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生活中的有机化学授课人：陈贻炽材料学院应用化学系参考书目1.王夔主编，生命科学中的化学问题，北京大学出版社，1990。2.曾昭琼编，有机化学发展小史，高等教育出版社，1992。3.孙履厚主编，精细化工的开发与设计，中国石化出版社，1996。4.刘国杰主编，特种功能性涂料，化学工业出版社，2002。3.孙履厚主编，精细化工新材料与技术，中国石化出版社，1998。1.概述有机化学是一门非常重要的科学，它和人类生活有着极为密切的关系。人体本身的变化就是一连串非常复杂、彼此制约、彼此协调的有机物质的变化过程，人们对有机物的认识逐渐由浅入深，将它变成一门重要的科学。最初，有机物是指由动植物有机体得到的物质，例如糖、染料、酒和醋等。据我国【周礼】记载，当时已设专官管理染色、酿酒、和制醋工作；周王时代已知用胶；汉朝时代发明了造纸，在【神农本草经】中记载有几百种重要药物，其中大部分是植物，这是世界上最早的一部药书。人类使用有机物虽有很长的历史，但这些物质都是不纯的，对于纯物质的认识和获取是较近代的事情。在1769－1785年间，取得了许多有机酸，例如从葡糖汁中提取酒石酸，从柠檬汁中提取柠檬酸，从尿中提取尿酸，从酸牛奶中提取乳酸。1773年从尿中提取了尿素，1805年从鸦片中提取了第一个生物碱－吗啡。虽然人们制备了不少纯的有机物，但关于它们的内部组成和结构分析问题，却长期没有得到解决。这是由于一种错误的燃素学说统治了当时化学界的思想，任务燃烧的起因是由于物质中含有一种不可捉摸的燃素引起的。拉瓦锡(LavoisierA)首次弄清了燃烧的概念(1772-1777)认识到，燃烧时物质和空气中的一种物质－氧结合。他继而研究了分析有机物的方法，将有机物放在一个用水银密封的装有氧或空气的玻璃钟罩内进行燃烧，发现所有的有机物燃烧后，都产生二氧化碳和水，它们必然都含有碳和氢。有些有机物在没有空气的情况下，也可进行燃烧，而产物也是水和二氧化碳，所以，这些有机物含有碳、氢、氧；有些有机物燃烧时还产生氮，所以那时认为大部分有机物的组分是碳、氢、氧、氮等。化学家柏则里(BerzeliusJ)首先于1806年引用了有机化学这个名字，以区别于其它矿物质的化学－无机化学。当时将这两门化学分开的另一原因是那时已知的有机物都是从生物体内分离出来的，还没有从实验室中合成，因此，柏则里认为有机物只能在的细胞中受一种特殊力量－生活力－的作用才会产生出来，人工合成是不可能的。1828年魏勒(WöhlerF)发现无机物氰酸铵很容易转变为尿素，后来人工合成了更多有机物，如1845年柯尔伯(KolbeH)合成了醋酸，1854年柏赛罗(BerthelotM)合成了油脂等，“生活力”学说才被彻底否定了。从此，有机化学进入了合成的时代。1850－1900年，成千上万的药品、染料是从煤焦油中获得的化合物为原料合成的。长期以来，人们从自然界索取原料，并不断改进加工手段，使生活水平随之提高。自从有机化学成为一门科学以来，人们了解了分子的结构、性能、合成出各种各样有用的物质，这种根据一定的结构建立有机分子的手段称为有机合成。人们今天的物质生活中，几乎离不开有机物了，。例如100多年前，染料来自动植物，自从发现煤焦油以后，在很短的时间内合成出千百种鲜艳的产品代替了天然染料；目前新兴的石油工业将来源丰富的石油转化为众多的化工材料和产品；绝大多数西药是通过各种途径合成的有机物；我国资源丰富的中草药，长期以来用于治疗各种疾病，有机化学工作者通过提取、分离，搞清楚其有效充分，以便达到更有效的合成目的；农业上使用的肥料、植物生长激素、除草剂、杀虫剂、昆虫信息激素等，都是合成的有机物；香料工业中很多合成香料已代替天然香料，还合成了很多种新型香料；感光材料如彩色胶卷中使用的染料，液晶显示的材料都是有机物。本世纪40年代新兴的从简单有机物合成高分子化合物的技术，使人类开始进入了征服材料的时代，目前世界上合成的高分子化合物如合成纤维已经超过了天然生产的棉、毛、丝、麻，合成橡胶已超过天然橡胶，塑料制品到处可见。