化學(xué)學(xué)科的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來

1、1 1 1 化學(xué)學(xué)科發(fā)展的簡單回顧化學(xué)學(xué)科發(fā)展的簡單回顧 2 2 化學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵及其地位作用化學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵及其地位作用 3 213 21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢 4 4 化學(xué)學(xué)科前沿介紹化學(xué)學(xué)科前沿介紹 綠色化學(xué)綠色化學(xué) 超分子化學(xué)超分子化學(xué) 邵邵 爽爽 浙江教育學(xué)院浙江教育學(xué)院 理工學(xué)院理工學(xué)院2 1 化學(xué)學(xué)科發(fā)展的簡單回顧化學(xué)學(xué)科發(fā)展的簡單回顧 遠(yuǎn)古的化學(xué)遠(yuǎn)古的化學(xué)實用技術(shù)實用技術(shù) 如：冶金、火藥、造紙等。 近代化學(xué)近代化學(xué)基本理論的建立基本理論的建立 如：質(zhì)量守恒定律、燃燒學(xué)說、阿佛加德羅定律、原子論、分子 論、電離學(xué)說、酸堿理論等。 現(xiàn)代化

2、學(xué)現(xiàn)代化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論和合成化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論和合成化學(xué) 如：雜化軌道理論（如：雜化軌道理論（VB法）、分子軌道理論（法）、分子軌道理論（MO法）、配位場理論、法）、配位場理論、 逆合成、手性合成、綠色化學(xué)、組合化學(xué)、分子設(shè)計等。逆合成、手性合成、綠色化學(xué)、組合化學(xué)、分子設(shè)計等。 未來的化學(xué)未來的化學(xué)綜合學(xué)科發(fā)展的科學(xué)綜合學(xué)科發(fā)展的科學(xué) 如：深入研究原子組合分子的方法和技巧如：深入研究原子組合分子的方法和技巧;研究分子以上層次的現(xiàn)研究分子以上層次的現(xiàn) 象象;與其他學(xué)科滲透、交叉聯(lián)合與其他學(xué)科滲透、交叉聯(lián)合;科學(xué)科學(xué)技術(shù)技術(shù)生產(chǎn)、必須創(chuàng)新、理論生產(chǎn)、必須創(chuàng)新、理論 與實驗并駕齊驅(qū)、學(xué)科界限越來越模

3、糊等。與實驗并駕齊驅(qū)、學(xué)科界限越來越模糊等。 3 16611661年年 波義耳在其著名論文波義耳在其著名論文“懷疑派的化學(xué)家懷疑派的化學(xué)家”中提出中提出 “ “元素元素”的概念，從而化學(xué)被確定為一門學(xué)科。的概念，從而化學(xué)被確定為一門學(xué)科。 18031803年年 道爾頓提出道爾頓提出原子論原子論。 18111811年年 阿伏加德羅提出了阿伏加德羅提出了“分子分子”的概念。的概念。 18601860年年 康尼查羅提出了康尼查羅提出了原子原子- -分子論分子論。 18701870年年 門捷列夫發(fā)現(xiàn)了門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律元素周期律，奠定了化學(xué)學(xué)科的，奠定了化學(xué)學(xué)科的 理論基礎(chǔ)。理論基礎(chǔ)。 1919

4、世紀(jì)末世紀(jì)末 化學(xué)的重要分支（二級學(xué)科）化學(xué)的重要分支（二級學(xué)科）分析化學(xué)、無機(jī)化分析化學(xué)、無機(jī)化 學(xué)、有機(jī)化學(xué)學(xué)、有機(jī)化學(xué)和和物理化學(xué)物理化學(xué)相繼建立，這種分工大相繼建立，這種分工大 大推動了化學(xué)研究的深化。大推動了化學(xué)研究的深化。 2020世紀(jì)世紀(jì) 量子力學(xué)量子力學(xué)的誕生，近鄰學(xué)科特別是物理學(xué)、生物學(xué)的誕生，近鄰學(xué)科特別是物理學(xué)、生物學(xué) 和數(shù)學(xué)的發(fā)展，以及各種新的實驗技術(shù)及精密儀和數(shù)學(xué)的發(fā)展，以及各種新的實驗技術(shù)及精密儀 器的發(fā)明和計算機(jī)的出現(xiàn)，使化學(xué)學(xué)科得器的發(fā)明和計算機(jī)的出現(xiàn)，使化學(xué)學(xué)科得 到迅猛到迅猛 的發(fā)展。的發(fā)展。 化學(xué)理論發(fā)展的重要軌跡化學(xué)理論發(fā)展的重要軌跡 4 1.1 20世

5、紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 (1)放射性和鈾裂變的重大發(fā)現(xiàn)放射性和鈾裂變的重大發(fā)現(xiàn) l1903年居里夫婦因發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)年居里夫婦因發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)400倍的釙，以及放射性比鈾強(qiáng)倍的釙，以及放射性比鈾強(qiáng)200 多萬倍的鐳為此而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。多萬倍的鐳為此而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 l 1911年為表彰居里夫人在發(fā)現(xiàn)釙和鐳、開拓放射化學(xué)新領(lǐng)域以及發(fā)展放射年為表彰居里夫人在發(fā)現(xiàn)釙和鐳、開拓放射化學(xué)新領(lǐng)域以及發(fā)展放射 性元素的應(yīng)用方面的貢獻(xiàn)，居里夫人被授予了諾貝爾化學(xué)獎性元素的應(yīng)用方面的貢獻(xiàn)，居里夫人被授予了諾貝爾化學(xué)獎 l 1908年盧瑟福因從事關(guān)于元素

6、衰變和放射性物質(zhì)的研究年盧瑟福因從事關(guān)于元素衰變和放射性物質(zhì)的研究,提出了原子的有核提出了原子的有核 結(jié)構(gòu)模型和放射性元素的衰變理論而獲得了的諾貝爾化學(xué)獎。結(jié)構(gòu)模型和放射性元素的衰變理論而獲得了的諾貝爾化學(xué)獎。 l1935年約里奧年約里奧-居里夫婦因第一次用人工方法創(chuàng)造出放射性元素而榮獲了的居里夫婦因第一次用人工方法創(chuàng)造出放射性元素而榮獲了的 諾貝爾化學(xué)獎。諾貝爾化學(xué)獎。 l 1938年費米因人工合成了年費米因人工合成了60種新的放射性元素而獲得了的諾貝爾物理學(xué)獎。種新的放射性元素而獲得了的諾貝爾物理學(xué)獎。 l1944年哈恩因發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象而獲得了諾貝爾化學(xué)獎年哈恩因發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象而獲得了

7、諾貝爾化學(xué)獎. l1942年費米領(lǐng)導(dǎo)下成功的建造了第一座原子反應(yīng)堆。年費米領(lǐng)導(dǎo)下成功的建造了第一座原子反應(yīng)堆。 l1945年美國在日本投下了原子彈。年美國在日本投下了原子彈。 5 (2)化學(xué)鍵和現(xiàn)代量子化學(xué)理論的建立化學(xué)鍵和現(xiàn)代量子化學(xué)理論的建立 鮑林在化學(xué)鍵本質(zhì)研究和應(yīng)用鮑林在化學(xué)鍵本質(zhì)研究和應(yīng)用化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論來闡明物來闡明物 質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲19451945年諾貝爾化學(xué)獎。經(jīng)許多化學(xué)家近半個年諾貝爾化學(xué)獎。經(jīng)許多化學(xué)家近半個 世紀(jì)的努力，現(xiàn)代量子化學(xué)理論不斷發(fā)展和完善，化學(xué)世紀(jì)的努力，現(xiàn)代量子化學(xué)理論不斷發(fā)展和完善，化學(xué) 進(jìn)入進(jìn)入實驗和理論計算并重實驗和理論計算并重的時代。化學(xué)家

