化学学科的发展、现状与未来

1化学学科的发展、现状与未来1化学学科发展的简单回顾2化学学科的内涵及其地位作用321世纪化学学科的发展趋势4化学学科前沿介绍绿色化学超分子化学邵爽浙江教育学院理工学院[e-mail]1358815158621化学学科发展的简单回顾远古的化学——实用技术如：冶金、火药、造纸等。近代化学——基本理论的建立如：质量守恒定律、燃烧学说、阿佛加德罗定律、原子论、分子论、电离学说、酸碱理论等。现代化学——物质结构理论和合成化学如：杂化轨道理论（VB法）、分子轨道理论（MO法）、配位场理论、逆合成、手性合成、绿色化学、组合化学、分子设计等。未来的化学——综合学科发展的科学如：深入研究原子组合分子的方法和技巧;研究分子以上层次的现象;与其他学科渗透、交叉联合;科学—技术—生产、必须创新、理论与实验并驾齐驱、学科界限越来越模糊等。31661年波义耳在其著名论文“怀疑派的化学家”中提出“元素”的概念，从而化学被确定为一门学科。1803年道尔顿提出原子论。1811年阿伏加德罗提出了“分子”的概念。1860年康尼查罗提出了原子--分子论。1870年门捷列夫发现了元素周期律，奠定了化学学科的理论基础。19世纪末化学的重要分支（二级学科）分析化学、无机化学、有机化学和物理化学相继建立，这种分工大大推动了化学研究的深化。20世纪量子力学的诞生，近邻学科特别是物理学、生物学和数学的发展，以及各种新的实验技术及精密仪器的发明和计算机的出现，使化学学科得到迅猛的发展。化学理论发展的重要轨迹41.120世纪化学学科基础研究的重大突破(1)放射性和铀裂变的重大发现1903年居里夫妇因发现了放射性比铀强400倍的钋，以及放射性比铀强200多万倍的镭为此而获得了诺贝尔物理学奖。1911年为表彰居里夫人在发现钋和镭、开拓放射化学新领域以及发展放射性元素的应用方面的贡献，居里夫人被授予了诺贝尔化学奖1908年卢瑟福因从事关于元素衰变和放射性物质的研究,提出了原子的有核结构模型和放射性元素的衰变理论而获得了的诺贝尔化学奖。1935年约里奥-居里夫妇因第一次用人工方法创造出放射性元素而荣获了的诺贝尔化学奖。1938年费米因人工合成了60种新的放射性元素而获得了的诺贝尔物理学奖。1944年哈恩因发现了核裂变现象而获得了诺贝尔化学奖.1942年费米领导下成功的建造了第一座原子反应堆。1945年美国在日本投下了原子弹。5(2)化学键和现代量子化学理论的建立鲍林在化学键本质研究和应用化学键理论来阐明物质结构而获1945年诺贝尔化学奖。经许多化学家近半个世纪的努力，现代量子化学理论不断发展和完善，化学进入实验和理论计算并重的时代。化学家们由浅入深，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。1.120世纪化学学科基础研究的重大突破6(3)创造新物质——合成化学近百年来化学家(特别是有机化学家)已经设计和合成了数千万个化合物，几乎又创造了一个新的自然界；同时还发现了大量的新反应、新试剂、新方法和新理论。1912年格林尼亚因发明格林尼亚试剂，开创了有机金属化合物在各种官能团反应中的新领域而获诺贝尔化学奖。现代有机合成化学是经过20世纪近100年的研究、探索发展到今天已可以合成像海葵毒素(Polytoxin)这样复杂的有机分子(具有64个手性中心的7个骨架内双键的分子，存在271≈2×1021个异构体)。1.120世纪化学学科基础研究的重大突破7OOHOHOHOHHOHOOHMeH2NOHOOOOHOHOHOHHOOOHOHOHOOHHOHOOHOHMeOHOHOHOOHOHOHHOOHOOMeMeMeOHOHOHHOOHOOHOHHOOHOHOHMeMeOHNHOHNOOH海葵毒素的分子结构分子式为C129H223N3O54有64个不对称碳和7个骨架内双键,异构体数目多达271个有机合成杰作1989年美国哈佛大学Kishi宣布全合成64个手性中心2×1021个同分异构体8VB12分子结构R.B.Woodward合成1965年获Nobel化学奖有机合成杰作9药物合成——抗生素NHNHSCO2HOCH2COPenicillinGNHNHSCO2HOCHCOH2NAmpicillinNHNHSCO2HOCHCOH2NHOAmoxicillin随即筛选分子设计1020世纪合成化学的辉煌成就11(4)高分子科学的建立和发展20世纪的人类社会文明的标志之一是合成材料的出现。