有機(jī)化學(xué)專論01-21世紀(jì)的化學(xué)

1、前沿領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)最新成果交叉學(xué)科四、本課程的主要內(nèi)容自組裝 互鎖結(jié)構(gòu)與分子機(jī)器有機(jī)功能材料化學(xué)生物學(xué)與仿生化學(xué)不對(duì)稱合成與催化綠色化學(xué)富勒烯化學(xué)現(xiàn)代合成反應(yīng)與分離技術(shù)納米化學(xué)9. 如何寫好論文 : 科技論文、 畢業(yè)論文10. 實(shí)驗(yàn)技能：合成、分離、單晶有機(jī)化學(xué)選論有機(jī)化學(xué)選論1、選擇一個(gè)課題寫一篇綜述2、寫一份基金項(xiàng)目申請(qǐng)書(Proposal)之一：二十一世紀(jì)的化學(xué) 一、 21世紀(jì)的化學(xué)研究有機(jī)化學(xué)選論化學(xué)科學(xué)的前沿和熱點(diǎn)：認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué)和以混合量子與經(jīng)典方 法的含時(shí)統(tǒng)計(jì)理論為代表的理論化學(xué)；具有生物活性，具有光、電、磁等性能的功能化合物的高選擇性合成與制備；化學(xué)催化、生命體

2、系中的化學(xué)過(guò)程以及化學(xué)生物學(xué)；極端條件下的化學(xué)行為以及與人類生存相關(guān)的分析和超快速、超微量、在位、活體分析和檢測(cè)手段；分子以上層次化學(xué)與納米化學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)的尺度效應(yīng)；以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的綠色化學(xué)。 有機(jī)化學(xué)選論重點(diǎn)之一：多層次分子間的相互作用 雖然分子間的作用力如氫鍵和范德華力等是化學(xué)中的基本概念，但這些弱作用力的本質(zhì)，這些弱作用力對(duì)分子聚集的影響等問(wèn)題，還有待解決。在化學(xué)界，已經(jīng)有了一個(gè)基本的共識(shí)：注重分子間的弱相互作用研究，將會(huì)開(kāi)辟一個(gè)全新的化學(xué)研究空間，給化學(xué)科學(xué)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)對(duì)材料科學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展有重要意義。有機(jī)化學(xué)選論 生命體系中的化學(xué)問(wèn)題研究仍將是科學(xué)研究的前沿。值得

3、注意的是，以利用化學(xué)理論、研究方法和手段來(lái)探索生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題的化學(xué)生物學(xué)正在形成。有跡象表明，化學(xué)生物學(xué)將成為未來(lái)20年或更長(zhǎng)一些時(shí)間內(nèi)的重要前沿學(xué)科方向之一。重點(diǎn)之二：化學(xué)生物學(xué)有機(jī)化學(xué)選論 納米化學(xué)和分子納米技術(shù)越來(lái)越受到世界各國(guó)科技界的關(guān)注。納米化學(xué)的發(fā)展使人們對(duì)納米物質(zhì)本性的認(rèn)識(shí)有了深入了解的可能，這將對(duì)發(fā)現(xiàn)新的納米材料，開(kāi)發(fā)具有特殊性能的納米材料，如納米磁性材料、納米陶瓷材料、納米催化劑、納米信息材料、納米潤(rùn)滑材料等，以及開(kāi)辟新的應(yīng)用途徑起到巨大的推動(dòng)作用。 重點(diǎn)之三：納米化學(xué)有機(jī)化學(xué)選論 綠色化學(xué)得到普遍關(guān)注。綠色化學(xué)的主體思想是采用無(wú)毒、無(wú)害的原料和溶劑，新化學(xué)反應(yīng)達(dá)到選擇性高，生

4、產(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品，并且經(jīng)濟(jì)合理。綠色化學(xué)是與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的、更高境界的化學(xué)，它要求化學(xué)家重新考慮化學(xué)問(wèn)題，從源頭上消除任何污染。這是21世紀(jì)賦予化學(xué)家們的一項(xiàng)重要任務(wù)。 重點(diǎn)之四：綠色化學(xué)有機(jī)化學(xué)選論合成化學(xué)將要開(kāi)拓若干新領(lǐng)域： 尋求結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和多樣性的目標(biāo)結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含高級(jí)結(jié)構(gòu)。 因此合成化學(xué)既研究傳統(tǒng)的分子合成化學(xué)，也應(yīng)研究高級(jí)結(jié)構(gòu)，特別是高級(jí)有序結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑學(xué)（Tectonics）。高級(jí)結(jié)構(gòu)是以分子間弱相互作用為基礎(chǔ)的。因此，與合成分子為目的的合成化學(xué)有所不同，高級(jí)結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)單元分子組裝成的，有時(shí)也可能在合成分子的時(shí)候，生成的分子自組裝成的。研究這兩方面的可能性都有廣闊的發(fā)展前景。 有