8、們由淺入深，的時代?；瘜W(xué)家們由淺入深， 認(rèn)識分子的本質(zhì)及其相互作用的基本原理，從而讓人們認(rèn)識分子的本質(zhì)及其相互作用的基本原理，從而讓人們 進(jìn)入進(jìn)入分子的理性設(shè)計分子的理性設(shè)計的高層次領(lǐng)域。的高層次領(lǐng)域。 1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 6 (3)創(chuàng)造新物質(zhì)創(chuàng)造新物質(zhì)合成化學(xué)合成化學(xué) 近百年來化學(xué)家近百年來化學(xué)家( (特別是有機(jī)化學(xué)家特別是有機(jī)化學(xué)家) )已經(jīng)設(shè)計和合成已經(jīng)設(shè)計和合成 了數(shù)千萬個化合物，幾乎又創(chuàng)造了一個新的自然界；同了數(shù)千萬個化合物，幾乎又創(chuàng)造了一個新的自然界；同 時還發(fā)現(xiàn)了大量的時還發(fā)現(xiàn)了大量的新反應(yīng)、新試劑、新方法和新理論新反應(yīng)、新試

9、劑、新方法和新理論。 19121912年格林尼亞因發(fā)明年格林尼亞因發(fā)明格林尼亞試劑格林尼亞試劑，開創(chuàng)了，開創(chuàng)了有機(jī)金屬有機(jī)金屬 化合物化合物在各種官能團(tuán)反應(yīng)中的新領(lǐng)域而獲諾貝爾化學(xué)獎。在各種官能團(tuán)反應(yīng)中的新領(lǐng)域而獲諾貝爾化學(xué)獎。 現(xiàn)代有機(jī)合成化學(xué)是經(jīng)過現(xiàn)代有機(jī)合成化學(xué)是經(jīng)過2020世紀(jì)近世紀(jì)近100100年的研究、探索發(fā)年的研究、探索發(fā) 展到今天已可以合成像展到今天已可以合成像?？舅睾？舅?Polytoxin)(Polytoxin)這樣復(fù)雜的有這樣復(fù)雜的有 機(jī)分子機(jī)分子( (具有具有6464個手性中心個手性中心的的7 7個骨架內(nèi)雙鍵個骨架內(nèi)雙鍵的分子，存在的分子，存在 2 271 712

10、2101021 21個異構(gòu)體 個異構(gòu)體) )。 1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 7 O OH OH OH OH HO HO OH Me H2N OH O O O OH OH OH OH HO O OH OH OH O OH HO HO OH OHMe OH OH OH O OH OH OH HO OH O O Me Me MeOH OH OH HO OH O OH OHHO OH OH OHMeMe OH NH O HN O OH ?？舅氐姆肿咏Y(jié)構(gòu)?？舅氐姆肿咏Y(jié)構(gòu) 分子式為分子式為 C129H223N3O54 有有64個不對稱碳和個不對稱碳和7個骨

11、架內(nèi)個骨架內(nèi) 雙鍵雙鍵, 異構(gòu)體數(shù)目多達(dá)異構(gòu)體數(shù)目多達(dá)271個個 有機(jī)合成有機(jī)合成 杰杰 作作 1989年美國哈佛大學(xué)年美國哈佛大學(xué) Kishi宣布全合成宣布全合成 64個手性個手性 中心中心 21021個個 同分異構(gòu)同分異構(gòu) 體體 8 N N N N C N C o C H 3 C H 3 C H 3 H 2 N O C C O N H 2 C O N H 2 C O N H 2 C H 3 C H 3 H 2 N O C C H 3 H H 2 N O C C H 3 C H 3 O N H N N C H 3 C H 3 O H O O H OP O O C H 3 O - + VB12

12、 分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu) R.B.Woodward 合成合成 1965年獲年獲Nobel化學(xué)獎化學(xué)獎 有機(jī)合成有機(jī)合成 杰杰 作作 9 藥物合成抗生素 N H N H S CO2H O CH2CO Penicillin G N H N H S CO2H O CHCO H2N Ampicillin N H N H S CO2H O CHCO H2N HO Amoxicillin 隨即篩選隨即篩選 分子設(shè)計分子設(shè)計 10 11 (4)高分子科學(xué)的建立和發(fā)展高分子科學(xué)的建立和發(fā)展 2020世紀(jì)的人類社會文明的標(biāo)志之一是世紀(jì)的人類社會文明的標(biāo)志之一是合成材料合成材料的出現(xiàn)。的出現(xiàn)。 p1953年年H.Sta

13、udinger因提出了高分子這個概念，創(chuàng)立了高分子因提出了高分子這個概念，創(chuàng)立了高分子 鏈型學(xué)說建立了高分子粘度與分子量之間的定量關(guān)系，從而獲得鏈型學(xué)說建立了高分子粘度與分子量之間的定量關(guān)系，從而獲得 了的諾貝爾化學(xué)獎。了的諾貝爾化學(xué)獎。 p1963年年Ziegler和和Natta因發(fā)現(xiàn)了配位聚合反應(yīng)和實現(xiàn)了丙烯的定因發(fā)現(xiàn)了配位聚合反應(yīng)和實現(xiàn)了丙烯的定 向聚合而共獲了諾貝爾化學(xué)獎。向聚合而共獲了諾貝爾化學(xué)獎。 p 1974年年Flory因在高分子性質(zhì)方面的成就也獲得了諾貝爾化學(xué)獎。因在高分子性質(zhì)方面的成就也獲得了諾貝爾化學(xué)獎。 三大傳統(tǒng)合成材料三大傳統(tǒng)合成材料 塑料塑料 橡膠橡膠 纖維纖維 新

14、型功能材料新型功能材料 光電材料光電材料 信息儲存材料信息儲存材料 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維 超導(dǎo)超導(dǎo) 1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 12 (5)化學(xué)動力學(xué)與分子反應(yīng)動態(tài)學(xué)的發(fā)展化學(xué)動力學(xué)與分子反應(yīng)動態(tài)學(xué)的發(fā)展 揭示揭示化學(xué)反應(yīng)的歷程化學(xué)反應(yīng)的歷程和研究和研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其反應(yīng)能物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其反應(yīng)能 力之間的關(guān)系力之間的關(guān)系，是控制化學(xué)反應(yīng)過程的需要。，是控制化學(xué)反應(yīng)過程的需要。19561956年由年由 前蘇聯(lián)的謝苗諾夫和英國的欣歇爾伍德在前蘇聯(lián)的謝苗諾夫和英國的欣歇爾伍德在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、 反應(yīng)速度反應(yīng)速度和和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方面的開創(chuàng)性研究而獲

15、諾貝爾化學(xué)方面的開創(chuàng)性研究而獲諾貝爾化學(xué) 獎。同時研究快速反應(yīng)的技術(shù)得到發(fā)展，現(xiàn)在可以研究獎。同時研究快速反應(yīng)的技術(shù)得到發(fā)展，現(xiàn)在可以研究 十億分之一秒內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。美籍華人化學(xué)家李遠(yuǎn)十億分之一秒內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。美籍華人化學(xué)家李遠(yuǎn) 哲及美國化學(xué)家赫希巴赫首先研制成功能獲得各種態(tài)信哲及美國化學(xué)家赫希巴赫首先研制成功能獲得各種態(tài)信 息的息的交叉分子束交叉分子束實驗裝置，從微觀角度來認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，實驗裝置，從微觀角度來認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)， 發(fā)展了發(fā)展了分子反應(yīng)動態(tài)學(xué)分子反應(yīng)動態(tài)學(xué)，亦稱態(tài)，亦稱態(tài)- -態(tài)化學(xué)，對化學(xué)反應(yīng)的態(tài)化學(xué)，對化學(xué)反應(yīng)的 基本原理做出了重要突破?；驹碜龀隽酥匾黄?。( (榮獲

