APC10章-繼往開來的化學-高等物理化學

2023/2/5高等物理化學=繼往開來的化學高等物理化學AdvancedPhysicalChemistry2023/2/5本章內(nèi)容1、20世紀化學的回顧與化學學科發(fā)展的趨勢2、未來化學的作用和地位3、21世紀化學要解決的四大難題（中長期）4、21世紀化學的11個突破口（10－20年）2023/2/5一、20世紀化學的回顧與化學學科發(fā)展的趨勢1、科技發(fā)展的基本考慮20世紀人類認識和利用物質(zhì)經(jīng)歷了為人類生存、人類生存質(zhì)量、人類生存安全三個歷史階段。人類生存：20世紀初、化學提供肥料（合成氨）合成纖維和其它高分子材料，石油化工產(chǎn)品。人類生存質(zhì)量：化學創(chuàng)造了許多飼料和肥料添加劑，食品添加劑，生產(chǎn)更多、更可口食物；創(chuàng)造了許多功能材料；創(chuàng)造了許多藥物和診斷方法，戰(zhàn)勝和消滅了某些疾病。人類生存安全：20世紀末資源問題？環(huán)境問題？2023/2/520世紀有七大技術(shù)，第一是合成化學技術(shù)報刊上常說20世紀發(fā)明了六大技術(shù)（1）無線電、半導(dǎo)體、計算機、芯片和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；（2）基因重組、克隆和生物芯片等生物技術(shù)；（3）核科學和核武器技術(shù)；（4）航空航天和導(dǎo)彈技術(shù)；（5）激光技術(shù)；（6）納米技術(shù)。但很少人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥、農(nóng)藥的化學合成技術(shù)。2023/2/520世紀有七大技術(shù)，第一是合成化學技術(shù)其實，化學在20世紀的成就用“空前輝煌”來描述，是并不過分的。上述六大技術(shù)如果缺少一兩個，人類照樣生存，但如果沒有發(fā)明合成氨（國外評選20世紀最重大發(fā)明，得票最多）和合成尿素，合成第一、二、三代農(nóng)藥，60億人口將一半餓死；沒有發(fā)明合成抗生素和新藥物，人類壽命縮短；沒有三大合成，人類生活受很大影響，沒有合成新分子、新材料，上述六大技術(shù)無法實現(xiàn)。2023/2/52、20世紀的化學在推動人類進步和科技發(fā)展中起了核心的作用（1）在20世紀中成為解決人類進步的物質(zhì)基礎(chǔ)的核心科學A、制造或創(chuàng)造出自然界已有或不存在的物質(zhì)；B、提供分析手段，結(jié)構(gòu)－性質(zhì)－功能的關(guān)系，預(yù)測、裁剪、設(shè)計分子；C、掌握了一些理論，用于解決生產(chǎn)、生活問題。達到大自然不能達到的目標。2023/2/520世紀的化學在推動人類進步和科技發(fā)展中起了核心的作用（2）在相關(guān)學科的發(fā)展中起了牽頭作用A、牽動其它學科向分子層次發(fā)展（生命科學、天文學）；B、化學研究帶動了其它學科的過程研究(工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源）；C、化學帶動了材料科學的發(fā)展；D、化學實驗方法學推動其它學科在分子層次上觀察和測定物質(zhì)的變化過程2023/2/5化學是中心科學科學分上、中、下游，數(shù)理是上游、化學是中游、朝陽學科是下游。交叉學科中化學放棄了冠名權(quán)。例如“生物化學”被稱為“分子生物學”，“生物大分子的結(jié)構(gòu)化學”被稱為“結(jié)構(gòu)生物學”，生物大分子的物理化學”被稱為“凝聚態(tài)物理學”，“溶液理論、膠體化學”稱為“軟物質(zhì)物理學”，“量子化學”稱為“原子分子物理學”。2023/2/5化學是中心科學科學分上、中、下游，數(shù)理是上游、化學是中游、朝陽學科是下游。交叉學科中化學放棄了冠名權(quán)。例如“生物化學”被稱為“分子生物學”，“生物大分子的結(jié)構(gòu)化學”被稱為“結(jié)構(gòu)生物學”，生物大分子的物理化學”被稱為“凝聚態(tài)物理學”，“溶液理論、膠體化學”稱為“軟物質(zhì)物理學”，“量子化學”稱為“原子分子物理學”。2023/2/53、對20世紀末化學現(xiàn)狀和地位的不同估計20世紀末化學的作用和地位似乎淡化，核心科學、牽頭學科似乎退后：1、客觀上A、一部分化學研究方法自動化和計算機化，誤認為分析和合成已經(jīng)不是科學而是技術(shù)；B、生物學在分子層次有兩大進展（基因、創(chuàng)造新生物或生物分子）；C、創(chuàng)造新材料、藥物等，化學研究其原理、機理，處上游，材料學、藥學推出實際產(chǎn)品，處于下游。2023/2/5對20世紀末化學現(xiàn)狀和地位的不同估計2、主觀上，A、迄今為止化學研究的主流仍以創(chuàng)造新分子、新材料為目標（忽視功能研究）；B、受大趨勢的影響，20世紀化學理論重點從宏觀轉(zhuǎn)向微觀，忽視科技對化學要求。2023/2/5二、未來化學的作用和地位1、化學仍然是解決食品問題的主要學科之一A、化學將支撐生物學在提供優(yōu)良品種，提供轉(zhuǎn)基因生物等方面作貢獻B、化學將在設(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)C、利用化學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，是化學研究的重要內(nèi)容2023/2/52、化學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A、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反應(yīng)（保護環(huán)境，降低成本）B、開發(fā)新能源，太陽能以及高效潔凈的化學電源與燃料電池等將成為21世紀的重要能源C、礦產(chǎn)資源是不可再生，化學要研究重要礦產(chǎn)資源（如稀土）的分離和深加工技術(shù)以及利用2023/2/53、化學繼續(xù)推動材料科學的發(fā)展A、化學是新材料的源泉，末來化學不僅要設(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)B、20世紀化學模擬酶的活性中心已取得進展，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C、21世紀電子技術(shù)將向更快、更小、功能更強的方向發(fā)展，目前大家正在致力于量子計算機、生物計算機、分子器件、生物芯片等新技術(shù)，標志著分子電子學、分子信息技術(shù)的到來，需要設(shè)計、合成各種物質(zhì)和材料2023/2/54、化學是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有效保障A、通過研究各種物質(zhì)和能的生物效應(yīng)（正面和負面）的化學基礎(chǔ)特別是搞清兩面性的本質(zhì)，找出最佳利用方案B、研究開發(fā)對環(huán)境無害的化學品和生活用品，研究對環(huán)境無害的生產(chǎn)方式，這兩方面是綠色化學的主要內(nèi)容C、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)境潔凈生活空間的途徑從分子水平了解病理過程，提出預(yù)警生物標志物的檢測方法，建議預(yù)防途徑，預(yù)防疾病2023/2/5三、21世紀化學要解決的四大難題

