化学学科发展前沿.doc

1当代无机化学发展前沿【论文摘要】:无机化学是化学学科里其它各分支学科的基础学科，在近年来取得较突出的进展，主要表现在固体材料化学、配位化学等方面。未来无机化学的发展特点是各学科交叉纵横相互渗透，用以解决工业生产与人民生活的实际问题。文章就当代无机化学研究的前沿与未来发展趋势做了简要阐述。当前无机化学的发展趋向主要是新型的无机化合物的合成和应用，以及新的研究领域的开辟和建立。因此21世纪理论与计算方法的运用将大大加强理论和实验更加紧密的结合。同时各学科间的深入发展和学科间的相互渗透，形成许多学科的新的研究领域。例如，生物无机化学就是无机化学与生物学结合的边缘学科；固体无机化学是十分活跃的新兴学科；作为边沿学科的配位化学日益与其它相关学科相互渗透与交叉。根据国际上最新进展和我国的具体情况,文章就“无机合成与制备化学研究进展”和“我国无机化学最新研究进展”两个方面进行阐述：一、无机合成与制备化学研究进展无机合成与制备在固体化学和材料化学研究中占有重要的地位,是化学和材料科学的基础学科。发展现代无机合成与制备化学,不断地推出新的合成反应和路线或改进和绿化现有的陈旧合成方法,不断地创造与开发新的物种,将为研究材料结构、性能(或功能)与反应间的关系、揭示新规律与原理提供基础。近年来无机合成与制备化学研究的新进展主要表现为以下几个方面：（一）极端条件合成在现代合成中愈来愈广泛地应用极端条件下的合成方法与技术来实现通常条件下无法进行的合成,并在这些极端条件下开拓多种多样的一般条件下无法得到的新化合物、新物相与物态。超临界流体反应之一的超临界水热合成就是无机合成化学的一个重要分支。（二）软化学合成与极端条件下的合成化学相对应的是在温和条件下功能无机材料的合成与晶化,即温和条件下的合成或软化学合成。由于苛刻条件对实验设备的依赖与技术上的不易控制性,减弱了材料合成的定向程度。而温和条件下的合成化学——即“软化学合成”,正是具有对实验设备要求简单和化学上的易控性和可操作性特点,因而在无机材料合成化学的研究领域中占有一席之地。（三）缺陷与价态控制缺陷与特定价态的控制是固体化学和固体物理重要的研究对象,也是决定和优化材料性能的主要因素。材料的许多性质如发光、导电、催化等都和缺陷与价态有关。晶体生长行为和材料的反应性与缺陷关系密切,因此,缺陷与价态在合成中的控制显然成为重要的科学题。缺陷与特定价态的生成和变化与材料最初生成条件有关,因此，可通过控制材料生成条件来控制材料中的缺陷和元素的价态。（四）计算机辅助合成计算机辅助合成是在对反应机理有了了解的基础上进行的理论模拟过程。国际上一般为建立与完善合成反应与结构的原始数据库,再在系统研究其合成反应与机理的基础上,应用神经网络系统并结合基因算法、退火、monte2carlo优化计算等建立有关的合成反应数2学模型与能量分布模型,并进一步建立定向合成的专家决策系统。（五）组合化学组合化学是利用组合论的思想和理论,将构建单元通过有机/无机合成或化学法修饰,产生分子多样性的群体(库),并进行优化选择的科学。组合化学用于合成肽组合库,也称组合合成、组合库和自动合成法。组合方法同时用n个单元与另外一组n′个单元反应,得到所有组合的混合物,即n+n′个构建单元产生n×n′批产物。（六）理想合成理想合成是从易得的起始物开始,经过一步简单、安全、环境友好、反应快速、100%产率获得目标产物。趋近理想合成策略之一是开发一步合成反应，如富勒烯及相关高级结构的合成,从易得的石墨出发,只需一步反应即得到目标产物,产率44%。趋近理想合成策略之二为单元操作。相对复杂的分子,如药物、天然产物的合成,需要多步反应完成。在自然界里,生物采取多级合成的策略,在众多酶的作用下,用前一步催化反应的产物作为后续反应的起始物,直至目的产物的生成。（七）仿生合成仿生合成无论从理论还是从应用上都将具有非常诱人的前景。无机合成与制备化学在生物矿化、有机/无机纳米复合、无机分子向生物分子转化等研究领域发挥重要作用。