16、榮獲19861986年諾貝爾化學(xué)獎年諾貝爾化學(xué)獎) )。 1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 13 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的歷程的重要研究成果關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的歷程的重要研究成果 u1956年年Semenov和和Hinchelwood在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速度和在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速度和 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方面的開創(chuàng)性研究獲得了諾貝爾化學(xué)獎。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方面的開創(chuàng)性研究獲得了諾貝爾化學(xué)獎。 u1967年年Eigen Porter和和Norrish因發(fā)展了閃光光解法技術(shù)用于因發(fā)展了閃光光解法技術(shù)用于 研究發(fā)生在十億分之一秒內(nèi)的快速化學(xué)反應(yīng)，對快速反應(yīng)動力研究發(fā)生在十億分之一秒內(nèi)的快速化學(xué)

17、反應(yīng)，對快速反應(yīng)動力 學(xué)研究作出了重大貢獻(xiàn)，三人共獲了諾貝爾化學(xué)獎。學(xué)研究作出了重大貢獻(xiàn)，三人共獲了諾貝爾化學(xué)獎。 u1986年李遠(yuǎn)哲、年李遠(yuǎn)哲、Herschbach和和Polany因發(fā)明了獲得各種態(tài)信因發(fā)明了獲得各種態(tài)信 息的交叉分子束技術(shù)，并利用該技術(shù)息的交叉分子束技術(shù)，并利用該技術(shù)F+H2的反應(yīng)動力學(xué)（態(tài)的反應(yīng)動力學(xué)（態(tài) 態(tài)化學(xué)），對化學(xué)反應(yīng)的基本原理作出了重要貢獻(xiàn)，為此共態(tài)化學(xué)），對化學(xué)反應(yīng)的基本原理作出了重要貢獻(xiàn)，為此共 獲了諾貝爾化學(xué)獎。獲了諾貝爾化學(xué)獎。 u1999年年Zewail因利用飛秒光譜技術(shù)研究過渡態(tài)的成就獲諾貝因利用飛秒光譜技術(shù)研究過渡態(tài)的成就獲諾貝 爾化學(xué)獎。爾化學(xué)獎

18、。 14 飛秒化學(xué)飛秒化學(xué) p飛秒化學(xué)是研究在極小的時間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的過程和機(jī)理。這一飛秒化學(xué)是研究在極小的時間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的過程和機(jī)理。這一 領(lǐng)域涉及的時間間隔短至約千萬億分之一秒，即領(lǐng)域涉及的時間間隔短至約千萬億分之一秒，即1飛秒。飛秒。 1 s(s,秒秒)=103ms(毫秒毫秒)=109ns(納秒納秒)1015 fs (femtosecond飛秒飛秒) p飛秒化學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)飛秒化學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)飛秒激光。不同波長的激光可以選擇飛秒激光。不同波長的激光可以選擇 性地激發(fā)和檢測不同的分子，或者同一分子的不同內(nèi)部能量狀態(tài)，性地激發(fā)和檢測不同的分子，或者同一分子的不同內(nèi)部能量狀態(tài)， 或量子態(tài)分布?；蛄孔?/p>

19、態(tài)分布。 p從分子的角度來說，化學(xué)反應(yīng)的本身就是分子體系的波函數(shù)隨從分子的角度來說，化學(xué)反應(yīng)的本身就是分子體系的波函數(shù)隨 時間的變化，在勢能面上運動的過程。實驗上，通過觀察在不同時間的變化，在勢能面上運動的過程。實驗上，通過觀察在不同 時刻體系的性質(zhì)，就可以得到這種演化的圖像，從而理解反應(yīng)的時刻體系的性質(zhì)，就可以得到這種演化的圖像，從而理解反應(yīng)的 具體動力學(xué)過程。由于分子內(nèi)部、化學(xué)反應(yīng)過程中及凝聚相中分具體動力學(xué)過程。由于分子內(nèi)部、化學(xué)反應(yīng)過程中及凝聚相中分 子間相互作用過程是在非常短的時間里發(fā)生的，比如說，化學(xué)反子間相互作用過程是在非常短的時間里發(fā)生的，比如說，化學(xué)反 應(yīng)過渡態(tài)的壽命一般只有

20、幾十飛秒，所以必須在飛秒的時間尺度應(yīng)過渡態(tài)的壽命一般只有幾十飛秒，所以必須在飛秒的時間尺度 上對化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行檢測。也就是說，要象照相一樣，要用足上對化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行檢測。也就是說，要象照相一樣，要用足 夠短的夠短的“快門快門”，來捕捉分子運動和變化的瞬間行為的信息。，來捕捉分子運動和變化的瞬間行為的信息。 15 (6)分析科學(xué)的發(fā)展分析科學(xué)的發(fā)展 2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代，生命科學(xué)、信息科學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，年代，生命科學(xué)、信息科學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 使分析化學(xué)進(jìn)入了嶄新階段，它不只限于測定物質(zhì)的組成和含使分析化學(xué)進(jìn)入了嶄新階段，它不只限于測定物質(zhì)的組成和含 量，而要對量，而要對物

21、質(zhì)的狀態(tài)物質(zhì)的狀態(tài)( (氧化還原態(tài)、各種結(jié)合態(tài)、結(jié)晶態(tài)氧化還原態(tài)、各種結(jié)合態(tài)、結(jié)晶態(tài)) )、 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)( (一維、二維、三維空間分布一維、二維、三維空間分布) )、微區(qū)、薄層和表面的組成、微區(qū)、薄層和表面的組成 與結(jié)構(gòu)以及與結(jié)構(gòu)以及化學(xué)行為化學(xué)行為和和生物活性生物活性等做出瞬時追蹤，等做出瞬時追蹤，無損無損和和在線在線 監(jiān)測監(jiān)測等分析及過程控制，甚至要求等分析及過程控制，甚至要求直接觀察原子和分子的形態(tài)直接觀察原子和分子的形態(tài) 與排列與排列。分析化學(xué)成為一門儀器裝置和測量的科學(xué)。分析化學(xué)成為一門儀器裝置和測量的科學(xué)。 19901990年開始的人類基因組計劃年開始的人類基因組計劃(HGP)(HG

22、P)中，由于中，由于DNADNA測序技測序技 術(shù)不斷推陳出新，從術(shù)不斷推陳出新，從板凝膠板凝膠電泳到電泳到凝膠毛細(xì)管凝膠毛細(xì)管電泳、電泳、線性高分線性高分 子溶液毛細(xì)管子溶液毛細(xì)管電泳、到電泳、到陣列毛細(xì)管陣列毛細(xì)管電泳，直至電泳，直至全基因組鳥槍全基因組鳥槍測測 序技術(shù)。終于使人類基因組計劃提前到序技術(shù)。終于使人類基因組計劃提前到20012001年完成。分析化學(xué)年完成。分析化學(xué) 在推進(jìn)人們弄清環(huán)境和生命有關(guān)的化學(xué)問題中起著關(guān)鍵作用。在推進(jìn)人們弄清環(huán)境和生命有關(guān)的化學(xué)問題中起著關(guān)鍵作用。 1.1 20世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 16 ( (7)生命科學(xué)生命科學(xué)

23、 生物小分子化學(xué)，蛋白質(zhì)化學(xué)生物小分子化學(xué)，蛋白質(zhì)化學(xué) 核酸化學(xué)，糖化學(xué)核酸化學(xué)，糖化學(xué) 蛋白質(zhì)的化學(xué) 結(jié)構(gòu)：一級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：一級結(jié)構(gòu), 二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu), 三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu), 四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu) 氨基酸序列分析儀氨基酸序列分析儀 酶的化學(xué) p酶催化的機(jī)理酶催化的機(jī)理 p化學(xué)模擬化學(xué)模擬 p生物合成與生物轉(zhuǎn)化生物合成與生物轉(zhuǎn)化 核酸的化學(xué) pDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn) （Watson-Crick獲獲1962年諾年諾 貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎) p堿基配對原則堿基配對原則 pDNA的復(fù)制的復(fù)制 p基因表達(dá)基因表達(dá) p遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)遺傳密碼的發(fā)現(xiàn) p中心法則中心法則 1.1 2

