有機(jī)化學(xué)前沿

1、有機(jī)化學(xué)前沿制作人：黎一瑋、庾偉強(qiáng)、陳孝良、梁文輝、何梓浩有機(jī)化學(xué)的發(fā)展前沿和研究熱點(diǎn)20世紀(jì)的有機(jī)化學(xué)，從實(shí)驗(yàn)方法到基礎(chǔ)理論都有了巨大的進(jìn)展，顯示出蓬勃發(fā)展 的強(qiáng)勁勢頭和活力。 世界上每年合成的近百萬個(gè)新化合物中約 70%以上是有機(jī)化合物。 其中有些因具有特殊功能而用于材料、能源、醫(yī)藥、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)、營養(yǎng)、石油化 工、交通、環(huán)境科學(xué)等與人類生活密切相關(guān)的行業(yè)中，直接或間接地為人類提供了大 量的必需品。與此同時(shí)，人們也面對著天然的和合成的大量有機(jī)物對生態(tài)、環(huán)境、人 體的影響問題。 展望未來，有機(jī)化學(xué)將使人類優(yōu)化使用有機(jī)物和有機(jī)反應(yīng)過程， 有機(jī) 化學(xué)將會得到更迅速的發(fā)展。有機(jī)化學(xué)的迅速發(fā)展產(chǎn)生

2、了不少分支學(xué)科， 包括有機(jī)合成、 金屬有機(jī)、元素有機(jī)、 天然有機(jī)、物理有機(jī)、有機(jī)催化、有機(jī)分析、有機(jī)立體化學(xué)等。下面介紹其中的一部 分分支學(xué)科，使我們了解有機(jī)化學(xué)的發(fā)展前沿和研究熱點(diǎn)。(1) 有機(jī)合成化學(xué) 這是有機(jī)化學(xué)中最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一， 它是創(chuàng)造新有機(jī)分子的主要手段和工具， 發(fā) 現(xiàn)新反應(yīng)、新試劑、新方法和新理論是有機(jī)合成的創(chuàng)新所在。 1828 年德國化學(xué)家維 勒用無機(jī)物氰酸銨的熱分解方法， 成功地制備了有機(jī)物尿素， 揭開了有機(jī)合成的帷幕。 100 多年來，有機(jī)合成化學(xué)的發(fā)展非常迅速。有機(jī)合成發(fā)展的基礎(chǔ)是各類基本合成反應(yīng)， 不論合成多么復(fù)雜的化合物， 其全合 成可用逆合成分析法( Retr

3、osynthesis Analysis )分解為若干基本反應(yīng)，如加成反 應(yīng)、重排反應(yīng)等。 每個(gè)基本反應(yīng)均有它特殊的反應(yīng)功能。 合成時(shí)可以設(shè)計(jì)和選擇不同 的起始原料， 用不同的基本合成反應(yīng)，獲得同一個(gè)復(fù)雜有機(jī)分子目標(biāo)物， 起到異曲同 工的作用，這在現(xiàn)代有機(jī)合成中稱為“合成藝術(shù)” 。在化學(xué)文獻(xiàn)中經(jīng)?？梢钥吹侥骋?有機(jī)化合物的全合成同時(shí)有多個(gè)工作組的報(bào)導(dǎo)， 而其合成方法和路線是不同的。 那么 如何去評價(jià)這些不同的全合成路線呢 ?對一個(gè)全合成路線的評價(jià)包括：起始原料是否 適宜，步驟路線是否簡短易行， 總收率高低以及合成的選擇性高低等。這些對形成有 工業(yè)前景的生產(chǎn)方法和工藝是至關(guān)重要的，也是現(xiàn)代有機(jī)合成

4、的發(fā)展方向。（2）金屬有機(jī)化學(xué)和有機(jī)催化金屬有機(jī)化學(xué)在 20 世紀(jì)有機(jī)化學(xué)中是最活躍的研究領(lǐng)域之一，其中特別是與有 機(jī)催化聯(lián)系在一起。均相催化使有機(jī)化學(xué)、 高分子化學(xué)、 生命科學(xué)及現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā) 展到一個(gè)新的水平。 金屬有機(jī)化學(xué)使人們認(rèn)識到無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)交叉產(chǎn)生的金屬 有機(jī)化學(xué)會產(chǎn)生如此巨大的活力和作用； 同時(shí)還發(fā)現(xiàn)許多金屬有機(jī)化合物在生物體系 內(nèi)有重要的生理功能，如維生素 B12,引起了生物學(xué)界的關(guān)注。由于金屬有機(jī)化學(xué)的 本身結(jié)構(gòu)和功能的特殊性，以及廣泛的應(yīng)用前景，它在 21 世紀(jì)將有更大的發(fā)展。 含有碳 - 金屬鍵的化合物種類甚多，至今還有不少元素周期表上的金屬元素尚無合成 的金屬有機(jī)

5、化合物。因此，金屬有機(jī)化合物的合成方法有待進(jìn)一步研究和深入。如 1849年就制得乙基鋅Zn （C2H5 2，發(fā)現(xiàn)它有極好的反應(yīng)性能；以后才相繼制得 含鋰、鈉、鉀、鎂、鋁、汞、錫等的金屬有機(jī)化合物。但直到 20世紀(jì) 50 年代才發(fā)展 到主族元素和過渡元素的金屬有機(jī)化合物。 金屬有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系是一個(gè) 很廣泛和重要的研究領(lǐng)域。如茂金屬催化劑，它是烯烴聚合反應(yīng)的新型催化劑； 現(xiàn)在 又發(fā)現(xiàn)二茂鐵可做燃燒催化劑。 應(yīng)用金屬有機(jī)化合物作為光學(xué)材料、 電子材料和醫(yī)藥 也是正在開發(fā)的領(lǐng)域。在 21 世紀(jì)將會發(fā)現(xiàn)更多具有各種特殊功能、可用作功能材料 的金屬有機(jī)化合物。金屬有機(jī)化合物在有機(jī)合成的均相催化

