展望21世纪的化学

1、展望21世纪的化学(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

2、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

3、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

4、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

5、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、

6、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

7、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

8、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 220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

9、 (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

10、(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

11、 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?

12、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

13、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

14、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1999a.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1998w.kohnj.a.pople美国英

15、国7573发展了电子密度泛函理论发展了量子化学计算方法1997j.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1996r.f.curlr.e.smalleyh.w.kroto美国美国英国585357发现c601995m.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1994g.a.olah美国67碳正离子化学的研究1993m.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

16、链式反应技术对基因的贡献1992r.a.marcus美国69电子转移反应理论1991r.r.ernst瑞士58高分辨核磁共振谱法的发展1990e.j.corey美国62有机合成的逆合成分析法1989t.cechs.altman美国美国4150ribozyme（核糖核酸酶）的发现1988j.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1987c.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.he

17、rschbachj.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1985h.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1984r.b.merrifield美国63发明了固相多肽合成法1983h.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1982a.klug英国56创造了“象重组”技术，揭示病毒结构1981kenich 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1980p.

18、bergf.sangerw.gilbert美国英国美国546248dna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1979h.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1978p.mitchell英国58用化学渗透理论研究生物能的转换1977i.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1976w.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1975jwcornforthvprelog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

19、学研究1974pjflory美国64高分子物理化学理论和实验力面的基础研究1973g，wilkinsoneofischer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1972c.banfinsensmoorew. hstein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1971gherzberg加拿大67分子光谱学和自由基电子结构的研究1970lfleloir阿根廷64在糖生物合成中发现了糖核苷酸的作用1969dhrbartonohassel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1968lonsager美国65不可逆过程热力学研究196

20、7meigenrgwnorrishgporter德国英国英国407047用弛豫法、闪光光解法研究快速化学反应1966rsmulliken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1965rbwoodward美国48在天然有机化合物的合成方面作出重大贡献1964dchodgkin英国54重要生物大分子的结构测定1963kzieglergnatta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1962mfperutzj. c. kendrew英国英国4845研究蛋白质结构的杰出贡献1961mcalvin美国50研究植物中co2进行的光合作用196

21、0wflibby美国52发明了14c测定地质年代的方法1959jheyrovsky捷克69发明极谱分析法1958fsanger英国40对蛋白质结构特别是胰岛素结构的测定1957atodd英国50对核苷酸和核苷酸辅酶的研究1956cn. hinchelwoodnsernenov英国前苏联5960对化学反应机理和链式反应的研究1955vdu 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1954lpauling美国53对化学键本质的研究并用于阐明复杂物质的结构1953hstaudinger德国72高分子化学方面的杰出贡献1952ajpmartin rlmsynge英国

22、英国 4238发明分配色层分析法1951emmcmillan gseaborg美国美国44 39发现超铀元素1950odielskalder德国德国7448发现了双烯合成反应，即diels- alder反应1949wfgiaugue美国54对化学热力学特别是超低温下物质性质的研究1948awktiselius瑞典46对电泳和吸附分析的研究，发现了血清蛋白1947rrobinson英国61对生物活性的植物成分研究，特别是生物硷研究1946jb. sumnerjhnorthropwmstanley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1945ajvirtarnen荷兰50

23、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1944ohahn德国65发现重核裂变1943gheresy匈牙利57利用同位素示踪研究化学反应1942无1941无1940无1939afjbutenandtlruzicka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1938rkuhn德国38维生素和类胡萝卜素研究1937wnhaworthpkarrer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1936pdebye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1935fjoliot-curieijoliot-cude法国法国353

24、8合成了新的人工放射性元素1934hcurey美国 41发现重水和重氢同位素1933无1932jlangmuir 美国51表面化学研究1931c.bosch f.bergius德国德国5747发明和发展了化学高压法1930hfischer德国49血红素和叶绿素的结构研究，合成了高铁血红素1929a.hardenhvon euler-chdvin英国法国6456糖的发酵和酶在发酵中作用的研究1928a.windaus法国52甾醇的结构测定和维生素d3合成1927hwiehnd德国50发现胆酸及其化学结构1926 tsvedberg瑞士42发明超迷离心机并用于高分散胶体物质研究1925rzsigm

25、ondy德国60对胶体化学研究的卓越贡献1924无1923fpregl奥地利54确定有机化学微量分析方法1922fwaston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1921fsoddv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1920wnernst德国56热化学研究1919无1918fhaber德国50氨的合成1917无1916无1915rwillstatter德国43对叶绿素和植物色素的研究1914th.richards美国46 精密测定了许多元素的原子量1913awether瑞士47金属络合物的配位理论1912vgrignardpsabatier法国

26、法国4158格林尼亚试剂的发明有机化合物的催化加氢1911mcurie波兰44发现放射性元素钋和镭1910owallach德国63对脂环族化合物的开创性研究1909wostwald德国56催化研究，电化学和化学反应动力学的研究1908erutherford英国37元家嬗变和放射性物质的化学研究1907ebuchner德国47发酵的生物化学研究1906hmoissan法国54制备单质氟，发展了一种高温反射电炉1905avon baever德国70对有机染料和氢化芳香化合物的研究1904wramsay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1903sarrhenius瑞典44电

27、离理沦1902e. fisher德国50糖类和嘌呤化合物的合成1901jhvant 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fjoliot-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

28、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

29、，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

30、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

31、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

32、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 awerner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

33、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

34、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，w

35、ade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ncp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wnlipscomb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

36、超导材料 众所周知，超导现象是1911年hkonnes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 jgbednorz和kamueller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

37、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2

38、0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

39、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

40、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5771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

41、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

42、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。rjpwilliam

43、s，d. dperrin，kbyatzimirskii，drwilliams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

44、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

45、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

46、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

47、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

48、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

49、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)