5、機(jī)化學(xué)選論 組合化學(xué)是基于與傳統(tǒng)合成思路相反的反向思維，加上固相合成技術(shù)，并受生物學(xué)大規(guī)模平行操作（如用96孔板操作）啟發(fā)而產(chǎn)生的。它一開(kāi)始就在篩選藥物方面顯示潛在力量?，F(xiàn)在已經(jīng)又發(fā)展了液相方法，并且推廣到肽和核苷酸以外的有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物。我們不能把組合化學(xué)僅僅看作是一種技術(shù)，而應(yīng)該看到以它為基礎(chǔ)的生長(zhǎng)點(diǎn)。 2、組合化學(xué)有機(jī)化學(xué)選論 發(fā)現(xiàn)和尋找新合成方法是永久課題。目前，除了研究尋找新合成反應(yīng)和方法（包括以一定手性（類手性）、對(duì)稱性和構(gòu)象為目標(biāo)的反應(yīng)和方法）外，重要的是為可持續(xù)發(fā)展提供新反應(yīng)、新路線、現(xiàn)在使用的化學(xué)品的安全替代物。此外，基于結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系設(shè)計(jì)-合成新功能分子或功能材料；基于分子

6、或合成子組裝的合成、構(gòu)筑高級(jí)結(jié)構(gòu)的研究，包括控制大分子纏繞、折疊和有序聚集研究（多層次）；基于模擬生物材料形成過(guò)程的合成方法研究等將得到進(jìn)一步發(fā)展。 3、 發(fā)現(xiàn)和尋找新合成方法有機(jī)化學(xué)選論4、結(jié)構(gòu)化學(xué)與合成化學(xué)相結(jié)合 結(jié)構(gòu)化學(xué)與合成化學(xué)結(jié)合是未來(lái)化學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 C60是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中偶然發(fā)現(xiàn)的。出自意外總是偶然的。在發(fā)現(xiàn)之后，人們又覺(jué)得它的存在是合理的，應(yīng)該可以預(yù)計(jì)的。是否可能合成化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)結(jié)合增加合成前的設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)是我們值得思考的又一個(gè)問(wèn)題。 有機(jī)化學(xué)選論超分子層次研究： 超分子是二個(gè)分子通過(guò)非共價(jià)鍵的分子間作用力結(jié)合起來(lái)的物質(zhì)微粒。例如環(huán)糊精-CD是一個(gè)分子，形似花盆 ,它的尺度略

7、大于C60的直徑，可以把C60包進(jìn)去，生成1:1和2:1的超分子。艾滋病毒HIV是一個(gè)生物大分子，其活性部位，形似環(huán)糊精，大小與C60十分接近，它們可以形成超分子。因此，C60可以抑制艾滋病毒HIV。環(huán)糊精分子還可作為主體，把其它小分子包在里面，又可作為客體，插入Zr(HPO4)2(H2O)晶體的結(jié)構(gòu)層之間，組裝成復(fù)雜的超分子體系。 有機(jī)化學(xué)選論納米分子和納米聚集體層次： 例如碳納米管、納米金屬、微乳、膠束、反膠束、氣溶膠、納米微孔結(jié)構(gòu)、納米厚度的膜、固體表面的有序膜、單分子分散膜等。 有機(jī)化學(xué)選論復(fù)合和雜化分子材料。分子器件，例如在金絲尖端裝上經(jīng)過(guò)巰基 化修飾的單層碳納米管（SWCNT），可

8、以作為M的針 尖。又如分子導(dǎo)線、分子開(kāi)關(guān)、分子探針、分子芯片、分子晶體管等。分子機(jī)器，如分子馬達(dá)在UV光下，能通過(guò)4種同分異構(gòu)體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，又如分子計(jì)算機(jī)等。宏觀組裝器件如燃料電池，太陽(yáng)能電池等。 復(fù)雜分子體系及其組裝體的層次：有機(jī)化學(xué)選論合成化學(xué)的新方法合成化學(xué)始終是化學(xué)的根本任務(wù)，21世紀(jì)的合成化學(xué)將從化合物的經(jīng)典合成方法擴(kuò)展到包含組裝等在內(nèi)的廣義合成，目的在于得到能實(shí)際應(yīng)用的分子器件和組裝體。合成方法的十化：芯片化，組合化，模板化，定向化，設(shè)計(jì)化，基因工程化，自組裝化，手性化，原子經(jīng)濟(jì)化，綠色化?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室的微型化和超微型化：節(jié)能、節(jié)材料、節(jié)時(shí)間、減少污染。從單個(gè)化合物的合成、分離、分析及

