来。 r2 纳米化学、纳米材料和分子器件，纳米纳米化学、纳米材料和分子器件，纳米表面化学、高效表面化学、高效 纳米催化剂设计合成及应纳米催化剂设计合成及应用用。r3 稀土化学特别是有我国知识产权的新型稀土化学特别是有我国知识产权的新型稀土功能材料稀土功能材料。r4 能源科学中的化学问题能源科学中的化学问题 例如：（例如：（1）各种高效换能器，特别）各种高效换能器，特别是太阳能电池。（是太阳能电池。（2）燃料电池。）燃料