科學研究始于提出問題?？茖W問題的提出、確認和解決是科學發(fā)展的動力。20世紀最偉大的數(shù)學家Hilbert在1900年提出23個數(shù)學難題。每一個難題的解決，就誕生一位世界著名的數(shù)學家?，F(xiàn)在2000年世界數(shù)學家協(xié)會提出七大數(shù)學難題，籌集了700萬美元，懸賞100萬美元給每一個難題的解決者。

21世紀物理學的難題：(1)四個作用力場的統(tǒng)一問題，相對論和量子力學的統(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。

21世紀生物學的重大難題是后基因組學、蛋白質(zhì)組學、腦科學、生命起源等。2023/2/51化學的第一根本規(guī)律－化學反應(yīng)理論和定律

化學是研究化學變化的科學，所以化學反應(yīng)理論和定律是化學的第一根本規(guī)律。決定某兩個或幾個分子之間能否發(fā)生化學反應(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行反應(yīng)？如何在理論指導(dǎo)下控制化學反應(yīng)？如何計算化學反應(yīng)的速率？如何確定化學反應(yīng)的途徑等，是21世紀化學應(yīng)該解決的第一個難題。2023/2/5化學反應(yīng)理論和定律在化學反應(yīng)理論中特別重要，應(yīng)予首先研究的課題（1）充分了解若干個重要的典型的化學反應(yīng)的機理，以便設(shè)計最好的催化劑，實現(xiàn)在最溫和的條件進行反應(yīng)，控制反應(yīng)的方向和手性，發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)類型，新的反應(yīng)試劑。（2）在搞清楚光合作用和生物固氮機理的基礎(chǔ)上，設(shè)計催化劑和反應(yīng)途徑，以便打斷CO2,N2等穩(wěn)定分子中的惰性化學鍵。2023/2/5化學反應(yīng)理論和定律（3）研究其它各種酶催化反應(yīng)的機理。酶對化學反應(yīng)的加速可達100億倍，專一性達100%。如何模擬天然酶，制造人工催化劑，是化學家面臨的重大難題。（4）充分了解分子的電子、振動、轉(zhuǎn)動能級，用特定頻率的光脈沖來打斷選定的化學鍵選鍵化學的理論和實驗技術(shù)。2023/2/52化學的第二根本規(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、化學和功能性質(zhì)以及生物和生理活性等。大力發(fā)展密度泛函理論和其它計算方法。確定物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的定量關(guān)系是21世紀化學的第二個重大難題。（1）如何設(shè)計合成具有人們期望的某種性能材料；（2）如何使宏觀材料達到微觀化學健強度？例如“金屬胡須”的抗拉強度比通常的金屬絲大一個數(shù)量級，但遠遠未達到金屬－金屬鍵的強度，所以增加金屬材料強度的潛力是很大的。又如目前高分子纖維的強度要比高分子中的共價鍵的強度小兩個數(shù)量級，這就向人們提出了如何挑戰(zhàn)強度極限的大難題。（3）溶液結(jié)構(gòu)和溶劑效應(yīng)對于性能的影響。2023/2/5結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系（4）具有單分子和多分子層的膜結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。要優(yōu)先研究的課題有：（1）分子和分子間的非共價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）進一步完善原子價和化學鍵理論，特別是無機化學中的共價問題。（5）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？（6）分子自由基的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。（7）摻雜晶體的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。2023/2/5結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系（8）各種維數(shù)的空腔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜分子體系的構(gòu)筑原理和規(guī)律。（9）如何設(shè)計合成具有人們期望的某種性能的材料？（10）如何使宏觀材料達到微觀化學鍵的強度？例如“金屬胡須”的抗拉強度比通常的金屬絲大一個量級，但比金屬-金屬鍵的強度小得多。又如目前高分子纖維達到的強度要比高分子中的共價鍵的強度小兩個數(shù)量級。