近代化学的突破和化学发展的前沿(科普)

1、化学学科的发展历史、现状与前景展望,陇东学院化学化工学院 胡浩斌 教授,2011年10月,主要内容,“化学”概念 古代和近代化学史掠影 中国化学史上的“世界第一” 二十世纪化学的回顾 二十一世纪化学的前景展望,一、“化学”概念的理解,什么是化学？ 不同的化学家有不同的论述。 美国前化学会主席、著名化学家布里斯罗认为：化学是一门 中心的、实用的和创造性的科学，化学研究的对象不仅包括 自然界存在的物质，而且包括人类创造的新物质，化学中最 有创造性的工作是设计和创造新的分子。 我国著名化学家、中科院院士唐有祺认为，在自然科学的分 支中，化学是侧重在原子-分子水平上研究物质的组成、结构 和性能及其相互

2、转化的科学。,我国著名化学家、中科院院士徐光宪认为，化学主要是研究原子，分子片，分子，原子分子簇，原子分子的激发态、过渡态、吸附态，超分子、生物大分子，分子和原子的各种尺度不同复杂程度的集聚态和组装态，直到分子材料，分子器件和分子机器的合成反应，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学。,一、“化学”概念的理解,中国化学会理事长白春礼和美国化学会主席布鲁斯认为：“化学是门既古老又现代的学科，在推动人类文明过程中起到了关键作用。” 化学是一门研究物质结构、性质和物质发生反应的科学。具体来说：它涉及存在于自然界的物质和由人类创造的新物质；涉及的物质是原子、分子和离子层次上

3、的物质；涉及的自然界的变化因闪电而着火的树木，与生命有关的化学变化还有那些由化学家发明和创造的新变化。,一、“化学”概念的理解,我们可以看出，不同的化学家从不同的角度对化学进行了论述。这对于我们全面理解化学，用高观点审视教材关于“化学”的提法，根据学生已有知识经验恰当的选择和组织教学内容有重要的意义。,一、“化学”概念的理解,关于化学的新观念,1.化学是在原子、分子的层次上，研究可见物质中实物的组成、结构、性质和反应规律的科学。 2.原子、分子不仅是人们对于物质两个结构层次解释的模型，而且还是可以进行拖、拉、滚等操作的客体。 3.任何物质都有对人类有益、有用的一面，同时又有对人类有害甚至有毒的

4、一面。 4.化学反应的研究，从大量分子的统计行为到单分子操作。 5.合成无禁区。 6.绿色化学。,一、“化学”概念的理解,化学的最新定义,化学是主要研究从原子、分子片、分子、超分子到原子和 分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、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学。,一、“化学”概念的理解,化学是“中心的科学”,化学研究的物质处在物质系统的中间层次。 人们把客观存在的物质划分为实物和场两种基本形态。化学研究的对象主要是实物，也就是具有质量的物质。就物质的构造而言，可划分为下列几个层次：,一、“化学”概念的理解,化学与诸多的其他科学领域有

5、关。 它对农业、电子学、生物学、药学、环境科学、计算机科学、工程学、地质学、物理学、冶金学，以及很多其他领域，都有重大贡献。 人类对美好生活的追求离不开化学。 我们需要用于制造住所、衣服和交通用的材料，寻找和创造新的治病良药，发明提高和保证粮食供应的新方法，以及多方面地改善的我们生活。因此，我们认为化学在人类有古代穴居的野蛮生活进化到现在这样一个的变化中起了“中心”作用。,化学是“中心的科学”,一、“化学”概念的理解,化学是“实用的科学”和“创造性的科学”,化学的“实用性”和“创造性”是相互联系的。 化学家在探索大自然时，为了找出过去并不知道的有用的物质，曾通过大量地研究从植物和动物中发现的化