24、0世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破 17 p20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諾貝爾化學(xué)獎 p1955年首次合成多肽激素催產(chǎn)素和加壓素，獲1955年諾貝爾化 學(xué)獎； p1960年成功地測定了鯨肌紅旦白和馬血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)，獲 1962年諾貝爾化學(xué)獎； p1980年P(guān).Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在DNA分裂和重組、 DNA測序以及現(xiàn)代基因工程學(xué)方面的杰出貢獻(xiàn)而共獲諾貝爾化學(xué) 獎。 p1982年A.Klug因發(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。 p 1993

25、年M.Smith因發(fā)明寡核苷酸定點誘變法以及K.B.Mullis因 發(fā)明多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)對基因工程的貢獻(xiàn)而共獲諾貝爾化學(xué)獎。 化學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域的重要研究成果化學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域的重要研究成果 18 DNA 19 蛋白酶的一種蛋白酶的一種 胰蛋白酶的結(jié)構(gòu)和胰蛋白酶的結(jié)構(gòu)和 排列順序示意圖排列順序示意圖 20 1965年年9月，我國科學(xué)家汪猷帥月，我國科學(xué)家汪猷帥上百位化學(xué)工作者經(jīng)過上百位化學(xué)工作者經(jīng)過6年多堅持不懈的努力年多堅持不懈的努力 ，獲得了人工全合成牛胰島素晶體。這是世界上第一個人工合成的蛋白質(zhì)。，獲得了人工全合成牛胰島素晶體。這是世界上第一個人工合成的蛋白質(zhì)。 兩條肽鏈兩條肽鏈:A:

26、A鏈鏈2121個氨基酸殘基個氨基酸殘基,B,B鏈鏈3030個殘基個殘基, , 分子量分子量57005700道爾頓道爾頓,1953,1953年確定全部化學(xué)結(jié)構(gòu)年確定全部化學(xué)結(jié)構(gòu). . 人工合成牛胰島素 21 1.2 20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展 (1)(1)石油化工成為支柱產(chǎn)業(yè)石油化工成為支柱產(chǎn)業(yè) 2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代催化劑進(jìn)入石油化工，年代催化劑進(jìn)入石油化工，催化動力學(xué)催化動力學(xué)的的 發(fā)展及發(fā)展及催化劑催化劑的作用使石油的的作用使石油的各種餾分各種餾分成為各種不同用成為各種不同用 途的化工產(chǎn)品，石油化工迅速發(fā)展，已成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)途的化工產(chǎn)品，石油化工迅速發(fā)展，已成為世界

27、經(jīng)濟(jì)發(fā) 展中占重要地位的工業(yè)領(lǐng)域。展中占重要地位的工業(yè)領(lǐng)域。世界化工總產(chǎn)值中世界化工總產(chǎn)值中8080以以 上的產(chǎn)品與石油化工有關(guān)上的產(chǎn)品與石油化工有關(guān)。 22 (2)(2)三大合成材料時代三大合成材料時代 2020世紀(jì)前半葉，由于基礎(chǔ)化學(xué)中的高分子化學(xué)的興世紀(jì)前半葉，由于基礎(chǔ)化學(xué)中的高分子化學(xué)的興 起和發(fā)展，逐步形成了起和發(fā)展，逐步形成了塑料、纖維、橡膠塑料、纖維、橡膠三大合成材料三大合成材料 工業(yè)。到工業(yè)。到2020世紀(jì)末，世界年產(chǎn)合成橡膠能力已世紀(jì)末，世界年產(chǎn)合成橡膠能力已12001200萬噸，萬噸， 合成纖維達(dá)合成纖維達(dá)15001500萬噸，合成塑料已超過萬噸，合成塑料已超過600060

28、00萬噸。以塑料萬噸。以塑料 為主體的三大合成材料，以體積計算其世界總產(chǎn)量已超為主體的三大合成材料，以體積計算其世界總產(chǎn)量已超 過全部金屬的產(chǎn)量，所以有人稱過全部金屬的產(chǎn)量，所以有人稱2020世紀(jì)為聚合物時代。世紀(jì)為聚合物時代。 1.2 20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展 23 (3)(3)化肥（農(nóng)藥）工業(yè)的巨大作用化肥（農(nóng)藥）工業(yè)的巨大作用 2020世紀(jì)面臨人口大幅度增長和糧食需求迅速增加的世紀(jì)面臨人口大幅度增長和糧食需求迅速增加的 局面。在解決這一困難中，化肥起了重要作用。其中局面。在解決這一困難中，化肥起了重要作用。其中氮氮 肥肥的生產(chǎn)關(guān)鍵問題是如何利用大氣中的氮大規(guī)模合成肥的

29、生產(chǎn)關(guān)鍵問題是如何利用大氣中的氮大規(guī)模合成肥 料。料。19091909年德國化學(xué)家哈伯用鋨作催化劑成功地建立了年德國化學(xué)家哈伯用鋨作催化劑成功地建立了 每小時產(chǎn)生每小時產(chǎn)生8080克氨的實驗裝置。哈伯因此而榮獲克氨的實驗裝置。哈伯因此而榮獲19181918年諾年諾 貝爾化學(xué)獎。貝爾化學(xué)獎。19311931年德國博施建成第一個用鐵催化劑的年德國博施建成第一個用鐵催化劑的 合成氨合成氨工廠日產(chǎn)量為工廠日產(chǎn)量為3030噸。噸。( (榮獲榮獲19311931年諾貝爾化學(xué)獎年諾貝爾化學(xué)獎) )。 6060多年來，不斷對合成氨工藝進(jìn)行改進(jìn)并引入現(xiàn)代化工多年來，不斷對合成氨工藝進(jìn)行改進(jìn)并引入現(xiàn)代化工 技術(shù)。

30、我國是農(nóng)業(yè)大國，肥料是增產(chǎn)的關(guān)鍵措施。目前技術(shù)。我國是農(nóng)業(yè)大國，肥料是增產(chǎn)的關(guān)鍵措施。目前 已達(dá)年產(chǎn)已達(dá)年產(chǎn)20002000萬噸的規(guī)模，占世界第二位。萬噸的規(guī)模，占世界第二位。 1.2 20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展 24 (4)(4)醫(yī)藥工業(yè)的大發(fā)展醫(yī)藥工業(yè)的大發(fā)展 2020世紀(jì)人類壽命顯著延長，世紀(jì)人類壽命顯著延長，7070歲以上的老人比例顯歲以上的老人比例顯 著提高，估計著提高，估計2020世紀(jì)人類平均壽命增加世紀(jì)人類平均壽命增加3030歲左右。人類歲左右。人類 壽命延長的原因之一是醫(yī)療條件的改善，其中針對人類壽命延長的原因之一是醫(yī)療條件的改善，其中針對人類 常見病、多發(fā)病

31、的新藥的研制成功是關(guān)鍵因素。醫(yī)藥工常見病、多發(fā)病的新藥的研制成功是關(guān)鍵因素。醫(yī)藥工 業(yè)的發(fā)展與化學(xué)緊密相關(guān)?；瘜W(xué)合成藥在醫(yī)學(xué)工業(yè)中占業(yè)的發(fā)展與化學(xué)緊密相關(guān)。化學(xué)合成藥在醫(yī)學(xué)工業(yè)中占 主導(dǎo)地位?；前匪幨堑诙问澜绱髴?zhàn)前惟一有效的抗細(xì)主導(dǎo)地位?；前匪幨堑诙问澜绱髴?zhàn)前惟一有效的抗細(xì) 菌感染的藥物。菌感染的藥物。DomagkDomagk因此而在因此而在19391939年榮獲諾貝爾生理年榮獲諾貝爾生理 及醫(yī)藥獎。及醫(yī)藥獎?；前奉愃幬锏膯柺罉?biāo)志著化學(xué)療法方面的一磺胺類藥物的問世標(biāo)志著化學(xué)療法方面的一 大突破大突破。第二次世界大戰(zhàn)后，磺胺藥逐漸讓位于治療效。第二次世界大戰(zhàn)后，磺胺藥逐漸讓位于治療效 果更好