這就向人們提出如何挑戰(zhàn)極限的大難題。2023/2/5結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系（11）鑭系理論－4f電子的能級比sp區(qū)和d區(qū)元素的能級多一個量級，所以稀土元素有十分豐富的光、電、磁、聲等功能性質(zhì)。稀土元素有機化合物是很好的催化劑。稀土是21世紀的戰(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。以上各方面是化學的第二根本問題，其迫切性可能比第一問題更大，因為它是解決分子設(shè)計問題的關(guān)鍵。2023/2/53納米尺度的基本規(guī)律

現(xiàn)在中美日等國都把納米科學技術(shù)定為優(yōu)先發(fā)展的國家目標。在復(fù)雜性科學和物質(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)性能及其運動規(guī)律和原理的質(zhì)的區(qū)別。納米尺度體系的熱力學性質(zhì)，包括相變和“集體現(xiàn)象，如鐵磁性，鐵電性，超導(dǎo)性和熔點等與粒子尺度有重要的關(guān)系。當尺度在十分之幾到10納米的量級，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊界中，此時熱運動的漲落和布朗運動將起重要的作用。2023/2/5納米尺度的基本規(guī)律1、例如金的熔點為1063℃，納米金的融化溫度卻降至330℃。銀的熔點為960.3℃，而納米銀為100℃。2、當代信息技術(shù)的發(fā)展，推動了納米尺度磁性(Nanoscalemagnetism)的研究。由幾十個到幾百個原子組成的分子磁體表示出許多特性。2023/2/5納米尺度的基本規(guī)律3、納米粒子的比表面很大，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。這一現(xiàn)象為新型常溫催化劑的研制提供了基礎(chǔ)，有非常重要的應(yīng)用前景。納米催化劑能否降低活化能？這是值得研究的一個理論問題。4、電子或聲子的特征散射長度，即平均自由途徑在納米量級。當納米微粒的尺度小于此平均自由途徑時，電流或熱的傳遞方式就發(fā)生質(zhì)的改變。5、與微粒運動的動量p=mv相對應(yīng)的波長=h/p，通常也在納米量級，由此產(chǎn)生許多所謂的“量子點”的新現(xiàn)象。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世紀的化學和物理需要解決的重大難題之一。2023/2/54活分子運動的基本規(guī)律

充分認識和徹底了解人類和生物體內(nèi)活分子(livingmolecules)的運動規(guī)律，無疑是21世紀化學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)計的基礎(chǔ)。中科院上海藥物所的量子化學家陳凱爾做了很好的工作，正在主持一個藥物設(shè)計的973項目。北京大學徐小杰教授做了幾個藥物設(shè)計軟件。2023/2/5活分子運動的基本規(guī)律（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，利用太陽能把很穩(wěn)定的CO2和H2O分子的化學鍵打開，合成碳水化合物［CH2O］n，并放出氧氣O2，供人類和其它動物使用。在這個偉大的過程中，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非常穩(wěn)定的氮分子中的化學鍵，生成含氮小分子，再進一步合成蛋白質(zhì)和核酸。我們必須把這兩個過程的全部反應(yīng)機理搞清楚，然后研究能否在化學工廠中，在溫和的條件下，實現(xiàn)這兩個偉大的催化反應(yīng)。2023/2/5活分子運動的基本規(guī)律（3）搞清楚牛、羊等食草動物胃內(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算機。如何徹底了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能將是21世紀的腦科學、生物學、化學、物理學、信息和認知科學等交叉學科共同來解決的難題。2023/2/5活分子運動的基本規(guī)律（5）了解活體內(nèi)信息分子的運動規(guī)律和生理調(diào)控的化學機理。（6）了解從化學進化到手性和生命的起源。（7）如何實現(xiàn)從生物分子到分子生物(molecularlife)的飛躍？如何跨越從化學進化到生物進化的鴻溝?（8）研究復(fù)雜、開放、非平衡的生命系統(tǒng)的熱力學，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線形科學問題。

