1第一講 20世紀(jì)化學(xué)的回顧

綠色化學(xué)與化工主講教師 訾俊峰單位 化學(xué)化工學(xué)院 課程安排 1 化學(xué)對(duì)人類的貢獻(xiàn)及展望2 當(dāng)今世界面臨的主要環(huán)境問題3 綠色化學(xué)原理4 綠色化學(xué)與現(xiàn)代生活 20世紀(jì)化學(xué)的回顧及未來化學(xué)的展望 化學(xué)是在原子 分子層次上研究物質(zhì)的組成 結(jié)構(gòu) 性質(zhì)及其變化規(guī)律的一門科學(xué) 它涉及存在于自然界的物質(zhì) 如礦物 空氣中的氣體 海洋里的水和鹽 動(dòng)植物體內(nèi)的化學(xué)成分 以及由化學(xué)家創(chuàng)造的新物質(zhì) 它涉及自然界的變化 如因閃電而著火的樹木 生命過程中的化學(xué)變化 還有那些由化學(xué)家發(fā)明創(chuàng)造的新變化 作為自然科學(xué)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科 化學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)和人類物質(zhì)文明迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)和動(dòng)力 是一門中心的 實(shí)用的和創(chuàng)造性的科學(xué) 是一門古老而又生機(jī)勃勃的科學(xué) 現(xiàn)在很多化學(xué)工作者都在預(yù)測(cè)21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的前景 推測(cè)21世紀(jì)化學(xué)會(huì)在哪些方面取得重大突破 會(huì)遇到哪些挑戰(zhàn)和難題 什么是未來化學(xué)的新生長(zhǎng)點(diǎn) 化學(xué)在整個(gè)科學(xué)體系中占有什么地位 實(shí)際上 我們只要溫故以知新 就不難看出未來化學(xué)發(fā)展的動(dòng)向 1 20世紀(jì)化學(xué)的輝煌成就 20世紀(jì)人類對(duì)物質(zhì)需求的日益增加以及科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 極大的推動(dòng)了化學(xué)學(xué)科自身的發(fā)展 20世紀(jì)化學(xué)不僅形成了完整的理論體系 而且在理論的指導(dǎo)下 化學(xué)實(shí)踐為人類創(chuàng)造了豐富的物質(zhì) 化學(xué)過程工業(yè)以及與化學(xué)相關(guān)的國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域 如糧食 能源 材料 醫(yī)藥 交通 國(guó)防以及人類的衣食住行用等 在這100年中發(fā)生的變化是有目共睹的 1 放射性和鈾裂變的重大發(fā)現(xiàn) 20世紀(jì)在能源利用方面一個(gè)重大突破是核能的釋放和可控利用 僅此領(lǐng)域就產(chǎn)生了6項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng) 2 化學(xué)鍵和現(xiàn)代量子化學(xué)理論 在化學(xué)鍵理論方面 鮑林 L Pauling 1901 1994 的貢獻(xiàn)最大 他把量子力學(xué)應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu) 創(chuàng)立了價(jià)鍵學(xué)說和雜化軌道理論 1954年由于他在化學(xué)鍵研究和用化學(xué)鍵理論闡明物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的重大貢獻(xiàn)而榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 化學(xué)鍵和量子化學(xué)理論的發(fā)展足足花了半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間 讓化學(xué)家由淺入深 認(rèn)識(shí)分子的本質(zhì)及其相互作用的基本原理 從而讓人們進(jìn)入分子的理性設(shè)計(jì)的高層次領(lǐng)域 創(chuàng)造新的功能分子 如藥物設(shè)計(jì) 