32、的抗生素類藥，如青霉素、四環(huán)素、紅霉素、氯果更好的抗生素類藥，如青霉素、四環(huán)素、紅霉素、氯 霉素、頭孢菌素等。目前世界藥物市場的年銷售量約為霉素、頭孢菌素等。目前世界藥物市場的年銷售量約為 30003000億美元，在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有舉足輕重的作用。億美元，在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有舉足輕重的作用。 1.2 20世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展 25 美國美國9090年代化學(xué)工業(yè)產(chǎn)值約占年代化學(xué)工業(yè)產(chǎn)值約占3030，化學(xué)品出口占總出，化學(xué)品出口占總出 口的口的3030，位居世界第二位。，位居世界第二位。 美國的調(diào)查報告美國的調(diào)查報告“化學(xué)中的機(jī)會化學(xué)中的機(jī)會”指出，化學(xué)工業(yè)在國指出，化學(xué)工業(yè)在國

33、 際市場上要保持競爭力，主要看作為基礎(chǔ)學(xué)科的化學(xué)能否保際市場上要保持競爭力，主要看作為基礎(chǔ)學(xué)科的化學(xué)能否保 持領(lǐng)先地位。可見，沒有基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展為后盾，國民經(jīng)濟(jì)、持領(lǐng)先地位?？梢?，沒有基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展為后盾，國民經(jīng)濟(jì)、 高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的。高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的。 化學(xué)工業(yè)已成為某些國家的支柱產(chǎn)業(yè)化學(xué)工業(yè)已成為某些國家的支柱產(chǎn)業(yè) 26 u化學(xué)從原子分子水平研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)化學(xué)從原子分子水平研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng) 用的科學(xué)。用的科學(xué)。 化學(xué)教科書化學(xué)教科書 2 化學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵及地位作用化學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵及地位作用 u化學(xué)為總管物質(zhì)在原子、分子層次上變化之科學(xué)。化學(xué)為總管物

34、質(zhì)在原子、分子層次上變化之科學(xué)。 唐有祺唐有祺 u化學(xué)是一門試圖了解物質(zhì)的性質(zhì)和物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的科學(xué)，它化學(xué)是一門試圖了解物質(zhì)的性質(zhì)和物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的科學(xué)，它 涉及存在于自然界的物質(zhì)（如地球上的礦物、空氣中的氣體、涉及存在于自然界的物質(zhì)（如地球上的礦物、空氣中的氣體、 海洋里的水和鹽、動物體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)），以及由人類創(chuàng)造海洋里的水和鹽、動物體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)），以及由人類創(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、的新物質(zhì)，它涉及自然界的變化（如因閃電而著火的樹木、 與生命有關(guān)的化學(xué)變化），還有那些由化學(xué)家發(fā)明和創(chuàng)造的與生命有關(guān)的化學(xué)變化），還有那些由化學(xué)家發(fā)明和創(chuàng)造的 新變化。新變化。

35、 Ronald Breslow 2.1 化學(xué)學(xué)科的定義與內(nèi)涵化學(xué)學(xué)科的定義與內(nèi)涵 27 徐光憲徐光憲.化學(xué)學(xué)科進(jìn)展化學(xué)學(xué)科進(jìn)展M,北京北京:化工出版社化工出版社,2005:12 一維定義一維定義X定義定義 化學(xué)是研究化學(xué)是研究X對象的科學(xué)對象的科學(xué) X泛分子，包括泛分子，包括10個層次：個層次：原子原子;分子片分子片; 分子分子; 超分子超分子; 高分子高分子; 生物分子生物分子; 納米納米 分子分子; 原子和分子的宏觀聚集體原子和分子的宏觀聚集體; 復(fù)雜分子體復(fù)雜分子體 系和自組裝分子系和自組裝分子 二維定義二維定義XY定義定義 化學(xué)是研究化學(xué)是研究X對象的對象的Y內(nèi)容的內(nèi)容的 科學(xué)科學(xué) Y

36、合成和反應(yīng)、制備、剪裁和組裝、分離和合成和反應(yīng)、制備、剪裁和組裝、分離和 分析、結(jié)構(gòu)和構(gòu)象、粒度和形貌、物理和化學(xué)性分析、結(jié)構(gòu)和構(gòu)象、粒度和形貌、物理和化學(xué)性 質(zhì)、生理和生物活性、運輸和調(diào)控作用機(jī)制等個質(zhì)、生理和生物活性、運輸和調(diào)控作用機(jī)制等個 方面的規(guī)律、相互關(guān)系和應(yīng)用方面的規(guī)律、相互關(guān)系和應(yīng)用 三維定義三維定義XYZ定義定義 化學(xué)是用化學(xué)是用Z方法研究方法研究X對象的對象的Y 內(nèi)容的科學(xué)內(nèi)容的科學(xué) Z實驗，理論和計算機(jī)模擬實驗，理論和計算機(jī)模擬 四維定義四維定義XYZW定義定義 化學(xué)是用化學(xué)是用Z方法研究方法研究X對象的對象的Y 內(nèi)容以達(dá)到內(nèi)容以達(dá)到W目的的科學(xué)目的的科學(xué) W認(rèn)識世界，改造

37、自然和保護(hù)世界認(rèn)識世界，改造自然和保護(hù)世界 分子片是 指組成分 子的碎片 28 2.2 化學(xué)學(xué)科在科學(xué)發(fā)展中的地位化學(xué)學(xué)科在科學(xué)發(fā)展中的地位 R.Breslow (1997) Chemistry Today and TomorrowThe Central,Useful and Creative Science 化學(xué)的今天和明天化學(xué)是一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的科學(xué) 29 從早晨開始，我們在用化學(xué)品建造的住宅中醒來，家具是部分從早晨開始，我們在用化學(xué)品建造的住宅中醒來，家具是部分 地用化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代材料制作的，我們使用化學(xué)家們設(shè)計的肥地用化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代材料制作的，我們使用化學(xué)家們設(shè)計的肥

38、 皂和牙膏并穿上由合成纖維和合成染料制成的衣服，即使天然纖維皂和牙膏并穿上由合成纖維和合成染料制成的衣服，即使天然纖維 （如羊毛或棉花）也是經(jīng)化學(xué)品處理過并染色的。這樣可以改進(jìn)它（如羊毛或棉花）也是經(jīng)化學(xué)品處理過并染色的。這樣可以改進(jìn)它 們的性能。們的性能。 為了保鮮起見，食品要被包裝和冷藏起來，而這些食品要么用化為了保鮮起見，食品要被包裝和冷藏起來，而這些食品要么用化 肥、除草劑和農(nóng)藥使之生長；要么家畜類需獸醫(yī)藥來防病；要么需肥、除草劑和農(nóng)藥使之生長；要么家畜類需獸醫(yī)藥來防?。灰葱?加入維生素后食用；甚至我們購買的天然食品，如牛奶，也必須經(jīng)加入維生素后食用；甚至我們購買的天然食品，如牛奶，

39、也必須經(jīng) 過化學(xué)檢驗后方可食用。過化學(xué)檢驗后方可食用。 我們的交通工具我們的交通工具汽車、火車、飛機(jī)汽車、火車、飛機(jī)在很大程度上依靠化在很大程度上依靠化 學(xué)工業(yè)的產(chǎn)品；晨報是用化學(xué)家們制造的油墨在用化學(xué)方法制造的學(xué)工業(yè)的產(chǎn)品；晨報是用化學(xué)家們制造的油墨在用化學(xué)方法制造的 紙上印刷的；用于說明事物的照片要用化學(xué)家們制造的膠卷和膠片；紙上印刷的；用于說明事物的照片要用化學(xué)家們制造的膠卷和膠片； 日常生活中的金屬制品都是用經(jīng)過以化學(xué)為基礎(chǔ)的冶煉轉(zhuǎn)化為金屬日常生活中的金屬制品都是用經(jīng)過以化學(xué)為基礎(chǔ)的冶煉轉(zhuǎn)化為金屬 或合金后制造的，為了保護(hù)它們還要涂上油漆?；蚝辖鸷笾圃斓?，為了保護(hù)它們還要涂上油漆。 化