2023/2/5活分子運動的基本規(guī)律（9）生物固氮作用機理（10）蛋白質(zhì)和DNA的理論研究2023/2/5四.21世紀化學的11個突破口（10－20年）1新的合成方法學如(1)組合化學。(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，并通過化學、電場或磁場的作用，使囚禁在里面的客體分子被釋放或取代出來。2納米化學納米化學、納米材料和分子器件，納米表面化學、高效納米催化劑設(shè)計合成及應(yīng)用。3稀土化學特別是有我國知識產(chǎn)權(quán)的新型稀土功能材料2023/2/521世紀化學的11個突破口4能源科學中的化學問題

如（1）各種高效換能器(Transducer)，特別是太陽能電池。（2）燃料電池（3）氫能利用問題（4）各種再生能源。5生命和醫(yī)藥科學中的化學問題例如：（1）把中國名醫(yī)的處方和人體的生理病理狀態(tài)作為兩個復(fù)雜體系來研究它們之間的相互作用和藥效。（2）用組合化學的方法來篩選特效中藥，并使中藥現(xiàn)代化。（3）藥物設(shè)計、合成和開發(fā)應(yīng)用。（4）生物材料（Biomaterials）和人工器官的合成。（5）配合物小分子作為Key和DNA大分子作為Lock的相互作用。（6）了解神經(jīng)細胞和生理調(diào)控的化學機理（7）糖化學。2023/2/521世紀化學的11個突破口

6生態(tài)環(huán)境科學中的化學問題

例如：（1）環(huán)境元素的循環(huán)。（2）有害化學物質(zhì)的控制和治理。（3）以“原子經(jīng)濟”和“零排放”為目標的綠色化學和化工。（4）生態(tài)環(huán)境化學。7信息科學中的化學問題例如：（1）高效的光纖通信材料，特別是可使激光得到增益的稀土鉺羼雜Si基1。54微米材料。（2）高效的光貯存材料。（3）分子芯片。（4）分子計算機。2023/2/521世紀化學的11個突破口

8分析化學的十化（1）微型化、芯片化、仿生化；（2）在線化；（3）實時化；（4）原位化；（5）在體化；（6）智能信息化；（7）高靈敏化；（8）單原子化和單分子化，單分子光譜，單分子檢測，搬運和調(diào)控技術(shù)；（9）高選擇化；（10）分離和分析方法的聯(lián)用，合成和分離方法的聯(lián)用，合成、分離和分析方法三用。9化工化學復(fù)雜體系中的多層次、多尺度效應(yīng)及其規(guī)律和方法學研究。2023/2/521世紀化學的11個突破口10理論化學和計算化學的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究11化學信息學