6、合物来进行这种探索，而且仍在进行着。如治疗疟疾的“青蒿素”等。,一、“化学”概念的理解,“化学中最有创造性的工作是设计和创造新分子。”布里斯罗 目前，化学家一项重要的工作，是从陆生、水生动植物中寻找新的物质，并从中分离、测定它们的化学结构，然后进行人工合成。,化学是“实用的科学”和“创造性的科学”,一、“化学”概念的理解,20世纪的100年中，化学合成和分离了2285万种新化合物，取得了空前辉煌的成就。20世纪的化学是以指数函数的加速度向前发展的，但未获得社会应有的认同。 化学虽是一门老科学，但青春永驻。 1900年 55万种 1945年110万种，45年翻一番 1970年236万种，25年翻

7、一番 1999年底2340万种，30年增加10倍 以指数函数的加速度向前发展，没有一门其它科学能像化学那样，创造出如此众多的新物质。,一、“化学”概念的理解,CAS(化学物质登录号)登录分子数 2000.7.17 2500万种。2001.3.15 3000万 2001.12.20 3500万种。2002.12.27 4500万，其中合成2080万，识别生物分子2420万 2004.12.28 7750万，其中合成2507万、识别生物分子序列5243万 2006.2.28 8466万，其中合成2742万，识别生物分子序列5724万 大约每天新增2万，每年新增700万,一、“化学”概念的理解,化学

8、是一门实用科学,20世纪如果没有合成氨的化工技术，人类将面临饥饿的威胁 没有新药物的成功研制，人类平均寿命将缩短30年 没有合成塑料、合成纤维、合成橡胶、合成新材料、合成硅芯片，就无法进入信息时代的新生活。,一、“化学”概念的理解,20世纪发明了7大技术 信息技术 化学合成技术 生物技术 核技术核武器 激光技术 纳米技术 航空航天和导弹技术 2004年我国化学化工产业，包括石油化工、高分子合成、冶金、精细化工和制药、环境治理等占GDP的16.7，信息产业占10，生物产业不到1. 21世纪是信息科学、合成化学和生命科学共同繁荣的世纪。,化学是一门实用科学,一、“化学”概念的理解,化学科学发展简要

9、回顾,我国有了青铜器；春秋晚期能炼铁；战国晚期能炼钢；唐代；有了火药。 十八世纪七十年代，瑞典化学家舍勒和英国化学家普利斯里分别发现并制得了氧气；法国化学家锡最早用天平和为研究化学的工具，并推翻了燃素学说；英国化学家卡文迪许。雷利等陆续从空气中发现了惰性气体。 1748年俄国化学家罗蒙诺索夫建立了质量守恒定律。 1808年英国科学家道尔顿提出了近代原子学说。,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,1811年意大利科学家阿佛加德罗提出了分子的概念。 二十世纪奥地利和德国物理学家泡利。洪特分别提出了核外电子排布的“泡利不相容原理”、

10、“洪特规则”。 1869年俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律。 十九世纪荷兰物理学家范德华首先研究了分子间作用力。 1888年法国化学家勒沙特列提出了化学平衡移动原理 。,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,二、古代和近代化学史掠影,十九世纪英国物理学家丁达尔和植物学家布朗分别提出了胶体的“丁达尔现象”、“布朗运动”。 1828年；德国化学家维勒第一次证明有机物可用普通的无机物制得。 1890年德国

11、化学家凯库蔓提出了苯分子的结构式。 13. 1911年英国的卢瑟福提出原子核模型（1908年因其在研究元素核衰变和原子结构上的成就荣获诺贝尔化学奖） 14. 1962年加拿大的巴特来合成了第一个惰气化合物（XePtF6）,二、古代和近代化学史掠影,公元前100年中国发明造纸术。公元105年东汉蔡伦总结并推广了纸技术，而欧洲人还在用羊皮抄书呢！ 公元700800年唐朝孙思邈在伏硫磺法中归早记载了黑火药的三组分（硝酸钾、硫磺和木炭）。火药于13 世纪传入阿拉伯，14世纪才传入欧洲。 公元前200后400年中国炼丹术兴起。魏伯阳的周易参同契和葛洪的抱扑子记录了汞、铅、金、硫等元素和数十药物的性状与配