40、妝品是由化學(xué)家制造和檢驗過的；警察和軍人用的武器也都依化妝品是由化學(xué)家制造和檢驗過的；警察和軍人用的武器也都依 靠化學(xué)。事實上，在我們的日常生活中很難找出一種不依靠化學(xué)和靠化學(xué)。事實上，在我們的日常生活中很難找出一種不依靠化學(xué)和 化學(xué)家?guī)椭圃斐鰜淼漠a(chǎn)品。化學(xué)家?guī)椭圃斐鰜淼漠a(chǎn)品。 30 第第1 1章章 化學(xué)是一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的科學(xué)化學(xué)是一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的科學(xué) 1111什么是化學(xué)什么是化學(xué) 2 2化學(xué)家做什么化學(xué)家做什么 1313早期的化學(xué)有些什么早期的化學(xué)有些什么 1414為什么化學(xué)家成這門學(xué)科為為什么化學(xué)家成這門學(xué)科為“中心科學(xué)中心科學(xué)” 1515是什么是化學(xué)成為是

41、什么是化學(xué)成為“使用的科學(xué)使用的科學(xué)”和創(chuàng)造性的科學(xué)和創(chuàng)造性的科學(xué) 1616那些是化學(xué)的基本原理那些是化學(xué)的基本原理 1717化學(xué)領(lǐng)域有多大化學(xué)領(lǐng)域有多大 關(guān)于未來關(guān)于未來 第第2 2章章 健康和生命的化學(xué)健康和生命的化學(xué) 2121藥物化學(xué)在過去對人類健康有哪些貢獻(xiàn)藥物化學(xué)在過去對人類健康有哪些貢獻(xiàn) 2222藥物化學(xué)家是怎樣設(shè)計或發(fā)現(xiàn)新藥的藥物化學(xué)家是怎樣設(shè)計或發(fā)現(xiàn)新藥的 2323藥物化學(xué)家現(xiàn)在忙于什么藥物化學(xué)家現(xiàn)在忙于什么 2424化學(xué)家對了解生命的本質(zhì)有什么貢獻(xiàn)？光和作用化學(xué)化學(xué)家對了解生命的本質(zhì)有什么貢獻(xiàn)？光和作用化學(xué) 簡介簡介 2525化學(xué)在分子生物學(xué)和生物技術(shù)中的作用是什么化學(xué)在分子

42、生物學(xué)和生物技術(shù)中的作用是什么 關(guān)于未來關(guān)于未來 第第3 3章章 再談化學(xué)是一門使用的科學(xué)再談化學(xué)是一門使用的科學(xué) 3131化學(xué)在住房和陳設(shè)品方面起什么作用化學(xué)在住房和陳設(shè)品方面起什么作用 3232化學(xué)在穿著方面起什么作用化學(xué)在穿著方面起什么作用 3333化學(xué)和運輸?shù)年P(guān)系怎樣化學(xué)和運輸?shù)年P(guān)系怎樣 3434哈是如何改進(jìn)事物供應(yīng)的哈是如何改進(jìn)事物供應(yīng)的 3535化學(xué)和國防的關(guān)系怎樣化學(xué)和國防的關(guān)系怎樣 3636化學(xué)和執(zhí)法方面的關(guān)系怎樣化學(xué)和執(zhí)法方面的關(guān)系怎樣 3737化學(xué)對生活的質(zhì)量作出了哪些貢獻(xiàn)化學(xué)對生活的質(zhì)量作出了哪些貢獻(xiàn) 關(guān)于未來關(guān)于未來 第第4 4章化學(xué)與環(huán)境章化學(xué)與環(huán)境 4141我們能否

43、有一個建立在先進(jìn)技術(shù)上的現(xiàn)代社會，而這我們能否有一個建立在先進(jìn)技術(shù)上的現(xiàn)代社會，而這 些技術(shù)不會無休止地污染地球些技術(shù)不會無休止地污染地球 4242工業(yè)能否干凈地制造化學(xué)產(chǎn)品工業(yè)能否干凈地制造化學(xué)產(chǎn)品 4343在解決從核能發(fā)電廠排放出放射性廢棄物的問題上，在解決從核能發(fā)電廠排放出放射性廢棄物的問題上， 化學(xué)家們能作什么貢獻(xiàn)化學(xué)家們能作什么貢獻(xiàn) 44人類日常生活回造成什么樣的污染人類日常生活回造成什么樣的污染 4545我們能否控制蟲害而不危害有用的動物我們能否控制蟲害而不危害有用的動物 4646我們則樣能保證新合成的哈制品不會破壞環(huán)境，或沒有我們則樣能保證新合成的哈制品不會破壞環(huán)境，或沒有 不良

44、的生物效應(yīng)不良的生物效應(yīng) 不是所有的不良化學(xué)效應(yīng)都是致命的不是所有的不良化學(xué)效應(yīng)都是致命的 關(guān)于未來關(guān)于未來 第第5 5章章 計算機(jī)與化學(xué)計算機(jī)與化學(xué)電子學(xué)的革命電子學(xué)的革命 5151現(xiàn)代的電子學(xué)革命誕生了計算機(jī)，化學(xué)對此有和貢獻(xiàn)現(xiàn)代的電子學(xué)革命誕生了計算機(jī)，化學(xué)對此有和貢獻(xiàn) 5252什么是計算化學(xué)什么是計算化學(xué) 5353計算化學(xué)則樣幫助我們測定蛋白質(zhì)的形成計算化學(xué)則樣幫助我們測定蛋白質(zhì)的形成 關(guān)于未來關(guān)于未來 電子材料電子材料 計算化學(xué)計算化學(xué) 第第6 6章章 在生物體和工業(yè)中的催化作用在生物體和工業(yè)中的催化作用 6161催化劑能扮演什么樣的角色催化劑能扮演什么樣的角色 6262作為生命催化

45、劑的酶是何物作為生命催化劑的酶是何物 6363酶催化生物反映時，能加速多少？又如何進(jìn)行選擇酶催化生物反映時，能加速多少？又如何進(jìn)行選擇 6464維生素能起生物催化作用嗎維生素能起生物催化作用嗎 6565酶的作用知多少酶的作用知多少 6666對酶的認(rèn)識是否有住與新藥的設(shè)計對酶的認(rèn)識是否有住與新藥的設(shè)計 6767汽車用的故態(tài)金屬催化劑是則樣起作用的汽車用的故態(tài)金屬催化劑是則樣起作用的 6868為什么工業(yè)界常用的固體催化劑并不具有金屬特性？為什么工業(yè)界常用的固體催化劑并不具有金屬特性？ 關(guān)于未來關(guān)于未來 第第7 7章章 化學(xué)家怎樣創(chuàng)造新分子化學(xué)家怎樣創(chuàng)造新分子 7171化學(xué)家如何決定應(yīng)該研制什么新分