20世紀的化學積累了巨量的實驗材料和信息，21世紀的化學信息學將建立各種化學信息庫，然后分析信息的內(nèi)涵，總結(jié)出規(guī)律，最大限度地挖掘、開發(fā)和應(yīng)用信息寶庫，使它們作為實驗歸納法和理論演繹法的橋梁，推動化學和化工學科的發(fā)展，為國民經(jīng)濟服務(wù)2023/2/5納米科技（一）在20世紀90年代，科學家發(fā)現(xiàn)許多納米陶瓷（如ZrO2、Ti2O3、Si3N4）在適當溫度下具有很好的塑性，甚至塑性形變可達100％。這使人們想到陶瓷的最大缺點－－脆性是否可以在這種異常性能中得到解決。這是將來陶瓷材料研究中的一個重要課題。碳納米管是在20世紀末制成的新型納米材料。碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外徑只有幾十納米。這種纖維的密度是綱的1／6，而強度卻是鋼的100倍。有人指出，用它做繩索是惟一可以從月球表面拉到地球表面而不能被自身重量拉斷的繩索。這種材料還能儲存和凝聚大量氫氣，并可能作為燃料電池驅(qū)動汽車。2023/2/5納米科技（二）2000年11月香港科學家研制成功的最小碳管直徑只有0.4mm,它是由一個個籠狀的小單元連接而成,這些小單元看起來很像足球?，F(xiàn)代納米技術(shù)不僅是指制造超細粉末的技術(shù)，它的重要意義在于人類能夠在納米尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行操縱和加工，并按人的意愿組成所需要的超微細器件。2023/2/5納米科技（三）計算機存儲器的存儲能力將提高1000倍，到那時巨型計算機小到可以放到口袋里；美國國會圖書館的全部資料的信息可以存儲在一塊水果糖大小的存儲器中。據(jù)調(diào)查，到2010年，納米技術(shù)將成為僅次于芯片制造的世界第二大產(chǎn)業(yè)，擁有14400億美元的市場份額。納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細胞。2023/2/5納米科技（四）據(jù)報道日本已用極微小的部件組裝成一輛只有米粒大小、能夠運轉(zhuǎn)的汽車；德國還制成了一架只有黃蜂大小、并能升空的直升機以及肉眼幾乎看不見的發(fā)動機。納米材料的異常行為必將拓展其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。納米SiO2、α-Al2O3或稀土氧化物對緊湊節(jié)能燈的玻璃管做表面處理，可提高燈的光通維持率。電池使用納米材料制作，則可以使很小的體積容納極大的能量，屆時汽車可以以電池為動力在大街上奔馳了；如果在玻璃表面涂一層滲有納米氧化鈦的涂料，玻璃會變成一種具有自己清潔功能的“自凈玻璃”不用人工擦洗了。2001年11月三位中國科學家在美國制造出10-15mm厚，30-300nm寬的“納米帶”，納米帶的生產(chǎn)可解決在大量生產(chǎn)納米管時難免出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)上的缺陷。2023/2/5可持續(xù)發(fā)展的基本化學問題－綠色化學一、綠色化學的重要性迄今為止?；瘜W工業(yè)的絕大多數(shù)工藝都是20多年前開發(fā)的。近年來，由于化學工業(yè)向大氣、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物質(zhì)。1992年，美國化學工業(yè)用于環(huán)保的費用為1150億美元，清理已污染地區(qū)花去7000億美元。1996年美國Dupont公司的化學品銷售總額為180億美元。環(huán)保費用為10億美元。所以從環(huán)保、經(jīng)濟和社會的要求看。化學工業(yè)不能再承擔使用和產(chǎn)生有毒。有害物質(zhì)的費用。需要大力研究與開發(fā)從源頭上減少和消除污染的綠色化學。

2023/2/5可持續(xù)發(fā)展的基本化學問題－綠色化學1990年美國頒布了污染防止法案。將污染防止確立為美國的國策。1995年4月美國副總統(tǒng)Gore宣布了國家環(huán)境技術(shù)戰(zhàn)略。其目標為:至2020年地球日時。將廢棄物減少40-50%,每套裝置消耗原材料減少20一25%。1996年美國設(shè)立了總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎。2023/2/5綠色化學的重要性綠色化學的研究已成為國外企業(yè)、政府和學術(shù)界的重要研究與開發(fā)方向。這對我國既是嚴峻的挑戰(zhàn)，也是難得的發(fā)展機遇。

采用化學手段研究如何合理開發(fā)和利用資源，以及如何保護環(huán)境是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主要手段。其中基本化學問題歸屬于兩個學科，即綠色化學和環(huán)境化學。2023/2/5綠色化學的重要性綠色化學是從“源頭”上杜絕不安全因素。其主導(dǎo)思想是在工業(yè)中采用無毒、無害的原料和溶劑，新化學反應(yīng)達到選擇性高、生產(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品；農(nóng)業(yè)中減少農(nóng)藥、有害化肥、污水灌溉以及有害于土壤結(jié)構(gòu)和肥力的材料（塑料）；在生活中，減少使用有害環(huán)境材料和過度消耗能源。環(huán)境科學則是尋找凈化環(huán)境的途徑。是研究環(huán)境污染的來源和治理問題。2023/2/5綠色化學的重要性顯然，治理不如預(yù)防，可見綠色化學是實現(xiàn)污染預(yù)防的基本和重要的手段。它要求設(shè)計和重新設(shè)計對人類和環(huán)境“更安全”的化合物和生產(chǎn)線以及生產(chǎn)工藝。不僅針對人類的健康，還包括對生態(tài)、動物、水生生物和植物。不僅考慮直接影響而且考慮間接影響（如轉(zhuǎn)化物、代謝物）。2023/2/5綠色化學的發(fā)展方向１、新的化學反應(yīng)過程的研究。以“原子經(jīng)濟性”為基本原則，實現(xiàn)“零排放”。Trost在l991年首先提出了原子經(jīng)濟性(Atomeconomy的概念，即原料分子中究竟有百分之幾的原子轉(zhuǎn)化成了產(chǎn)物。理想的原子經(jīng)濟反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)變成、產(chǎn)物，不生副產(chǎn)物或廢物。實現(xiàn)廢物的"零排放"(Zeroemission)。如開發(fā)鈦硅分子篩上催化氧化丙烯制環(huán)氧丙烷的原子經(jīng)濟新方法2023/2/5綠色化學的發(fā)展方向２、采用無毒、無害的原料