新材料設(shè)計(jì)等 這也是20世紀(jì)化學(xué)的一個(gè)重大突破 3 合成化學(xué)的發(fā)展 創(chuàng)造新物質(zhì)是化學(xué)家的首要任務(wù) 100年來合成化學(xué)發(fā)展迅速 許多新技術(shù)被用于無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物的合成 例如 超低溫合成 高溫合成 高壓合成 電解合成 光合成 聲合成 微波合成 等離子體合成 固相合成 仿生合成等等 發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的新反應(yīng) 新合成方法數(shù)不勝數(shù) 現(xiàn)在 幾乎所有的已知天然化合物以及化學(xué)家感興趣的具有特定功能的非天然化合物都能夠通過化學(xué)合成的方法來獲得 在人類已擁有的1900多萬(wàn)種化合物中 絕大多數(shù)是化學(xué)家合成的 合成化學(xué)為滿足人類對(duì)物質(zhì)的需求作出了極為重要的貢獻(xiàn) 縱觀20世紀(jì) 合成化學(xué)領(lǐng)域共獲得10項(xiàng)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 維生素B12 這一時(shí)期先后合成了奎寧 膽固醇 可的松 葉綠素和利血平 維生素B12等一系列復(fù)雜有機(jī)化合物而榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) ?？舅?4 高分子科學(xué)和材料 20世紀(jì)人類文明的標(biāo)志之一是合成材料的出現(xiàn) 合成橡膠 合成塑料和合成纖維這三大合成高分子材料是化學(xué)中具有突破性的成就 也是化學(xué)工業(yè)的驕傲 在此領(lǐng)域曾有3項(xiàng)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 5 化學(xué)動(dòng)力學(xué)與分子反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué) 研究化學(xué)反應(yīng)是如何進(jìn)行的 揭示化學(xué)反應(yīng)的歷程和研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其反應(yīng)能力之間的關(guān)系 是控制化學(xué)反應(yīng)過程的需要 在這一領(lǐng)域相繼獲得過3次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 6 對(duì)現(xiàn)代生命科學(xué)和生物技術(shù)的重大貢獻(xiàn) 研究生命現(xiàn)象和生命過程 揭示生命的起源和本質(zhì)是當(dāng)代自然科學(xué)的重大研究課題 20世紀(jì)生命化學(xué)的崛起給古老的生物學(xué)注入了新的活力 人們?cè)诜肿铀缴舷蛏膴W秘打開了一個(gè)又一個(gè)通道 蛋白質(zhì) 核酸 糖等生物大分子和激素 神經(jīng)遞質(zhì) 細(xì)胞因子等生物小分子是構(gòu)成生命的基本物質(zhì) 從20世紀(jì)初開始生物小分子 如糖 血紅素 葉綠素 維生素等 的化學(xué)結(jié)構(gòu)與合成研究就多次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 這是化學(xué)向生命科學(xué)進(jìn)軍的第一步 在這一時(shí)期主要成果有 1955年首次合成多肽激素催產(chǎn)素榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1958年牛胰島素分子結(jié)構(gòu)測(cè)定獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1953年提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 這項(xiàng)重大成果對(duì)于生命科學(xué)具有劃時(shí)代的貢獻(xiàn) 它為分子生物學(xué)和生物工程的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 為整個(gè)生命科學(xué)帶來了一場(chǎng)深刻的革命 