12、制。公元750年中国炼丹太传入阿拉伯。,三、中国化学史上的“世界第一”,公元800年唐朝茅华是世界上第一们发现氧气的人。他比英国的普利斯特里（1774年）和瑞典的舍勒（1773年）氧气约早1000年。 我国是“纤维之王”蚕丝的故乡。公元前2000年 中国己经养蚕。公元200年养蚕技术传入日本。 公元前600年中国已掌握冶铁技术，比欧洲早1900多年。公元前200年，中国炼出了球墨铸铁，比英美领先2000年。,三、中国化学史上的“世界第一”,1000多年前中国就能炼锌，早于欧洲400年。 公元前2000年中国已会熔铸红铜 。公元前1700年中国已开始冶铸青铜。公元900多年我国的胆水浸铜法是世界

13、上最早的湿法冶金技术（置换法）。 1700多年前，中国已能炼铅及铜铅合金。 公元前80006000年中国已制造陶器。公元200年中国比较成熟地掌握了制瓷技术 。,三、中国化学史上的“世界第一”,3000多年前我国已利用天然染料染色。 我国是世界上最早发现漆料和制作漆器的国家，约有7000年历史。 公元前40003000年中国已会酿造酒。公元前1000年我国已掌握制曲技术，比欧洲的“淀粉发酵法”制造酒精早2000多年。 3000多年前，我们祖先发现石油。古书载“泽中有火”即指地下流出石油溢到水面而燃烧。宋朝沈括 所著梦溪笔谈第一次记载石油的用途，并预言：“此物必大行于世”。,三、中国化学史上的“

14、世界第一”,世界上最早开发和利用天然气的是中国的四川省邛和陕西省鸿门两地。 我国祖先很早开始使用木炭和石炭（又叫黑炭，即煤），而欧洲人16世纪才开始利用煤。 1939年，中国化工专家侯德榜提出“联合制碱法”，1939年侯德榜完成了世界上第一部纯碱工业专著制碱。 1965年，我国在世界 上第一个用人工的方法合成活性蛋白质结晶牛胰岛素。(由于署名原因，诺贝尔化学奖与国人擦肩而过),三、中国化学史上的“世界第一”,七十年代，中国独创无氰电镀新工艺取代有毒的氰法电镀，是世界电镀史上的创举。 1977年我国在山东发现了迄今为止的世界上最大的金刚石常林钻石。 全世界海盐产量5000万吨，其中我国生产130

15、0多万吨，居世界第一。早在3000多年前，我国就采用海水煮盐了，是世界上制 盐最早的国家。 世界上已知的140多种有用矿，我国都有。是世界上冶炼矿产最早的国家。,三、中国化学史上的“世界第一”,兰州化物所研制的超疏油性材料。 界面超疏水性质在自然中较为常见，科学研究也非常之多，但是超疏油性质却在自然中鲜有发现和较少研究，而疏油涂层具有更广阔的工业应用前景。 此种材料在润滑油密封防爬行、自清洁、微流体油滴控制等领域具有广阔应用前景。,20世纪是化学基础研究和化学工业高速奋进的创新的百年。 从19世纪的经典化学到20世纪的现代化学的飞跃，从本质上说是从19世纪的道尔顿原子论、门捷列夫元素周期律表等

16、在原子的层次上认识和研究化学，进步到20世纪在分子的层次上认识和研究化学。如对组成分子的化学键本质、分子的强相互作用和弱相互作用、分子催化、高分子材料的结构与功能的认识，以至1200多种新化合物的合成。分子生物学在生物分子的结构与功能关系上的研究促进了生命化学的研究和进展。,四、二十世纪化学的回顾,20世纪是化学基础研究和化学工业高速奋进的创新的百年。 另一方面，化学工业给予化学相关的国计民生的各个领域，如粮食、能源、交通、医药、国防以及人们的吃、穿、用、住等，在这100年中的变化是有目共睹的。,四、二十世纪化学的回顾,诺贝尔化学奖情况,从1901年到1999年总计91届，因战争等原因停发8次