在代替劇毒的光氣作原料生產(chǎn)有機化工原料方面。Riley等報道了工業(yè)上已開發(fā)成功一種由胺類和二氧比碳生產(chǎn)異氰酸酯的新技術(shù)關(guān)于代替劇毒氫氰酸原料，Monsanto公司從無毒無害的二乙醇胺原料出發(fā)。經(jīng)過催化蛻氫，開發(fā)了安全生產(chǎn)氨基二乙酸鈉的工藝，改變了過去的擬氨、甲醛和氫氰酸為原料的二步合成路線。并因此獲得了1996年美國總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎中的變更合成路線獎。2023/2/5綠色化學的發(fā)展方向３、采用無毒。無害的催化劑

目前烴類的烷基他反應(yīng)一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸催化劑。這些液體催化劑共同缺點是，對設(shè)備的腐蝕嚴重、對人身危害和產(chǎn)生廢渣、污染環(huán)境。為了保護環(huán)境。年來國外正從分子篩、雜多酸、超強酸等新催化材料中大力開發(fā)固體酸烷基化催化劑。其中采用新型分子篩催化劑的乙苯液相烴他技術(shù)引人注目，這種催化劑選擇性很高，乙苯重量收率超過99.6%。而且催化劑壽命長。2023/2/5綠色化學的發(fā)展方向還有一種生產(chǎn)線性烷基苯的固體酸催化劑替代了氫氟酸催化劑，改善了生產(chǎn)環(huán)境，已工業(yè)化。在固體酸烷基化的研究中。還應(yīng)進一步提高催化劑的選擇性。以降低產(chǎn)品中的雜質(zhì)含量;提高催化劑的穩(wěn)定性。以延長運轉(zhuǎn)周期;降低原料中的苯烯比。以提高經(jīng)濟效益2023/2/54、采用無毒、無害的溶劑大量的與化學品制造相關(guān)的污染問題不僅來源于原料和產(chǎn)品，而且源自在其制造過程中使用的物質(zhì)。最常見的是在反應(yīng)介質(zhì)、分離和配方中所用的溶劑。當前廣泛使用的溶劑是揮發(fā)性有機化合物(VOC)。其在使用過程中有的會引起地面臭氧的形成。有的會引起水源污染。因此。需要限制這類溶劑的使用。2023/2/5采用無毒、無害的溶劑在無毒無害溶劑的研究中。最活躍的研究項目是開發(fā)超臨界流體（SCF)。特別是超臨界二氧化碳作溶劑。超臨界二氧化碳是指溫度和壓力均在其臨界點(3llC、7477.7gkPa)以上的二氧化碳流體。它通常具有液體的密度。因而有常規(guī)液態(tài)溶劑的溶解度;在相同條件下。它又具有氣體的粘度,因而又具有很高的傳質(zhì)速度。而且。由于具有很大的可壓縮性。流體的密度、溶劑溶解度和粘度等性能均可由壓力和溫度的變化來調(diào)節(jié)。超臨界二氧化碳的最大優(yōu)點是無毒、不可燃、價廉等。2023/2/5采用無毒、無害的溶劑

除采用超臨界溶劑外。還有研究水或近臨界水作為溶劑以及有機溶劑/水相界面反應(yīng)。采用水作溶劑雖然能避免有機溶劑，但由于其溶解度有限，限制了它的應(yīng)用，而且還要注意廢水是否會造成污染。在有機溶劑/水相界面反應(yīng)中。一般采用毒性較小的溶劑(甲苯)代替原有毒性較大的溶劑，如二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、醋酸等。采用無溶劑的固相反應(yīng)也是避免使用揮發(fā)性溶劑的一個研究動向，如用微波來促進固、固相有機反應(yīng)。2023/2/55、利用可再生的資源合成化學品利用生物量(生物原料)(Biomass)代替當前廣泛使用的石油，是保護環(huán)境的一個長遠的發(fā)展方向。1996年美國總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎中的學術(shù)獎授予TaxaA大學M.Holtzapp教授，就是基于其開發(fā)了一系列技術(shù)。把廢生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成動物飼料、工業(yè)化學品和然料。Frost報道以葡萄糖為原料，通過酶反應(yīng)可制得己二酸、鄰苯二酚和對苯二酚等。尤其是不需要從傳統(tǒng)的苯開始來制取作為尼龍原料的己二酸取得了顯著進展。另外,Gfoss首創(chuàng)了利用生物或農(nóng)業(yè)廢物如多糖類制造新型聚合物的工作。具優(yōu)越性在于聚合物原料單體實現(xiàn)了無害化;生物催化轉(zhuǎn)化方法優(yōu)于常規(guī)的聚合方法@Gross的聚合物還具有生物降解功能。2023/2/56,環(huán)境友好產(chǎn)品在環(huán)境友好產(chǎn)品方面。從1996年美國總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎看，設(shè)計更安全他學品獎授予RohmHaas公司。由于其開發(fā)成功一種環(huán)境友好的海洋生物防垢劑。小企業(yè)獎授予Donlar公司。因其開發(fā)了兩個高效工藝以生產(chǎn)熱聚天冬氨酸，它是一種代替丙烯酸的可生物降解產(chǎn)品。在環(huán)境友好機動車燃料方面，隨著環(huán)境保護要求的日益嚴格。1990年美國清潔空氣法(修正案)規(guī)定，逐步惟廣使用新配方汽油，減小由汽車尾氣中的一氧化碳以及烴類引發(fā)的臭氧和光化學煙霧等對空氣的污染。新配方汽油要求限制汽油的蒸汽壓、苯含量，還將逐步限制芳烴和烯烴含量。