9、性能測(cè)試的手工操作方法，發(fā)展到成千上萬(wàn)個(gè)化合物的同時(shí)合成，在未分離的條件下，進(jìn)行性能測(cè)試，從而篩選出我們需要的化合物（例如藥物）的組合化學(xué)方法。 有機(jī)化學(xué)選論二、21世紀(jì)化學(xué)的四大難題 1、化學(xué)的第一根本規(guī)律：化學(xué)反應(yīng)理論和定律 嚴(yán)格的徹底的微觀的化學(xué)反應(yīng)理論，包括決定某兩個(gè)或幾個(gè)分子之間能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？能否生成預(yù)期的分子？需要什么催化劑才能在溫和條件下進(jìn)行反應(yīng)？如何在理論指導(dǎo)下控制化學(xué)反應(yīng)？如何計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的速率？如何確定化學(xué)反應(yīng)的途徑等，是21世紀(jì)化學(xué)應(yīng)該解決的第一個(gè)難題。 有機(jī)化學(xué)選論充分了解若干個(gè)重要的典型的化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，以便設(shè)計(jì)最好的催化劑，實(shí)現(xiàn)在最溫和的條件進(jìn)行反應(yīng)，控制反應(yīng)的

10、方向和手性，發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)類型，新的反應(yīng)試劑。在搞清楚光合作用和生物固氮機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)催化劑和反應(yīng)途徑，以便打斷CO2, N2等穩(wěn)定分子中的惰性化學(xué)鍵。研究其它各種酶催化反應(yīng)的機(jī)理。酶對(duì)化學(xué)反應(yīng)的加速可達(dá)100億倍，專一性達(dá)100%。如何模擬天然酶，制造人工催化劑，是化學(xué)家面臨的重大難題。充分了解分子的電子、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，用特定頻率的光脈沖來(lái)打斷選定的化學(xué)鍵棗選鍵化學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 首先研究的課題有：有機(jī)化學(xué)選論2、化學(xué)的第二根本規(guī)律：結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系 這里“結(jié)構(gòu)”和“性能”是廣義的，前者包含構(gòu)型、構(gòu)象、手性、粒度、形狀和形貌等，后者包含物理、化學(xué)和功能性質(zhì)以及生物和生理活性等。雖

11、然W.Kohn從理論上證明一個(gè)分子的電子云密度可以決定它的所有性質(zhì)，但實(shí)際計(jì)算困難很多，現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系的了解，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。所以這是21世紀(jì)化學(xué)的第二個(gè)重大難題。 有機(jī)化學(xué)選論要優(yōu)先研究的課題有： （1）分子和分子間的非共價(jià)鍵的相互作用的本質(zhì)和規(guī)律。（2）超分子結(jié)構(gòu)的類型，生成和調(diào)控的規(guī)律。（3）給體/受體作用原理。（4）生物大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)如何決定高級(jí)結(jié)構(gòu)？高級(jí)結(jié)構(gòu)又如何決定生物和生理活性？ （5）分子自由基的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 （6）摻雜晶體的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系 。 （7）進(jìn)一步完善原子價(jià)和化學(xué)鍵理論，特別是無(wú)機(jī)化學(xué)中的共價(jià)問(wèn)題。 （8）各種維數(shù)的空腔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜分子體系的構(gòu)筑原理

12、和規(guī)律。（9）如何設(shè)計(jì)合成具有人們期望的某種性能的材料？有機(jī)化學(xué)選論要優(yōu)先研究的課題有： （10）如何使宏觀材料達(dá)到微觀化學(xué)鍵的強(qiáng)度？例如“金屬胡須”的抗拉強(qiáng)度比通常的金屬絲大一個(gè)量級(jí)，但比金屬-金屬鍵的強(qiáng)度小得多。又如目前高分子纖維達(dá)到的強(qiáng)度要比高分子中的共價(jià)鍵的強(qiáng)度小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這就向人們提出如何挑戰(zhàn)極限的大難題。（11）鑭系理論棗4f電子的能級(jí)比sp區(qū)和d區(qū)元素的能級(jí)多一個(gè)量級(jí)，所以稀土元素有十分豐富的光、電、磁、聲等功能性質(zhì)。稀土化合物的配位數(shù)可在3?2的寬廣范圍內(nèi)變化，所以稀土元素有機(jī)化合物是很好的催化劑。稀土是21世紀(jì)的戰(zhàn)略元素。研究鑭系元素的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系具有十分重要的意義。是解