17、 学科交叉性很强，有许多非化学家获得化学奖，同时也有许多化学家获得其它奖 年龄最大者83岁，最小的35岁，平均55.5岁，研究成果或者重大发现通常在授奖之前1020年做出的 有机32项，物化26项，无机14项，生化11项，分析6项，高分子4项,四、二十世纪化学的回顾,基础研究的重大突破 放射性和铀裂变的重大发现 化学键和现代量子力学 创造新分子新结构合成化学 高分子科学和材料 化学动力学与分子反应动态学 在化学基础研究推动下化学工业的大发展 石油化工业 三大合成材料 合成氨工业 医药工业,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,放射性和铀裂变 1g铀裂变能量=2.5t标准煤燃烧 居里夫

18、妇发现放射性元素钋和镭，打开了原子物理学的大门，1903年获Nobel物理学奖 居里夫人制备20g金属镭，提倡把镭应用医疗，造福人类。1911年再次被授予Nobel化学奖 英国人卢瑟福从事关于化学元素衰变和放射性物质的化学研究，提出了原子的核式结构模型，并提出了放射性元素的衰变理论，从而获得1908年Nobel化学奖。,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,1935年，居里夫妇的女儿和女婿约里奥-居里夫妇继承父母开创的事业，从事人工放射性研究。用人工方法创造出放射性元素磷，获得Nobel化学奖。 1938年费米（意）获得Nobel物理奖（创造新元素） 1944年哈恩（德）获得Nobe

19、l化学奖（发现重核裂变） 两门学科相互推动才有了突飞猛进的发展，放射性的发现才有了原子物理学以致量子力学和整个微观世界的研究，物理学关于原子结构和量子论的理论研究才使得化学开始真正成为一门现代意义上的科学，而不单纯是实验室的工作。物理学研究原子结构而化学研究原子的组合，是整个二十世纪科学史的主流。,四、二十世纪化学的回顾,化学键和现代量子化学理论 化学键理论的建立和发展主要有三种理论： 鲍林的价键理论 莫利肯的分子轨道理论 贝特德配位场理论 价键理论将量子力学的原理和化学直观经验紧密结合，在经典化学中引入量子力学理论和一系列的新概念，如杂化、共振、键-键、电负性、电子配对等，对当时化学键理论的

20、发展起了重要作用。,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,化学键和现代量子力学 分子轨道理论的出发点，是分子的整体性，重视分子中电子运动状况，以分子轨道的概念来克服价键理论重强调电子配对所造成分子电子波函数难于进行运算的缺点。莫利肯把原子轨道线性组合成分子轨道，可用数学计算并程序化。分子轨道处理的结果与分子光谱数据吻合，因此50年代开始，价键理论逐渐被分子轨道理论所代替。莫利肯因此而获得1966年诺贝尔化学奖。,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,化学键和现代量子力学 量子力学领域的新发展 美国化学家科恩发展了电子密度泛函理论；英国化学家波普尔发展了量子计算化学计算方法。

21、两人获1998年诺贝尔化学奖。 化学键和量子力学理论的发展，使化学家认识了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，如新材料设计、药物设计、物性预测等，这是20世纪化学一个重大突破。,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,1954年鲍林（美）获的Nobel化学奖（化学键本质研究和利用化学键理论阐明物质结构方面的贡献这项工作对于沃森-克里克发现DNA双螺旋结构至关重要，并开拓了分子生物学的研究；1962年又因支持进步事业积极维护世界和平反对战争获得Nobel和平奖） 1966年莫里肯R.S. Mulliken获得Nobel化学奖（用量