用一般常规方法难于进行的非常复杂的合成如何利用生物合成将其变为高效、有序、自动进行的合成。例如生物体对血红素的合成可以从最简单的酪氨酸经过一系列酶的作用很容易地合成出结构极为复杂的血红素。因此,仿生合成将成为21世纪合成化学中的前沿领域。二、我国无机化学研究最新进展近几年我国无机化学基础研究取得突出进展，成果累累，主要在以下几个方面取得了令人瞩目的成绩：(1)中科大钱逸泰、谢毅研究小组在水热合成工作的基础上，在有机体系中设计和实现了新的无机化学反应，在相对低的温度下制备了一序列非氧化物纳米材料。溶剂热合成原理与水热合成类似，以有机溶剂代替水，在密封体系中实现化学反应。他们在苯中280度下将gacl3和li3n反应制得纳米gan的工作发表在science上。(2)吉林大学冯守华、徐如人研究组应用水热合成技术，从简单的反应原料出发成功地合成出具有螺旋结构的无机-有机纳米复合材料，m（4，4'-bipy）2(vo2)2(hpo4)4(m=co;ni)。在这两个化合物中，po4四面体和vo4三角双锥通过共用氧原子交替排列形成新颖的v/p/o无机螺旋链。(3)南京大学熊仁根、游效曾等在光学活性类沸石的组装及其手性拆分功能研究方面设计和合成具有手性与催化功能的无机有机杂化多维结构，他们改性了光学活性的天然有机药物（奎宁），以它作为配体同金属离子自组装构成了一个能进行光学拆分消旋2-丁醇和3-甲基-2-丁醇，拆分率达98﹪以上的三维多孔类沸石。(4)中国科学院福建物质结构研究所洪茂椿,吴新涛等在纳米材料和无机聚合物方面的工作引起国内外同行的广泛重视。他们成功地合成纳米金属分子笼（nanometer-sizedmetallomolecularcage）,还成功的构筑了一个新型的具有纳米级孔洞的类分子筛[{zn4(oh)2(bdc)3}.4(dmso)2h2o]n，其中孔洞的大小近一纳米。在金属纳米线和金属-有机纳米板的合成和结构的研究成果斐然。设计合成了一些金属纳米线，金属-非金属纳米线和金属有机纳米板。(5)北京大学高松研究小组在磁分子材料的研究方面取得了突出成果。在水溶液中以1：1：1的摩尔比缓慢扩散k3[m（cn）6]（m=fe3+，co3+），bpym(2,2'-bipyrimidine)和nd(no3)3,3合成了第一例氰根桥联的4f-3d二维配位高分子[ndm(bpym)(h2o)4(cn)6]。3h2o，24个原子形成的二维拓扑结构。(6)清华大学李亚栋研究组在新型一维纳米结构的制备、组装方面取得了突出的进展。李亚栋课题组首次发现了由具有准层状结构特性的金属铋形成的一种新型的单晶多壁金属纳米管，有关研究成果在美国化学会志上（j.am.chem.soc.123(40),9904-9905,2001）报道。这是国际上首例由金属形成的单晶纳米管，铋纳米管的发现为无机纳米管的形成机理和应用研究提供了新的对象和课题。面对生命科学、材料科学、信息科学等其他学科迅速发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求，化学在不断地创造出新的物质和品种来满足人民的物质文化生活，造福国家，造福人类。当前，资源的有效开发利用、环境保护与治理、社会和经济的可持续发展、人口与健康和人类安全、高新材料的开发和应用等向我国的科学工作者提出一系列重大的挑战性难题，迫切需要化学家在更高层次上进行化学的基础研究和应用研究，发现和创造出新的理论、方法和手有机化学的发展前沿和研究热点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。其中有些因具有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行业中，直接或间接地为人类提供了大量的必需品。与此同时，人们也面对着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，有机化学将使人类优化使用有机物和有机反应过程，有机化学将会得到更迅速的发展。