2023/2/5環(huán)境友好產(chǎn)品

柴油是另一類重要的石油煉制產(chǎn)品。對環(huán)境友好柴油。美國要求硫含量不大于0.05%，芳烴含量不大于20%，同時十六烷值不低于40;為達到上述目的，一是要有性能優(yōu)異的深度加氫脫硫催化劑;二是要開發(fā)低壓的深度脫硫/芳烴飽和工藝。國外在這方面的研究已有進展。

此外。保護大氣臭氧層的氟氯烴代用品已在開始使用。防止“白色污染”的生物降解塑料也在使用。2023/2/5化工生產(chǎn)應(yīng)遵循“綠色化學12條原則”1.防止廢物產(chǎn)生優(yōu)于廢物產(chǎn)生后再處理或清理2.應(yīng)設(shè)計合成方法使其能把反應(yīng)過程中利用的所有材料盡可能多地轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)物中3.只要可行，應(yīng)設(shè)計合成方法使其利用和產(chǎn)生的物質(zhì)對人類健康和環(huán)境無毒性或很低毒性。4.應(yīng)設(shè)計化工產(chǎn)品使其保留功效，但降低毒性2023/2/5化工生產(chǎn)應(yīng)遵循“綠色化學12條原則”5.應(yīng)盡可能避免使用輔助物質(zhì)（如溶劑、分離劑），如用時應(yīng)是無毒的6.應(yīng)考慮到能源消耗對環(huán)境和經(jīng)濟的影響，并應(yīng)盡量少地使用能源。合成應(yīng)在常溫和常壓下進行7.只要技術(shù)和經(jīng)濟上可行，原料應(yīng)是可再生的，而不是將耗竭的2023/2/5化工生產(chǎn)應(yīng)遵循“綠色化學12條原則”8.應(yīng)盡可能避免不必要的衍生化（阻斷基團，保護／脫保護，物理和化學過程的暫時修飾）9.催化試劑（有盡可能好的選擇性）優(yōu)于化學計量試劑10.應(yīng)設(shè)計化工產(chǎn)品使其在完成使命后不在環(huán)境中久留，并降解為無毒的物質(zhì)11.分析方法須進一步發(fā)展，以能夠進行即時的和在線的跟蹤及控制有害物質(zhì)的生成12.在化學轉(zhuǎn)換過程中，所用的物質(zhì)和物質(zhì)的形態(tài)應(yīng)盡可能地降低發(fā)生化學事故的可能性，包括：泄漏、爆炸、和火災(zāi)2023/2/5新藥的“催化劑”——組合化學1．什么是組合化學組合化學是同時創(chuàng)造出多種化合物的合成技術(shù)，其產(chǎn)物不是一、二個化合物，而是很多化合物，甚至多到上百萬個化合物（肽類），因此被稱為化合物庫。組合化學研究的基本思路是構(gòu)建組成分子具有多樣性的化學庫，每一個化學庫都具有分子的可變性和多樣性，分子間不要求存在著簡單的定量關(guān)系。因此，組合化學能為新藥物分子設(shè)計，即先導(dǎo)藥物分子設(shè)計提供巨大的“化合物庫”。2．組合化學的數(shù)學方法

下圖表明用9種（3＋4＋2）不同的反應(yīng)物合成24種組成不同的化合物時的組合方法。

2023/2/5組合化學如果用傳統(tǒng)的合成方法，就要進行24×3=72次合成?，F(xiàn)在包括將A、B、C通過聯(lián)結(jié)劑固定在固定化球上，只要進行三步合成操作。如果用類似的方法用于多肽合成，由20種天然氨基酸為構(gòu)建單元，利用傳統(tǒng)的合成方法，二肽便有400（202）種組合，三肽則有8000（203）種組合，依次類推，八肽將達到25600000000（208）種組合，將它們逐一合成要進行256億次實驗。如果采用組合化學的方法，只要進行9次如上圖所示的固定化和混合操作即可，由此可以看出組合化學方法的先進性。2023/2/5組合化學2023/2/5組合化學3．組合化學在新藥設(shè)計中的作用