22、子力学创立了化学结构的分子轨道理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构）,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,1981年福井谦一（日）霍夫曼（美）共享Nobel化学奖（52年提出的前线轨道理论，分子轨道对称守恒原理2004年另一位日本科学家因为在高分辨质谱研究生物大分子结构方面的贡献获奖，其工作开创于六十年代，几乎没有发表文章） 1988年科恩（美）波普尔（英）共享Nobel化学奖（量子化学领域）,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,1982年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家宾尼和罗雷尔根据量子隧道效应发明了扫描隧道显微镜STM， 横向分辨率0.1nm、纵向分辨率0.

23、01nm 可观察到石墨的六元环结构、DNA的单链结构和双螺旋结构。 能进行单原子操作，实现单原子的移动。,二、古代和近代化学史掠影,1986年诺贝尔物理学奖获得者,Gerd Binnig,Heinrich Rohrer,量子隧道效应,STM,STM,STM,硅表面的电流密度,硅表面的结构,石墨的六元环结构,1989年青年物理学家爱格拉将氙原子排成“IBM”三个英文字母,IBM的实验室用铁原子拼出的汉字“原子”,用STM搬动48个Fe原子到Cu表面上构成的围栏,C60分子算盘,STM针尖操纵C60分子形成纳米算盘的示意图,C60,中国科学家在石墨表面用STM加工得到的中国地图,STM 的科学价值

24、,1. 使人类首次能够真正在实空间“看到”和“触摸”到构成物质世界的最基本的组成单个的原子和分子，极大地提高了人类认识微观世界的能力。 2. 开创了单个原子与分子研究的新纪元,创造新分子新结构合成化学 设计和合成新的分子式合成化学家的首要任务。这100年来有机化学家已经设计和合成了数百万个有机化合物，几乎又创造了一个新的世界；同时还发现了大量的新反应、新试剂、新方法和新理论。这两方面相辅相成。 纵贯20世纪，在有机合成和金属有机化学领域共获得10届诺贝尔化学奖。 1912年格林尼亚（V. Grignard ）获的Nobel化学奖（发明格氏试剂从而开创了有机金属在各种官能团反应的新领域）,四、二

25、十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,1928年A.Windaus合成甾体类生物分子获奖 1937年W.N. Haworth合成抗坏血栓Vc获奖 1947年R. Robinson合成生物碱类分子获奖 1950年狄尔斯-阿尔德获得Nobel化学奖（1928年发现的Diels-Alder双烯合成反应） 1955年Vodu Vigneand合成多肽类分子获奖 1963年德国的齐格勒和意大利的纳塔分享Nobel化学奖（Ziegler-Natta催化剂用于有机金属催化烯烃定向聚合，实现了乙烯的常压聚合和丙烯的定向有规聚合）,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,1965年R.B. Wood

26、ward合成了奎宁、可的松、叶绿素、胆固醇等一系列生物分子而获奖 1973年英国G. Wilkinson和德国E.O. Fischer合成了用作高分子合成催化剂的茂金属化合物对金属有机化学和配位化学的贡献获奖 1979年H.C. Brown（美）和G. Wittig（德）因分别发展了硼有机化合物和Wittig反应共享Nobel化学奖 1984年R.B Merrifield发明固相多肽合成法对有机合成方法学的贡献获奖 1990年E.J. Corey（哈佛大学）提出了“逆合成分析法”促进了有机合成化学的快速发展而获奖,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,高分子科学和材料 1953年德国

27、H. Staudinger因在高分子化学领域的开创性工作获奖（1920年提出高分子概念，创立聚合物分子结构学说，并随后发展了很多内容，但未被承认和重视，随着三大合成高分子材料的生产应用的发展，33年后才得到承认） 1963年德国的齐格勒和意大利的纳塔分享Nobel化学奖（Ziegler-Natta催化剂用于有机金属催化烯烃定向聚合，实现了乙烯的常压聚合和丙烯的定向有规聚合） 1974年Flory在研究高分子性质方面的卓越成就，为发展高分子理论作出的巨大贡献而获奖,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,化学动力学与分子反应动态学 1956年前苏联化学家谢苗诺夫N. Semenov和英国