1953年H.Staudinger因提出了高分子这个概念，创立了高分子链型学说建立了高分子粘度与分子量之间的定量关系，从而获得了的诺贝尔化学奖。1963年Ziegler和Natta因发现了配位聚合反应和实现了丙烯的定向聚合而共获了诺贝尔化学奖。1974年Flory因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖。三大传统合成材料塑料橡胶纤维新型功能材料光电材料信息储存材料光导纤维超导……1.120世纪化学学科基础研究的重大突破12(5)化学动力学与分子反应动态学的发展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。1956年由前苏联的谢苗诺夫和英国的欣歇尔伍德在化学反应机理、反应速度和链式反应方面的开创性研究而获诺贝尔化学奖。同时研究快速反应的技术得到发展，现在可以研究十亿分之一秒内发生的化学反应。美籍华人化学家李远哲及美国化学家赫希巴赫首先研制成功能获得各种态信息的交叉分子束实验装置，从微观角度来认识化学反应，发展了分子反应动态学，亦称态--态化学，对化学反应的基本原理做出了重要突破。(荣获1986年诺贝尔化学奖)。1.120世纪化学学科基础研究的重大突破13关于化学反应的历程的重要研究成果……1956年Semenov和Hinchelwood在化学反应机理、反应速度和链式反应方面的开创性研究获得了诺贝尔化学奖。1967年EigenPorter和Norrish因发展了闪光光解法技术用于研究发生在十亿分之一秒内的快速化学反应，对快速反应动力学研究作出了重大贡献，三人共获了诺贝尔化学奖。1986年李远哲、Herschbach和Polany因发明了获得各种态信息的交叉分子束技术，并利用该技术F+H2的反应动力学（态－态化学），对化学反应的基本原理作出了重要贡献，为此共获了诺贝尔化学奖。1999年Zewail因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝尔化学奖。……14飞秒化学飞秒化学是研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。这一领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒，即1飞秒。1s(s,秒)=103ms(毫秒)=109ns(纳秒)＝1015fs(femtosecond飞秒)飞秒化学的技术基础——飞秒激光。不同波长的激光可以选择性地激发和检测不同的分子，或者同一分子的不同内部能量状态，或量子态分布。从分子的角度来说，化学反应的本身就是分子体系的波函数随时间的变化，在势能面上运动的过程。实验上，通过观察在不同时刻体系的性质，就可以得到这种演化的图像，从而理解反应的具体动力学过程。由于分子内部、化学反应过程中及凝聚相中分子间相互作用过程是在非常短的时间里发生的，比如说，化学反应过渡态的寿命一般只有几十飞秒，所以必须在飞秒的时间尺度上对化学反应过程进行检测。也就是说，要象照相一样，要用足够短的“快门”，来捕捉分子运动和变化的瞬间行为的信息。15(6)分析科学的发展20世纪70年代，生命科学、信息科学和计算机技术的发展，使分析化学进入了崭新阶段，它不只限于测定物质的组成和含量，而要对物质的状态(氧化．还原态、各种结合态、结晶态)、结构(一维、二维、三维空间分布)、微区、薄层和表面的组成与结构以及化学行为和生物活性等做出瞬时追踪，无损和在线监测等分析及过程控制，甚至要求直接观察原子和分子的形态与排列。分析化学成为一门仪器装置和测量的科学。1990年开始的人类基因组计划(HGP)中，由于DNA测序技术不断推陈出新，从板凝胶电泳到凝胶毛细管电泳、线性高分子溶液毛细管电泳、到阵列毛细管电泳，直至全基因组鸟枪测序技术。