榮獲了1962年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 1960年成功地測(cè)定了鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu) 揭示了蛋白質(zhì)分子的三維空間的排布方式 為此獲得了1962年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1965年我國(guó)化學(xué)家人工合成結(jié)晶牛胰島素獲得成功 標(biāo)志著人類在揭示生命奧秘的歷程中邁進(jìn)了一大步 1980年在DNA分裂和重組 DNA測(cè)序以及現(xiàn)代基因工程學(xué)方面的杰出貢獻(xiàn)而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1982年發(fā)明 象重組 技術(shù)和揭示病毒和細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 1989年發(fā)現(xiàn)核酶 Ribozyme 而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 等等 7 對(duì)人類健康的貢獻(xiàn) 利用藥物治療疾病是人類文明的重要標(biāo)志之一 20世紀(jì)初 由于對(duì)分子結(jié)構(gòu)和藥理作用的深入研究 藥物化學(xué)迅速發(fā)展 并成為化學(xué)學(xué)科一個(gè)重要領(lǐng)域 1909年德國(guó)化學(xué)家艾里希合成出了治療梅毒的特效藥物胂凡納明 20世紀(jì)30年代以來化學(xué)家從染料出發(fā) 創(chuàng)造出了一系列磺胺藥 使許多細(xì)菌性傳染病特別是肺炎 流行性腦炎 細(xì)菌性痢疾等長(zhǎng)期危害人類健康和生命的疾病得到控制 青霉素 鏈霉素 金霉素 氯霉素 頭孢菌素等類型抗生素的發(fā)明 為人類的健康做出了巨大貢獻(xiàn) 具不完全統(tǒng)計(jì) 20世紀(jì)化學(xué)家通過合成 半合成或從動(dòng)植物 微生物中提取而得到的臨床有效的化學(xué)藥物超過2萬(wàn)種 常用的就有1000余種 而且這個(gè)數(shù)目還在快速增加 8 對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人類日常生活的貢獻(xiàn) 化學(xué)在改善人類生活方面是最有成效 最實(shí)用的學(xué)科之一 利用化學(xué)反應(yīng)和過程來制造產(chǎn)品的化學(xué)工業(yè) 包括精細(xì)化工 石油化工 制藥工業(yè) 日用化工 橡膠工業(yè) 造紙工業(yè) 玻璃和建材工業(yè) 鋼鐵工業(yè) 紡織工業(yè) 皮革工業(yè) 飲食工業(yè)等 在發(fā)達(dá)國(guó)家中占有最大的份額 這個(gè)數(shù)字在美國(guó)超過30 而且還不包括諸如電子 汽車 農(nóng)業(yè)等要用到化工產(chǎn)品的相關(guān)工業(yè)的產(chǎn)值 發(fā)達(dá)國(guó)家從事研究與開發(fā)的科技人員中 化學(xué) 化工專家占一半左右 世界專利發(fā)明中有20 與化學(xué)有關(guān) 人類之衣 食 住 行 用無(wú)不與化學(xué)有關(guān) 例如各種材料都是由不同的化學(xué)元素組成的 房子是用水泥 玻璃 油漆等化學(xué)產(chǎn)品建造的 肥皂和牙膏是日用化學(xué)品 衣服是合成纖維制成并由合成染料上色的 飲用水必須經(jīng)過化學(xué)檢驗(yàn)以保證質(zhì)量 食品則是由用化肥和農(nóng)藥生產(chǎn)的糧食制成的 維生素和藥物也是由化學(xué)家合成的 交通工具更離不開化學(xué) 車輛的金屬部件和油漆顯然是化學(xué)品 車廂內(nèi)的裝潢通常是特種塑料或經(jīng)化學(xué)制劑處理過的皮革制品 汽車的輪胎是由合成橡膠制成的 燃油和潤(rùn)滑油是含化學(xué)添加劑的石油化學(xué)產(chǎn)品 蓄電池是化學(xué)電源 尾氣排放系統(tǒng)中用來降低污染的催化轉(zhuǎn)化器裝有用鉑 銠和其他一些物質(zhì)組成的催化劑 它可將汽車尾氣中的氧化氮 一氧化碳和未燃盡的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成低毒害的物質(zhì) 