28、S. Hinchelwood在化学反应机理、反应速度和链式反应的贡献获奖 1967年德国埃根Eigen用驰豫法研究快速反应，英国G. Porter和 R.G.W. Norrish用闪光分解法研究快速反应动力学分享奖项 1986年李远哲、Herschach和J.G. Polany发展交叉分子束技术、红外线化学发光法对微观反应动力学的研究获奖 1999年Zewail用飞秒激光技术研究超快化学反应过程和过渡态而获奖,四、二十世纪化学的回顾,化学基础研究的五大突破,在化学基础研究推动下的化学工业的发展,石油化工 催化剂使石油裂化重整成为现实并大量生产各种产品（依据馏分的成分和沸点不同命名为石油气、石油

29、醚、汽油、溶剂油、航空煤油、煤油、柴油、重油-沥青） 三大合成材料 Carothers发明了世界上第一个合成纤维尼龙-66，J.A. Nieuwland和R.T. Collins发明了世界上第一个合成橡胶氯丁橡胶，美国杜邦公司首先使其工业化 合成氨工业 1909年德国化学家F.Haber实现了合成氨并在1918年获得NObel化学奖，德国BASF公司实现了工业化Bosh领导的科研小组改进了Haber的方法获得1931年的Nobel化学奖 医药工业 1932年德国科学家内科医生G. Domagk发现磺胺类药物有抗细菌感染的能力，并获得1939年Nobel生理及医药奖，并由此引起化学合成药物的热潮

30、,四、二十世纪化学的回顾,生命科学 1953年Nature杂志发表了Watson-Crick用X-ray结构分析确定的DNA双螺旋分子模型，1962年荣获Nobel生理及医药奖。1963年完成了完整的密码子表（核酸碱基序列决定细胞功能的蛋白质）使生命科学有了真正的发展。 需要化学家研究的领域： 发现并研究新的生物活性分子 DNA序列虽然测定已经解决，人类基因组（Human Genome Project，HGP）计划也已经完成，但其功能和作用还几乎属于空白 酶结构和催化功能的关系研究 通过化学方法合成生物活性分子并模拟生命过程和生命体系的合成,五、二十世纪化学的前景展望,学科交叉与热点研究领域,

31、学科交叉与热点研究领域,材料科学 没有化学就没有材料科学，是化学与物理的完美结合 没有化学就没有材料，尤其就没有新的功能材料 美国科学家A. F. Heeger，A. G. Macdiarmid和日本科学家H. Shirakawa因为发现聚乙炔（Polyacetylene）的导电性而获得2000年诺贝尔化学奖，此后又合成了一系列导电高分子材料（结构见下图） 其他如液晶电视（被动显像）、电致发光显示屏（主动显像）、光纤、锂电池、镍氢电池、压电陶瓷等等,五、二十世纪化学的前景展望,五、二十世纪化学的前景展望,环境化学 1995年Nobel化学奖授予M. Molina（墨西哥）、S. Rowland

32、（美）、P. Gutzen（荷兰），因为他们提出了平流层臭氧破坏的化学机制。并且直接导致了南极臭氧洞的发现和蒙特利尔议定书的签订 环境分析化学。没有分析化学家就没有现代的环境科学 大气环境化学 水环境化学 土壤环境化学 元素化学循环 化学污染控制 环境计算化学,学科交叉与热点研究领域,五、二十世纪化学的前景展望,绿色化学 污染和废弃物大都来自化学并且极为迅速的消耗不可再生资源 Green Chemistry的核心就是要利用化学原理从源头消除污染。 绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则，即在获得新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子实现“零排放”。 改造或创新化学反应过