终于使人类基因组计划提前到2001年完成。分析化学在推进人们弄清环境和生命有关的化学问题中起着关键作用。1.120世纪化学学科基础研究的重大突破光谱：原子吸收、原子发射波谱：红外光谱、紫外光谱核磁共振、质谱能谱：电子能谱色谱：气相色谱、液相色谱X-射线衍射：单晶、粉末16(7)生命科学生物小分子化学，蛋白质化学核酸化学，糖化学蛋白质的化学结构：一级结构,二级结构,三级结构,四级结构氨基酸序列分析仪酶的化学酶催化的机理化学模拟生物合成与生物转化核酸的化学DNA双螺旋结构的发现（Watson-Crick获1962年诺贝尔医学或生理学奖)碱基配对原则DNA的复制基因表达遗传密码的发现中心法则1.120世纪化学学科基础研究的重大突破17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诺贝尔化学奖1955年首次合成多肽激素催产素和加压素，获1955年诺贝尔化学奖；1960年成功地测定了鲸肌红旦白和马血红蛋白的空间结构，获1962年诺贝尔化学奖；1980年P.Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在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共获诺贝尔化学奖。1982年A.Klug因发明“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。1993年M.Smith因发明寡核苷酸定点诱变法以及K.B.Mullis因发明多聚酶链式反应技术对基因工程的贡献而共获诺贝尔化学奖。化学在生命科学领域的重要研究成果18DNA19蛋白酶的一种——胰蛋白酶的结构和排列顺序示意图201965年9月，我国科学家汪猷帅上百位化学工作者经过6年多坚持不懈的努力，获得了人工全合成牛胰岛素晶体。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。两条肽链:A链21个氨基酸残基,B链30个残基,分子量5700道尔顿,1953年确定全部化学结构.1965年我国的人工合成牛胰岛素211.220世纪化学工业的大发展(1)石油化工成为支柱产业20世纪30年代催化剂进入石油化工，催化动力学的发展及催化剂的作用使石油的各种馏分成为各种不同用途的化工产品，石油化工迅速发展，已成为世界经济发展中占重要地位的工业领域。世界化工总产值中80％以上的产品与石油化工有关。22(2)三大合成材料时代20世纪前半叶，由于基础化学中的高分子化学的兴起和发展，逐步形成了塑料、纤维、橡胶三大合成材料工业。到20世纪末，世界年产合成橡胶能力已1200万吨，合成纤维达1500万吨，合成塑料已超过6000万吨。以塑料为主体的三大合成材料，以体积计算其世界总产量已超过全部金属的产量，所以有人称20世纪为聚合物时代。1.220世纪化学工业的大发展23(3)化肥（农药）工业的巨大作用20世纪面临人口大幅度增长和粮食需求迅速增加的局面。在解决这一困难中，化肥起了重要作用。其中氮肥的生产关键问题是如何利用大气中的氮大规模合成肥料。1909年德国化学家哈伯用锇作催化剂成功地建立了每小时产生80克氨的实验装置。哈伯因此而荣获1918年诺贝尔化学奖。1931年德国博施建成第一个用铁催化剂的合成氨工厂日产量为30吨。(荣获1931年诺贝尔化学奖)。60多年来，不断对合成氨工艺进行改进并引入现代化工技术。我国是农业大国，肥料是增产的关键措施。目前已达年产2000万吨的规模，占世界第二位。1.220世纪化学工业的大发展24(4)医药工业的大发展20世纪人类寿命显著延长，70岁以上的老人比例显著提高，估计20世纪人类平均寿命增加30岁左右。人类寿命延长的原因之一是医疗条件的改善，其中针对人类常见病、多发病的新药的研制成功是关键因素。医药工业的发展与化学紧密相关。化学合成药在医学工业中占主导地位。磺胺药是第二次世界大战前惟一有效的抗细菌感染的药物。Domagk因此而在1939年荣获诺贝尔生理及医药奖。磺胺类药物的问世标志着化学疗法方面的