飛機(jī)則需要用質(zhì)強(qiáng)量輕的鋁合金來制造 還需要特種塑料和特種燃油 書刊 報(bào)紙是用化學(xué)家所發(fā)明的油墨和經(jīng)化學(xué)方法生產(chǎn)出的紙張印制而成的 攝影膠片是涂有感光化學(xué)品的塑料片 它們能被光所敏化 所以在暴光時(shí)和在用顯影藥劑沖洗時(shí) 它們就會(huì)發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng) 彩電和電腦顯示器的顯象管是由玻璃和熒光材料制成的 這些材料在電子束轟擊時(shí)可發(fā)出不同顏色的光 VCD光盤是由特殊的信息存儲(chǔ)材料制成的 甚至參加體育活動(dòng)時(shí)穿的跑步鞋 溜冰鞋 運(yùn)動(dòng)服 乒乓球 羽毛球排等也都離不開現(xiàn)代合成材料和涂料 2 未來化學(xué)的作用和地位 未來化學(xué)在人類生存 生存質(zhì)量和安全方面將以新的思路 觀念和方式繼續(xù)發(fā)揮核心科學(xué)的作用 應(yīng)該說 20世紀(jì)的化學(xué)科學(xué)在保證人類衣食住行需求 提高人類生活水平和健康狀態(tài)等方面起了重大作用 21世紀(jì)人類所面臨的糧食 人口 環(huán)境 資源和能源等問題更加嚴(yán)重 雖然這些難題的解決要依賴各個(gè)學(xué)科 但無(wú)論如何總是要依靠研究物質(zhì)基礎(chǔ)的化學(xué)學(xué)科 1 化學(xué)仍然是解決食品問題的主要學(xué)科之一化學(xué)將在設(shè)計(jì) 合成功能分子和結(jié)構(gòu)材料以及從分子層次闡明和控制生物過程 如光合作用 動(dòng)植物生長(zhǎng) 的機(jī)理等方面 為研究開發(fā)高效安全肥料 飼料和肥料 飼料添加劑 農(nóng)藥 農(nóng)用材料 如生物可降解的農(nóng)用薄膜 生物肥料 生物農(nóng)藥等打下基礎(chǔ) 利用化學(xué)和生物的方法增加動(dòng)植物食品的防病有效成分 提供安全的有防病作用的食物和食物添加劑 改進(jìn)食品儲(chǔ)存加工方法 以減少不安全因素等 都是化學(xué)研究的重要內(nèi)容 2 化學(xué)在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用中起關(guān)鍵作用在能源和資源方面 未來化學(xué)要研究高效潔凈的轉(zhuǎn)化技術(shù)和控制低品位燃料的化學(xué)反應(yīng) 新能源如太陽(yáng)能以及高效潔凈的化學(xué)電源與燃料電池等都將成為21世紀(jì)的重要能源 這些研究大多都需要從化學(xué)基本問題作起 否則 很難取得突破 礦產(chǎn)資源是不可再生的 化學(xué)要研究重要礦產(chǎn)資源 如稀土 的分離和深加工技術(shù)以及利用 3 化學(xué)繼續(xù)推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展各種結(jié)構(gòu)材料和功能材料與糧食一樣永遠(yuǎn)是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ) 化學(xué)是新材料的 源泉 任何功能材料都是以功能分子為基礎(chǔ)的 發(fā)現(xiàn)具有某種功能的新型結(jié)構(gòu)會(huì)引起材料科學(xué)的重大突破 未來化學(xué)不僅要設(shè)計(jì)和合成分子 而且要把這些分子組裝 構(gòu)筑成具有特定功能的材料 4 化學(xué)是提高人類生活質(zhì)量和生存安全的有效保障在滿足生存需要之后 不斷提高生存質(zhì)量和生存安全是人類進(jìn)步的重要標(biāo)志 化學(xué)可從三個(gè)方面對(duì)保證生存質(zhì)量的提高做出貢獻(xiàn) 通過研究各種物質(zhì)和能的生物效應(yīng) 正面的和負(fù)面的 的化學(xué)基礎(chǔ) 特別是搞清兩面性的本質(zhì) 找出最佳利用方案 研究開發(fā)對(duì)環(huán)境無(wú)害的化學(xué)品和生活用品 研究對(duì)環(huán)境無(wú)害的生產(chǎn)方式 這兩方面是綠色化學(xué)的主要內(nèi)容 研究大環(huán)境和小環(huán)境 如室內(nèi)環(huán)境 中不利因素的產(chǎn)生 轉(zhuǎn)化和與人體的相互作用 提出優(yōu)化環(huán)境建立潔凈生活空間的途徑