33、程，能源和洁净煤化学技术，资源再生和循环利用，综合利用的绿色化学生化工程 例如：PS聚苯乙烯泡沫生产中用二氧化碳代替氟氯烃、煤电厂采用等离子除硫技术防止二氧化硫排放产生酸雨，等等。,学科交叉与热点研究领域,五、二十世纪化学的前景展望,能源化学 氢能源利用催化剂或微生物光分解水，已经在实验室中实现但是尚不能工业化 燃料电池正负电极采用惰性多孔材料制成，贮存氧气和可燃性气体，通过化学反应直接将化学能转变成电能，其效率可达到80%，实验室样品已经问世 生物质能源 太阳能电池,学科交叉与热点研究领域,五、二十世纪化学的前景展望,计算化学 量子化学 数学化学（含化学计量学、拓扑结构等） 药物设计与对接

34、分子设计与分子模拟 纳米化学 制备技术 功能开发,学科交叉与热点研究领域,五、二十世纪化学的前景展望,手性药物和手性技术 实例 反应停（孕妇镇静剂）R构型无镇静作用却有强烈的致畸性； 乙胺丁醇（抗结核药物）SS构型有效RR构型导致失明； 氯霉素RR构型抗菌性SS构型几乎无活性； 心得安（普萘洛尔，心脏病药物）S构型活性R构型抑制性欲； 萘必洛尔（+）构型治疗高血压（-）构型导致血管舒张； 酮基布洛芬S构型抗炎R构型防治牙周病 1992年FDA规定必须说明对映体的情况。 目前药物80%是手性的，60%是单一对映体的。 由于药物市场的推动，使得手性合成和手性拆分得到巨大发展,学科交叉与热点研究领域

35、,五、二十世纪化学的前景展望,世界药物市场年销售额4000亿美元，国内大部分药物都是仿制药，自行设计和开发的新药只有100余种。在各行业中属于朝阳产业。国外开发一个新药平均需要投入2亿美元，10年时间。 化学为人类进步提供了物质基础，对于许多学科分支的发展起了带头作用，但是其地位和作用一直受到忽视。 没有物理学的完美，没有生物学的神秘，原来是零散的、实验的、经验的和运气的，后来的理论化也是借助于物理学的，现在又被先进仪器和计算机化。 因此合成和分析两大化学手段被认为不是科学而是技术。而在技术领域又实际上被认为是科学，因为化学的研究成果转化为实际产品得到应用，还需要大量的开发性工作。所以化学处在

36、了一个很尴尬的地位。 实际上，没有化学背景的人从事其他相关领域的研究，感觉非常吃力，高度很难冲上去。,五、二十世纪化学的前景展望,21世纪的化学科学在材料、信息、生命和能源四大领域仍能发挥基础作用。 特别是功能材料和分子器件必须有雄厚的化学基础。 但是化学学科始终与其他学科相隔一层无形之物（类似于玻璃）看得见、过不去、连不起。 主要表现在一些基本上还算空白的领域：超分子、生物大分子、分子聚集体、微米亚微米结构、自组装、自聚集、与微环境系统的相互作用、极快和极慢反应过程、生物活性和生物矿化过程等。 这些领域虽然已经被化学家和其他相关领域的专家所认识，并且有一些世界顶级的研究小组在从事相关研究，甚

37、至有些人已经因此获得了Nobel奖，但实在是太肤浅，还没有形成体系。,五、二十世纪化学的前景展望,新世纪化学科学发展战略 化学界目前存在的困惑 化学为人类进步提供了物质基础，对于许多学科分支的发展起了带头作用，但是其地位和作用一直受到忽视。 没有物理学的完美，没有生物学的神秘，原来是零散的、实验的、经验的和运气的，后来的理论化也是借助于物理学的，现在又被先进仪器和计算机化。 因此合成和分析两大化学手段被认为不是科学而是技术。而在技术领域又实际上被认为是科学，因为化学的研究成果转化为实际产品得到应用，还需要大量的开发性工作。所以化学处在了一个很尴尬的地位。,发展趋势和主要问题举例,五、二十世纪化