46、子化學(xué)家如何決定應(yīng)該研制什么新分子? ? 7272化學(xué)家如何計劃未知分子的成功合成化學(xué)家如何計劃未知分子的成功合成? ? 7373在哪里進(jìn)行合成實驗在哪里進(jìn)行合成實驗? ? 7474新化學(xué)物質(zhì)一旦被創(chuàng)造還要做些什么新化學(xué)物質(zhì)一旦被創(chuàng)造還要做些什么 關(guān)于未來關(guān)于未來 第第8 8章章 認(rèn)識分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化認(rèn)識分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化 8181化學(xué)家怎樣測定新分子的結(jié)構(gòu)化學(xué)家怎樣測定新分子的結(jié)構(gòu)? ? 8282分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)與它們的性質(zhì)之間存在什么關(guān)系分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)與它們的性質(zhì)之間存在什么關(guān)系? ? 8383化學(xué)家如何測定化學(xué)反應(yīng)的歷程化學(xué)家如何測定化學(xué)反應(yīng)的歷程? ? 8484在哪里進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

47、及反應(yīng)歷程的研究在哪里進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及反應(yīng)歷程的研究? ? 31 化學(xué)是承上啟下的中心學(xué)科(central science) 科學(xué)按照其研究對象由簡單到復(fù)雜分為科學(xué)按照其研究對象由簡單到復(fù)雜分為： 上游：數(shù)學(xué)、物理學(xué)上游：數(shù)學(xué)、物理學(xué)研究對象簡單，研究程度很深研究對象簡單，研究程度很深 中游：化學(xué)中游：化學(xué) 下游：生命、材料、環(huán)境下游：生命、材料、環(huán)境研究對象復(fù)雜研究對象復(fù)雜 化學(xué)是中心科學(xué)，是從上游到下游的必經(jīng)之地，永遠(yuǎn)不會象有 些人估計的那樣將要在物理學(xué)與生物學(xué)的夾縫中逐漸消亡！ 化學(xué)是一門中心科學(xué)化學(xué)是一門中心科學(xué) 徐光憲徐光憲.今日化學(xué)的何去何從今日化學(xué)的何去何從J,大學(xué)化學(xué)大學(xué)化

48、學(xué),2003,18(1):1 化學(xué)是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間化學(xué)是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間 和核科學(xué)等八大朝陽科學(xué)都有密切的聯(lián)系、交叉和滲透的中和核科學(xué)等八大朝陽科學(xué)都有密切的聯(lián)系、交叉和滲透的中 心科學(xué)。心科學(xué)。 32 化學(xué)是一門實用的科學(xué)化學(xué)是一門實用的科學(xué) 人類之衣、食、住、行和娛樂無不與化學(xué)有關(guān)。人類之衣、食、住、行和娛樂無不與化學(xué)有關(guān)。 當(dāng)前一些重大的工業(yè)過程基本上都基于化學(xué)過程。當(dāng)前一些重大的工業(yè)過程基本上都基于化學(xué)過程。 世界專利發(fā)明中有世界專利發(fā)明中有20%與化學(xué)有關(guān)。與化學(xué)有關(guān)。 發(fā)達(dá)國家從事研究與開發(fā)的科研人員中，化學(xué)與化工專家發(fā)達(dá)國家從

49、事研究與開發(fā)的科研人員中，化學(xué)與化工專家 占一半左右。占一半左右。 化工企業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代依靠化學(xué)的進(jìn)步，而化工產(chǎn)品的化工企業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代依靠化學(xué)的進(jìn)步，而化工產(chǎn)品的 產(chǎn)值和出口比例在國民經(jīng)濟(jì)中一直保持著領(lǐng)先地位產(chǎn)值和出口比例在國民經(jīng)濟(jì)中一直保持著領(lǐng)先地位。 33 化學(xué)是一門創(chuàng)造性的科學(xué)化學(xué)是一門創(chuàng)造性的科學(xué) 化學(xué)家辛勤的耕耘著元素周期體系中的百余個化化學(xué)家辛勤的耕耘著元素周期體系中的百余個化 學(xué)元素并整理著天然產(chǎn)物，所發(fā)現(xiàn)的新化合物幾乎學(xué)元素并整理著天然產(chǎn)物，所發(fā)現(xiàn)的新化合物幾乎 每每10年約翻一番。隨著化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)理論及合成方年約翻一番。隨著化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)理論及合成方 法的不斷發(fā)展和完善，

50、新化合物的增加速率已快于法的不斷發(fā)展和完善，新化合物的增加速率已快于 指數(shù)表達(dá)方式，指數(shù)表達(dá)方式，90年代以來每年新增的化合物約有年代以來每年新增的化合物約有 60余萬種。迄今化學(xué)家已經(jīng)擁有余萬種。迄今化學(xué)家已經(jīng)擁有1900多萬種化合物，多萬種化合物， 其中絕大多數(shù)是由化學(xué)家合成的。其中絕大多數(shù)是由化學(xué)家合成的。 化學(xué)在舊的自然界旁又建起了一個新的自然界?；瘜W(xué)在舊的自然界旁又建起了一個新的自然界。 R. B. Woodward 34 化學(xué)思想化學(xué)思想科學(xué)哲學(xué)思想的重要組成部分科學(xué)哲學(xué)思想的重要組成部分 l實驗驗證思想實驗方法來驗證和探究化學(xué)知識的思想 l守恒思想：能量守恒;質(zhì)量守恒;電荷守恒/

51、得失電子守恒 l動態(tài)平衡思想用平衡移動的原理來分析粒子之間相互反應(yīng), 系統(tǒng)了解闡釋溶解平衡、化學(xué)平衡、電離平衡、水解平衡、氧化 還原平衡等多種平衡體系的本質(zhì)。 l量變質(zhì)變思想質(zhì)量互變規(guī)律在化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用。例如：溫 度改變，物質(zhì)狀態(tài)的改變；元素原子個數(shù)或排列方式不同，產(chǎn)生 了不同的物質(zhì)（同素異形體和同分異構(gòu)體）；反應(yīng)物之間物質(zhì)的 量的比例不同，產(chǎn)物不同；反應(yīng)條件的不同，產(chǎn)物不同；隨原子 序數(shù)遞增，原子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)周期性的變化，元素的性質(zhì)也呈周期性 的變化；定性實驗和定量實驗的相互關(guān)系等。 l結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)思想物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)，物質(zhì)性質(zhì)反映 了物質(zhì)的結(jié)構(gòu) 35 化學(xué)與生物學(xué)的不同化學(xué)與生物學(xué)的不同

52、p“生物學(xué)家致力于闡明自然生命的過程，而化學(xué)家生物學(xué)家致力于闡明自然生命的過程，而化學(xué)家 則習(xí)慣于如何去調(diào)控這一過程則習(xí)慣于如何去調(diào)控這一過程”。 Doyle and Coray,Chemistry & Biology,1998,5,157-160) p生物學(xué)家注意認(rèn)識世界，而化學(xué)家則想改造世界生物學(xué)家注意認(rèn)識世界，而化學(xué)家則想改造世界。 “化學(xué)家看起來比較審慎化學(xué)家看起來比較審慎,善于分析并較多的在本學(xué)科內(nèi)獨善其身。他善于分析并較多的在本學(xué)科內(nèi)獨善其身。他 們將注意力集中在分子上面，他們醉心于一個多手心的中心、具有很大們將注意力集中在分子上面，他們醉心于一個多手心的中心、具有很大 合成難度的

53、分子帶來的挑戰(zhàn)，并力圖用最短的路線和最高的產(chǎn)率來得到合成難度的分子帶來的挑戰(zhàn)，并力圖用最短的路線和最高的產(chǎn)率來得到 目標(biāo)分子，通過用相對較少但巧妙的技術(shù)以獲得精確的資料。對他們來目標(biāo)分子，通過用相對較少但巧妙的技術(shù)以獲得精確的資料。對他們來 講注重蛋白質(zhì)和核酸的化學(xué)更甚于它們的生理重要性。另一方面。生物講注重蛋白質(zhì)和核酸的化學(xué)更甚于它們的生理重要性。另一方面。生物 學(xué)家似乎較具有藝術(shù)性、調(diào)和性和主要用右腦思考。他們喜歡使用種類學(xué)家似乎較具有藝術(shù)性、調(diào)和性和主要用右腦思考。他們喜歡使用種類 繁多卻不太精密的技術(shù)來研究細(xì)胞和器官內(nèi)的復(fù)雜現(xiàn)象。他們喜歡神秘繁多卻不太精密的技術(shù)來研究細(xì)胞和器官內(nèi)的復(fù)雜