設(shè)計和研制對某種疾病有特效的藥物往往需要經(jīng)過一個曠日持久的漫長過程。例如先要根據(jù)已有的經(jīng)驗（如藥物的結(jié)構(gòu)與效用間的關(guān)系，簡稱構(gòu)效關(guān)系）對藥物進行分子設(shè)計；第二步是合成所設(shè)計的分子和它的相似物或衍生物；第三步對合成出來的諸多化合物進行藥效的初步篩選，要進行動物試驗、生理毒理試驗、臨床試驗，時間之長，可想而知。2023/2/5組合化學組合化學法可以一次就按排序制造出上千種帶有表現(xiàn)其特性的化學附加物的新物質(zhì)來，整個一組化合物可以根據(jù)某些生物靶來進行同步篩選，挑出其中的有效化合物加以鑒定。再以這些有效化合物的化學結(jié)構(gòu)作為起點，合成新的相關(guān)化合物用于試驗。在隨機篩選法中，任意一種新化合物表現(xiàn)出生物活性的機會是很小的，但是具備同步制造和篩選能力之后，找到一種有價值的藥物的機會就大大增加了。2023/2/5組合化學4．組合化學的啟示組合化學再一次體現(xiàn)了數(shù)學規(guī)律和方法在現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展中的重要性。上面所舉的多肽合成的例子表明：組合化學方法與傳統(tǒng)的有機合成方法在勞動強度和工作效率之間都存在著巨大的反差。2023/2/5組合化學其次，給予我們的啟示應(yīng)當遠不止組合化學本身，善于從其他學科中汲取營養(yǎng)，不僅可以學習其他學科觀察客觀事物以及分析和解決問題的思路和方法，突破學科間分立的障礙和本學科中某些傳統(tǒng)的束縛，而且可能對于發(fā)展本學科還是一條現(xiàn)實易行的重要途徑。曾經(jīng)有人認為，合成化學特別是有機合成幾乎與數(shù)學無緣，組合化學的出現(xiàn)以及在合成系列中有機分子化學庫的嘗試，已經(jīng)證明上述看法是很不全面的，至少應(yīng)該引起有機化學家對可起作用的某些數(shù)學武器的關(guān)注。2023/2/5微型化學開關(guān)－朝著分子計算機邁出一大步現(xiàn)在科學家將開發(fā)出的微型化學開關(guān)細如毛發(fā)，可反復(fù)開啟和關(guān)閉，從而可能用來制造隨機存取的存儲器。這是計算機中的關(guān)鍵設(shè)備，它使用戶能保存和任意處理信息。分子計算機將淘汰掉今天體積龐大、笨重、能耗巨大的硅計算機。（目前的晶體管尺寸比分子器件大8000倍）最終計算機將變得十分微小，可編織到衣服中。它能完整地保存大量數(shù)據(jù)而不必擔心出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或其它故障。一般的計算機，基本器件是二極管（開關(guān)，電流放大器）、三極管（信號－電壓放大器，信息存儲器）。微型化學開關(guān)的基礎(chǔ)是一種叫連環(huán)體的分子（2、4－二苯硫酚－3－氨基硝基苯，如圖）。2023/2/5微型化學開頭－朝著分子計算機邁出一大步（二）它是由兩個微小的互相連鎖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成的。通過施加電脈沖可以移走一個電子，從而導(dǎo)致一個環(huán)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)或繞另一個環(huán)旋轉(zhuǎn)，這就打開了開關(guān)。若把電子送回原處，便會使開關(guān)關(guān)閉。如右圖的分子結(jié)構(gòu)中，－SH與Au易結(jié)合，中間苯環(huán)的電子可流動。加電場時，苯環(huán)發(fā)生扭曲，電子不能通過－－這就是二極管。它在5V時，可承受0.2mA,穿過分子通道的電子數(shù)約為1012個，相當于電子是逐步通過的。2023/2/5微型化學開頭－朝著分子計算機邁出一大步（二）采用化學合成方法的重要特點是，一次可以提供數(shù)億萬計的“全同”分子原料，具有特定功能的分子器件的分子儀器。目前，分子計算機存在的難題是三維分子器件的設(shè)計、電路的連接方式、導(dǎo)線的材料等問題。2023/2/5基因芯片基因芯片，也叫DNA芯片，是在90年代中期發(fā)展出來的高科技產(chǎn)物。基因芯片大小如指甲蓋一般，其基質(zhì)一般是經(jīng)過處理后的玻璃片。每個芯片的基