有机化学的迅速发展产生了不少分支学科，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。下面介绍其中的一部分分支学科，使我们了解有机化学的发展前沿和研究热点。（1）有机合成化学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。1828年德国化学家维勒用无机物氰酸铵的热分解方法，成功地制备了有机物尿素，揭开了有机合成的帷幕。100多年来，有机合成化学的发展非常迅速。有机合成发展的基础是各类基本合成反应，不论合成多么复杂的化合物，其全合成可用逆合成分析法（RetrosynthesisAnalysis）分解为若干基本反应，如加成反应、重排反应等。每个基本反应均有它特殊的反应功能。合成时可以设计和选择不同的起始原料，用不同的基本合成反应，获得同一个复杂有机分子目标物，起到异曲同工的作用，这在现代有机合成中称为“合成艺术”。在化学文献中经常可以看到某一有机化合物的全合成同时有多个工作组的报导，而其合成方法和路线是不同的。那么如何去评价这些不同的全合成路线呢?对一个全合成路线的评价包括：起始原料是否适宜，步骤路线是否简短易行，总收率高低以及合成的选择性高低等。这些对形成有工业前景的生产方法和工艺是至关重要的，也是现代有机合成的发展方向。（2）金属有机化学和有机催化金属有机化学在20世纪有机化学中是最活跃的研究领域之一，其中特别是与有机催化联系在一起。均相催化使有机化学、高分子化学、生命科学及现代化学工业发展到一个新的水平。金属有机化学使人们认识到无机化学和有机化学交叉产生的金属有机化学会产生如此巨大的活力和作用；同时还发现许多金属有机化合物在生物体系内有重要的生理功能，如维生素B12，引起了生物学界的关注。由于金属有机化学的本身结构和功能的特殊性，以及广泛的应用前景，它在21世纪将有更大的发展。4含有碳-金属键的化合物种类甚多，至今还有不少元素周期表上的金属元素尚无合成的金属有机化合物。因此，金属有机化合物的合成方法有待进一步研究和深入。如1849年就制得乙基锌〔Zn（C2H5）2〕，发现它有极好的反应性能；以后才相继制得含锂、钠、钾、镁、铝、汞、锡等的金属有机化合物。但直到20世纪50年代才发展到主族元素和过渡元素的金属有机化合物。金属有机化合物的结构和性能关系是一个很广泛和重要的研究领域。如茂金属催化剂，它是烯烃聚合反应的新型催化剂；现在又发现二茂铁可做燃烧催化剂。应用金属有机化合物作为光学材料、电子材料和医药也是正在开发的领域。在21世纪将会发现更多具有各种特殊功能、可用作功能材料的金属有机化合物。金属有机化合物在有机合成的均相催化反应中起着十分重要的作用。往往在金属有机化合物催化下产生一系列的有机合成反应。各种金属有机化合物的催化活性是不同的，将其应用于有机合成中将会产生各种不同的反应。有机反应催化剂的研制趋势是模拟那些能起催化反应的酶。这些模拟酶的选择性催化剂将在化学合成中呈现日新月异的新局面，故有的诺贝尔化学奖获得者称其为化学酶。（3）天然有机化学天然有机化学是研究来自自然界动植物的内源性有机化合物的化学。大自然创造的各种有机化合物使生物能生存在陆地、高山、海洋、冰雪之中。发掘和认识自然界的这一丰富资源是世界发展和人类生存的需要，是有机化学主要研究任务之一，也是认识世界的基础研究。从事天然产物化学研究的目的是希望发现有生理活性的有效成分，或是直接用于临床药物和用于农业作为增产剂和农药，或是发现有效成分的主结构作为先导化合物，进一步研究其各种衍生物，从而发展成一类新药、新农药和植物生长调节剂等。对于自然界的天然产物，有机化学家和药物化学家长期以来一直对它具有广泛的兴趣，并从中已经获得了许多新药和先导化合物。（4）物理有机化学物理有机化学研究有机分子结构与性能的关系，研究有机化学反应机理及用理论计算化学的方法来理解、预见和发现