人类重要的食物如蛋白质、淀粉是一类天然的生物高分子，目前对这类物质的合成还无能为力。我国1965年合成了一个相对分子质量较小的蛋白质－胰岛素，在人类认识生命的过程中起着很大的作用。因为人体内有多种蛋白质和其它生物分子控制着生命现象，例如遗传、代谢等，胰岛素的合成意味着人类在对生命探索的长途上迈开了一小步。有机化学与生物学、物理学等科学密切配合，预计将来在征服疾病如癌症、精神病、控制遗传、延长人类的寿命等方面起巨大作用。2.新兴的精细化工工业化学工业属于材料工业。起初，人们将化工产品分为一般规格产品和特殊规格产品两大类。一般规格产品指通用材料，这类材料品种不多，主要要求能够大量而廉价地连续供应，并且便于加工，只要质量符合一般通用规格即可，并不强调具有特殊功能。特殊规格产品指适合专门用途的材料，这类材料的品种越来越多，虽然对单一品种的需求量不太大，但要求品种齐全，具有独特的专门功能。通用材料提供的是物质的数量，特殊材料主要提供的是物质的功能。由于要达到质量和性能特殊，必须经过细致的加工，所以，日本将以功能为主的化工产品称为精细化学品，而欧美称它为专用化学品。我国参照日本的说法，称之为精细化工产品。社会对通用材料的需求是有限的。它的品种不多，档产量达到一定的人均消费水平以后，就不会有较大的增长。可是社会对功能材料的需求是无限的。随着社会生产和人们生活的高档化，通用材料已经成为人们的最低需求，而功能材料则成为人们追求的重点，日益要求其品种的多样化，功能理想化，质量精细化，以适应各方面的要求。1980年代以来，世界上的化工发达国家纷纷由重点发展基础化工转向重点发展精细化工。一些原有的精细化工门类开始采用高新技术取得了新的突破，一些新兴的精细化工门类应运而生。下面列出了精细化工门类：1.溶剂与通用中间体，2.染料及其中间体，3.医药，4.农药，5.香料，6.化妆品，7.芳香除臭剂，8.食品添加剂，9.饲料添加剂与兽药，10.保健食品，11.高分子絮凝剂，12.涂料，13.油墨，14.胶粘剂，15.脂肪酸，16.肥皂，17.表面活性剂，18.合成洗涤剂，19.塑料增塑剂，20.塑料稳定剂，21.其它塑料添加剂，22.橡胶添加剂，23.燃料油添加剂，24.润滑剂及其添加剂，25.纤维用化学品，26.皮革用化学品，27.造纸用化学品，28.汽车用化学品29.功能高分子，30.生物工程，31.酶制剂，32.成像材料，33.催化剂，34.合成沸石分子筛，35.稀有气体，36.稀有金属，37.储氢合金，38.非晶态合金，39.精细陶瓷，40.无机纤维，41.炭黑，42.颜料，43.试剂，44.火药和推进剂，45.金属表面处理剂，46.工业用杀菌防霉剂，47.混凝土添加剂，48.水处理剂，49.电子工业用化学品。这里介绍其中的两大类精细化学品：功能高分子材料和特种功能性涂料。3.功能高分子材料3.1概述高分子材料可分为两类，一类是结构材料，例如塑料、橡胶、纤维等，要求具有一定的物理机械性质和较好的加工性能，主要用于制造构件和日用品。另一类是功能高分子材料，，例如感光高分子、导电高分子、分离膜等，要求在一定条件下具有化学或物理的“功能”，主要用于高新技术领域。也有人将功能高分子称为精细高分子。功能的基础是物理性质，高分子材料本身就具有一些特殊的物性。功能大体分为物理功能、化学功能和生体功能三类。功能化的方法包括物理方法和化学方法两种。例如，将材料加工成微球、多孔颗粒、超薄膜、空心纤维、和复合材料等都属于物理方法；在分子中引入功能性基团、进行共聚以及合成超高分子量聚合物则属于化学方法。实际往往是二者并用。最早的功能高分子是离子交换树脂，出现于1945年，当时还没有功能高分子这个名称。以后经过50年的研究和开发，到目前已经工业化和实际应用的功能高分子有离子交换树脂、螯合树脂、氧化还原树脂、感光树脂、射线敏感树脂、高分子固定化酶、可降解薄膜、介电高分子、压电高分子、高分子吸附剂、高分子絮凝剂、高分子表面活性剂、高分子染料和颜料、高分子稳定剂、高吸水性树脂，以及部分医用高分子、功能膜、功能电极等。