13、決分子設(shè)計(jì)問(wèn)題的關(guān)鍵。有機(jī)化學(xué)選論3、 納米尺度的基本規(guī)律 在復(fù)雜性科學(xué)和物質(zhì)多樣性研究中，尺度效應(yīng)至關(guān)重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，導(dǎo)致物質(zhì)性能及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和原理的質(zhì)的區(qū)別。納米尺度體系的熱力學(xué)性質(zhì)，包括相變和“集體現(xiàn)象（Collective phenomena)”如鐵磁性，鐵電性，超導(dǎo)性和熔點(diǎn)等與粒子尺度有重要的關(guān)系。 例如金的熔點(diǎn)為1063，納米金的融化溫度卻降至330。銀的熔點(diǎn)為960.3，而納米銀為100。 當(dāng)代信息技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了納米尺度磁性(Nanoscale magnetism)的研究。由幾十個(gè)到幾百個(gè)原子組成的分子磁體表示出許多特性。 納米粒子的比表面很大

14、，由此引起性質(zhì)的不同。例如納米鉑黑催化劑可使乙烯催化反應(yīng)的溫度從600降至室溫。又如電子或聲子的特征散射長(zhǎng)度，即平均自由途徑 在納米量級(jí)。當(dāng)納米微粒的尺度小于此平均自由途徑時(shí)，電流或熱的傳遞方式就發(fā)生質(zhì)的改變。 所以納米分子和材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基本規(guī)律是21世紀(jì)的化學(xué)和物理需要解決的重大難題之一。有機(jī)化學(xué)選論4、活分子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律 充分認(rèn)識(shí)和徹底了解人類和生物體內(nèi)活分子(living molecules)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，無(wú)疑是21世紀(jì)化學(xué)亟待解決的重大難題之一 。例如：（1）配體小分子和受體生物大分子的相互作用，這是藥物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)（2）在地球元素的生態(tài)循環(huán)中，植物界做了兩件偉大的事：其一，利

15、用太陽(yáng)能把很穩(wěn)定的CO2和H2O分子的化學(xué)鍵打開(kāi)，合成碳水化合物CH2On，并放出氧氣O2，供人類和其它動(dòng)物使用。在這個(gè)偉大的過(guò)程中，活分子催化劑葉綠素是怎樣作用的？其二，豆科植物的根瘤菌能打開(kāi)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。我們必須把這兩個(gè)過(guò)程的全部反應(yīng)機(jī)理搞清楚，然后研究能否在化學(xué)工廠中，在溫和的條件下，實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)偉大的催化反應(yīng)。 有機(jī)化學(xué)選論（3）搞清楚牛、羊等食草動(dòng)物胃內(nèi)酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應(yīng)機(jī)理，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎(chǔ)。（4）人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計(jì)算機(jī)。如何徹底了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能將是21世

16、紀(jì)的腦科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、信息和認(rèn)知科學(xué)等交叉學(xué)科共同來(lái)解決的難題。（5）了解活體內(nèi)信息分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生理調(diào)控的化學(xué)機(jī)理。（6）了解從化學(xué)進(jìn)化到手性和生命的起源。（7）如何實(shí)現(xiàn)從生物分子到分子生物(molecular life)的飛躍？如何跨越從化學(xué)進(jìn)化到生物進(jìn)化的鴻溝?（8）研究復(fù)雜、開(kāi)放、非平衡的生命系統(tǒng)的熱力學(xué)，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線形科學(xué)問(wèn)題。 有機(jī)化學(xué)選論三、 21世紀(jì)化學(xué)的11個(gè)突破口 2、納米化學(xué)、納米材料和分子器件，納米表面化 學(xué)、高效 納米催化劑設(shè)計(jì)合成及應(yīng)用 例如：(1)組合化學(xué)。(2)手性合成。(3)分子反應(yīng)器控制的合成。(4) 自復(fù)制和自組裝合成。(5)定向合成。(6)掌握零維籠狀和杯狀、一維通道、二維層間、三維網(wǎng)絡(luò)空腔結(jié)構(gòu)的合成方法，并通過(guò)化學(xué)、電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用，使囚禁在里面的客體分子被釋放或取代出來(lái)。 1、新的合成方法學(xué)（與有機(jī)化學(xué)相關(guān)的）有機(jī)化學(xué)選論3、生命和醫(yī)藥科學(xué)中的化學(xué)問(wèn)題例如：（1）把中國(guó)名醫(yī)的處方和人體的生理病理狀態(tài)作為兩個(gè)復(fù)雜體系來(lái)研究它們之間的 相互作用和 藥效。（2）用組合化學(xué)的方法來(lái)篩選特效中藥，并使中藥現(xiàn)代化。（3）藥物設(shè)計(jì)、合成和開(kāi)發(fā)應(yīng)用。（4）生