54、現(xiàn)象。他們喜歡神秘 和復(fù)雜，當(dāng)揭去面紗，顯露出分子本質(zhì)時，他們中有些人則會感到失和復(fù)雜，當(dāng)揭去面紗，顯露出分子本質(zhì)時，他們中有些人則會感到失 望望”。 Kornberg,Chemistry & Biology,1996,3,3-5 36 報刊上提及報刊上提及20世紀(jì)發(fā)明的六大技術(shù)世紀(jì)發(fā)明的六大技術(shù)應(yīng)為七大技術(shù)！應(yīng)為七大技術(shù)！ 信息技術(shù)（無線電、半導(dǎo)體、芯片、集成電路、計算機(jī)、信息技術(shù)（無線電、半導(dǎo)體、芯片、集成電路、計算機(jī)、 通訊和網(wǎng)絡(luò)）通訊和網(wǎng)絡(luò)） 生物技術(shù)（基因重組、克隆和生物芯片）生物技術(shù)（基因重組、克隆和生物芯片） 核科學(xué)和核武器技術(shù)核科學(xué)和核武器技術(shù) 航空航天和導(dǎo)彈技術(shù)航空航天和導(dǎo)彈

55、技術(shù) 激光技術(shù)激光技術(shù) 納米技術(shù)納米技術(shù) 化學(xué)合成技術(shù)（新藥物、新材料、高分子、化學(xué)和農(nóng)藥）化學(xué)合成技術(shù)（新藥物、新材料、高分子、化學(xué)和農(nóng)藥） 化學(xué)家缺少品牌意識，沒有在社會上樹立化學(xué)的美好品牌，化學(xué)家缺少品牌意識，沒有在社會上樹立化學(xué)的美好品牌， 甚至化學(xué)成為有毒、有害、高污染的代名詞！甚至化學(xué)成為有毒、有害、高污染的代名詞！ 化學(xué)家太謙虛! 37 從人類對七大技術(shù)發(fā)明的需要迫切性來排序： 按20世紀(jì)的七大技術(shù)發(fā)明衍生的產(chǎn)業(yè)規(guī)模及其對世界 經(jīng)濟(jì)的影響來排序： 38 未來化學(xué)所面臨的重大挑戰(zhàn)未來化學(xué)所面臨的重大挑戰(zhàn) p環(huán)境問題環(huán)境問題 p人口控制與健康人口控制與健康 p食品問題食品問題 p資源

56、與可持續(xù)發(fā)展資源與可持續(xù)發(fā)展 3 21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢 39 （1 1）化學(xué)的第一根本規(guī)律）化學(xué)的第一根本規(guī)律化學(xué)反應(yīng)理論和定律化學(xué)反應(yīng)理論和定律 建立精確有效而又普遍適用的化學(xué)反應(yīng)的含時多體量子理論和統(tǒng)計理論。 （2 2）化學(xué)的第二根本規(guī)律）化學(xué)的第二根本規(guī)律分子結(jié)構(gòu)及其性能的定量關(guān)系分子結(jié)構(gòu)及其性能的定量關(guān)系 分子和分子間的非共價鍵的相互作用的本質(zhì)和規(guī)律；超分子結(jié)構(gòu)的類型，生成和 調(diào)控的規(guī)律；給體-受體作用原理；進(jìn)一步完善原子價和化學(xué)鍵理論，特別是無機(jī) 化學(xué)中的共價問題；生物大分子的一級結(jié)構(gòu)如何決定高級結(jié)構(gòu)？高級結(jié)構(gòu)又如何決 定生物和生理活性？ 。 （3 3）活

57、分子運動的基本規(guī)律）活分子運動的基本規(guī)律 充分認(rèn)識和徹底了解人類和生物體內(nèi)分子的運動規(guī)律。如在地球元素的 生態(tài)循環(huán)中，植物界做了兩件偉大的事：光合作用活分子催化劑葉綠素是怎樣 作用的？生物固氮豆科植物的根瘤菌能打開非常穩(wěn)定的氮分子中的化學(xué)鍵，生 成含氮小分子，再進(jìn)一步合成蛋白質(zhì)和核酸。 （4 4）納米尺度的基本規(guī)律）納米尺度的基本規(guī)律 當(dāng)尺度在十分之幾到10nm的量級，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊 界中，有許多新的奇異特性和新的效應(yīng)，新的規(guī)律和重要應(yīng)用，值得理論化 學(xué)家去探索研究。 21世紀(jì)化學(xué)的四大難題世紀(jì)化學(xué)的四大難題 40 2121世紀(jì)物理學(xué)提出了五大理論難題世紀(jì)物理學(xué)提出了五大理論

58、難題 （1）4種作用力場的統(tǒng)一問題，相對論和量子力學(xué)的統(tǒng)一問題。 （2）對稱性破缺問題。 （3）占宇宙總質(zhì)量90%的暗物質(zhì)是什么的問題。 （4）黑洞和類星體問題。 （5）夸克禁閉問題等。 2121世紀(jì)的生物學(xué)也有重大難題和奮斗目標(biāo)：世紀(jì)的生物學(xué)也有重大難題和奮斗目標(biāo)： （1）后基因組學(xué)和人類疾病的消除。 （2）蛋白質(zhì)組學(xué)。 （3）腦科學(xué)。 （4）生物如何進(jìn)化？生命如何起源等。 21世紀(jì)物理學(xué)和生物學(xué)的難題世紀(jì)物理學(xué)和生物學(xué)的難題 41 3 21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢 3.1 3.1 人類社會的發(fā)展對化學(xué)的需求人類社會的發(fā)展對化學(xué)的需求 (1)(1)化學(xué)仍是解決食物和健康問

59、題的主要學(xué)科之一化學(xué)仍是解決食物和健康問題的主要學(xué)科之一 化學(xué)將支撐生物學(xué)在提供優(yōu)良品種，提供轉(zhuǎn)基因生物等方面作貢獻(xiàn) 化學(xué)將在設(shè)計、合成功能分子和結(jié)構(gòu)材料以及分子層次闡明和控制生物過程 的機(jī)理方面，為研究開發(fā)高效安全肥料、飼料、農(nóng)藥、農(nóng)用材料、生物肥料、 生物農(nóng)藥打下基礎(chǔ) 利用化學(xué)和生物方法增加動植物食品的防病有效成分，提供安全的有防病作 用的食品和食品添加劑，改正食品儲存加工方法，減少不安全因素，是化學(xué) 研究的重要內(nèi)容 (2)(2)化學(xué)在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用起關(guān)鍵作用化學(xué)在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用起關(guān)鍵作用 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)（保護(hù)環(huán)境

60、，降 低成本） 開發(fā)新能源，太陽能以及高效潔凈的化學(xué)電源與燃料電池等將成為21世紀(jì) 的重要能源 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 42 (3)(3)化學(xué)將繼續(xù)推動材料科學(xué)發(fā)展化學(xué)將繼續(xù)推動材料科學(xué)發(fā)展 末來化學(xué)不僅要設(shè)計和合成分子而且要把這些分子組裝、構(gòu)筑成有特定功能 的材料，從超導(dǎo)體到催化劑、藥物控釋載體、納米材料都要從分子以上層次研 究材料的結(jié)構(gòu) 20世紀(jì)化學(xué)模擬酶的活性中心已取得進(jìn)展，未來將會在可用于生產(chǎn)、生活和 醫(yī)療的模擬酶的研究方面有突破 21世紀(jì)電子技術(shù)將向更快、更小、功能更強(qiáng)的方向發(fā)展，目前大家正在致力 于量子計算機(jī)、生物計算機(jī)、分子器件、生物芯片等新技術(shù)，