38、学的前景展望,新世纪化学科学发展战略 化学学科发展与化学分支学科重组的思考 传统划分方法： 无机、分析、有机、物化、高分子 整体化多层次的特性、交叉重组的趋势 新的二级学科： 合成化学：合成方法学、手性合成、模版合成等 分离化学：萃取化学、离子交换、色层分离等 分析化学：电分析、光和波谱分析、化学计量学、在线原位分析等 物理化学：化学热力学、结构、催化、表面/界面化学、超临界等 理论化学：计算化学、量子化学、化学统计学、非线性化学等,发展趋势和主要问题举例,五、二十世纪化学的前景展望,新世纪化学科学发展战略 原始创新是化学学科发展的灵魂 基础研究是人类文明进步的动力，是科技与经济发展的源泉和后

39、盾，是新技术新发明的先导，也是培养人才的摇篮。 基础研究的核心在于创新，而创新就要允许失败 原始创新是科研的灵魂，而创新又不可能脱离原有研究基础，同时也有不同的模式和水平。 真正的创新是很难的，1/3000，模仿+改造 我国一位古代诗人说过“诗有四种高妙。一曰理高妙，二曰意高妙，三曰想高妙，四曰自然高妙。碍而实通，曰理高妙；出自意外，曰意高妙；写出幽微，如清澈见底，曰想高妙；非齐非怪，剥落文采，知其妙而不知其所以妙，曰自然高妙”,发展趋势和主要问题举例,五、二十世纪化学的前景展望,新世纪化学科学发展战略 21世纪化学学科发展的方向 寻求结构多样性的研究与功能研究结合 加强复杂化学体系的研究 重

40、视化学信息学和高效计算机信息处理在化学中的应用 新实验方法的建立和方法学研究 跟踪、分析、模拟化学反应过程,发展趋势和主要问题举例,五、二十世纪化学的前景展望,发展趋势和主要问题举例,21世纪的化学是研究泛分子的科学 一门科学的定义至少有三个属性 整体性和局部性 发展性 定义的多维性 21世纪化学的定义和内涵 化学的一维定义 可分为十个层次：原子、分子片、结构单元、分子、超分子、 高分子、生物分子、纳米分子和纳米聚集体、原子和分子的宏 观聚集体、复杂分子体系及其组装体层次,五、二十世纪化学的前景展望,2. 化学的二维定义 化学是研究X对象的Y内容的科学 3. 化学的三维定义 化学是用Z方法研究

41、X对象的Y内容的科学 4. 化学的四维定义 化学是用Z方法研究X对象的Y内容以达到W目的的 科学,发展趋势和主要问题举例,五、二十世纪化学的前景展望,21世纪化学研究的六大趋势 更加重视国家目标，更加重视不同学科之间的交叉融合 理论和实验更加紧密结合 在研究方法和手段上，更加重视尺度效应 合成化学的新方法层出不穷 分析化学已发展成为分析科学,发展趋势和主要问题举例,五、二十世纪化学的前景展望,21世纪化学的四大难题 化学的第一根本定律化学反应理论和定律 化学的第二根本定律结构和性能的定量关系 纳米尺度的基本规律 活化分子运动的基本规律,发展趋势和主要问题举例,五、二十世纪化学的前景展望,20世纪化学的四大盲点 无机化学中共价键概念被忽视 化学文献和数据的积累非常迅速，但利用这一文献宝库来总结规律的工作相对滞后 分子周期律,发展趋势和主要问题举例,五、二十世纪化学的前景展望,21世纪化学的11个突破口 新的合成方法学 纳米化学、耐米材料和分子器件，纳米表面化学、高效纳米催化剂设计合成及应用 稀土化学 能源科学中的化学问题 生命和医药科学中的化学问题 生态环境科学中的化学