但这些不过是已开发的功能高分子的一部分，还有很多品种正在开发中。3.2以化学功能为主的功能高分子3.2.1离子交换树脂离子交换树脂是以三维网状结构的高分子为基体，不溶于水和有机溶剂，而且有可进行离子交换的官能团的物质。本来，离子交换现象普遍存在于土壤中。1850年人们第一次提出离子交换的概念，以后又发现天然的沸石和用硫酸处理过的煤(磺化煤)具有离子交换的能力。1935年，用苯酚磺酸与甲醛缩合制备了碎片状的离子交换树脂，但很不实用。到1945年美国通用电器公司的D’Alelio才发明了以苯乙烯和二乙烯基苯的球状共聚物为基体的离子交换树脂，成为当今的主流。如上所述，离子交换树脂已有50年以上的历史，关于离子交换树脂的资料已有很多，以下扼要介绍它的分类和用途。分类：离子交换树脂分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和特种离子交换树脂。用途：a.水的软化和纯化锅炉用水常用强酸性阳离子交换树脂将水中的钙、镁离子交换掉，然后再让水流过阴离子交换树脂将阴离子交换掉。也有使用阴阳离子混合交换柱的。经多次处理后，水的电阻率达到20MΩcm以上，可供电子和原子能工业应用。b.铀和稀土元素的提取与分离铀矿一般当时贫矿，过去用磷酸三丁酯三辛胺提取，现在都改用离子交换法。该法是先用硫酸或纯碱处理铀矿，同时加入MnO2、KClO3等氧化剂，使铀变成6价，并生成硫酸铀酰或碳酸铀酰络合阴离子；然后与氯型强碱性阴离子交换树脂进行交换；再用酸性或中性NaCl或NaNO3溶液洗提稀土元素的提取与分离是先用强酸性离子交换树脂处理混合稀土的氯化物，然后用EDTA的稀溶液在一定的pH范围内洗提。利用不同元素的络合物与树脂的吸附力不同，即可依次分批将不同的稀土洗提下来。c.抗菌素的提取与分离从发酵液中提取抗菌素，过去用活性炭吸附，回收率低，残留杂质多，成本高，现在都改用离子交换法。以链霉素为例，先使发酵液通过钠式羧基型阳离子交换树脂，使链霉素与钠离子交换，用稀硫酸洗提，得链霉素硫酸盐，再用交联度较高的强酸性阳离子交换树脂分离少量无机盐杂质即可得纯度较高的中性链霉素溶液。此外，胰岛素、氨基酸、维生素B12等的提取与分离也用离子交换法。d.作为催化剂离子交换树脂含有酸性或碱性基团，它可以代替无机酸碱在适当条件下对水解、缩合、加成、水合、酯化、脱氢、氨解、醇解等多种反应起催化作用。用离子交换树脂为催化剂的优点如下：属于非均相催化，经过过滤即可与产物分离；滤出的催化剂可回收利用；可进行连续化生产；副反应少；设备无需耐腐蚀；无污染。e.产品精制离子交换树脂还用于精制蔗糖、甜菜糖、异构化糖、磷酸、醋酸、奶制品、甲醛、甘油和酒类等。f.分析在化学分析中常用离子交换树脂来分离性质相近的离子，浓缩稀溶液，以及除去干扰离子等。g.医药在医药方面，离子交换树脂用于治疗胃溃疡、肾脏病、消除腐败食物的毒素等。近年来还研究用弱碱性离子交换树脂脱除重金属和盐类等。3.2.2螯合树脂螯合树脂是在离子交换树脂基础上发展起来的专门用于和金属离子形成络合物的树脂。分子中含有可选择性地与金属离子形成络合物的官能团。它的主要用途是脱除有害金属，浓缩回收有用的金属以及分离精制金属等。例如，从电解用盐水中除去钙、镁离子；从工业废水中除去重金属；从纺丝废水中回收锌、铜；从电镀废水中回收镍和镍钴分离；从海水在提取铀等。随着高新技术以及电子、原子能和航天工业的发展，预期还可开发出更多的新用途，如辐射线废液的处理、制备高纯金属、含金属的高分子催化剂、导电性高分子以及耐高温高分子等。3.2.3氧化还原树脂这是将具有氧化还原性能的化合物引入高分子主链或侧链上而制备的树脂，由于它的作用是造成电子转移，所以又称为电子交换树脂。它的用途是作为生产过氧化氢的催化剂、作为高分子氧化剂和还原剂、处理工业废水或金属离子等。3.2.4感光性树脂感光性树脂是带有感光性