6、反應(yīng)中起著十分重要的作用。 往往在金屬 有機(jī)化合物催化下產(chǎn)生一系列的有機(jī)合成反應(yīng)。 各種金屬有機(jī)化合物的催化活性是不 同的，將其應(yīng)用于有機(jī)合成中將會產(chǎn)生各種不同的反應(yīng)。 有機(jī)反應(yīng)催化劑的研制趨勢 是模擬那些能起催化反應(yīng)的酶。 這些模擬酶的選擇性催化劑將在化學(xué)合成中呈現(xiàn)日新 月異的新局面，故有的諾貝爾化學(xué)獎獲得者稱其為化學(xué)酶。（3）天然有機(jī)化學(xué) 天然有機(jī)化學(xué)是研究來自自然界動植物的內(nèi)源性有機(jī)化合物的化學(xué)。 大自然創(chuàng)造的各 種有機(jī)化合物使生物能生存在陸地、高山、海洋、冰雪之中。發(fā)掘和認(rèn)識自然界的這 一豐富資源是世界發(fā)展和人類生存的需要， 是有機(jī)化學(xué)主要研究任務(wù)之一， 也是認(rèn)識 世界的基礎(chǔ)研究。從事

7、天然產(chǎn)物化學(xué)研究的目的是希望發(fā)現(xiàn)有生理活性的有效成分， 或是直接用于臨床藥物和用于農(nóng)業(yè)作為增產(chǎn)劑和農(nóng)藥， 或是發(fā)現(xiàn)有效成分的主結(jié)構(gòu)作 為先導(dǎo)化合物， 進(jìn)一步研究其各種衍生物， 從而發(fā)展成一類新藥、新農(nóng)藥和植物生長 調(diào)節(jié)劑等。 對于自然界的天然產(chǎn)物， 有機(jī)化學(xué)家和藥物化學(xué)家長期以來一直對它具有 廣泛的興趣，并從中已經(jīng)獲得了許多新藥和先導(dǎo)化合物。（4）物理有機(jī)化學(xué) 物理有機(jī)化學(xué)研究有機(jī)分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系， 研究有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及用理論 計(jì)算化學(xué)的方法來理解、 預(yù)見和發(fā)現(xiàn)新的有機(jī)化學(xué)現(xiàn)象。 對有機(jī)分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān) 系以及對有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究， 是希望從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中找到其內(nèi)在的規(guī)律， 并提高 到

8、理論化學(xué)的高度來理解和認(rèn)識。 分子結(jié)構(gòu)測定目前， 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)測定所用的波譜 （紫外、紅外、核磁共振、 質(zhì)譜）和 X- 射線單晶結(jié)構(gòu)分析等已經(jīng)能測定大多數(shù)有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)，但對于結(jié)構(gòu)很 復(fù)雜的生物大分子或存在量極微的有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的測定尚有待于分析儀器設(shè)備的 不斷發(fā)展。如目前已有 800兆核磁共振儀， 更高級的已在研制中。某些新型的顯微鏡 也正在發(fā)展之中， 例如可以直接觀察單個(gè)分子及其結(jié)構(gòu)的顯微術(shù)。 這一領(lǐng)域的發(fā)展可 能導(dǎo)致一系列生物大分子的發(fā)現(xiàn)， 并測定它們的一級結(jié)構(gòu)以及二、三級結(jié)構(gòu)，了解分 子在空間的排列以及分子 - 分子體系是如何組合的。這是物理有機(jī)化學(xué)研究的基礎(chǔ)工 作，只有了解清楚分子

9、結(jié)構(gòu)，才有可能聯(lián)系其性能，研究結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。 反應(yīng)機(jī)理隨著對反應(yīng)過渡態(tài)及反應(yīng)活性中間體的研究和確證， 往往一個(gè)有機(jī)化 學(xué)反應(yīng)將不單純是某一類反應(yīng)機(jī)理， 而是涉及多類有機(jī)反應(yīng)歷程， 如自由基反應(yīng)會涉 及電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。 現(xiàn)有的研究進(jìn)展表明，對任何一個(gè)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)歷程， 最終必須搞 清楚反應(yīng)過程中原子和分子的碰撞及重組情況， 不同反應(yīng)步驟的速率及反應(yīng)中能態(tài)和 相關(guān)能量。 因此在研究有機(jī)反應(yīng)機(jī)理中發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)機(jī)理是一個(gè)方面， 而搞清楚已知 反應(yīng)歷程的速率、能量也是控制有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)重要方面。 分子間的弱相互作用分子間的弱相互作用決定參與反應(yīng)的分子間的識別， 因而 決定反應(yīng)的選擇性； 它還決定分

10、子間的聚集方式。 研究分子間弱相互作用及其后果是 十分重要的。（5）生物有機(jī)化學(xué)生物有機(jī)化學(xué)的主要研究對象是核酸、 蛋白質(zhì)和多糖三種主要生物大分子及參與 生命過程的其他有機(jī)化合物分子。它們是維持生命機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最重要的基礎(chǔ)物 質(zhì)。核酸是信息分子，負(fù)擔(dān)著遺傳信息的儲存、傳遞及表達(dá)功能。近 10 年來對核糖 核酸的研究發(fā)現(xiàn)， 除上述功能之外， 它還顯示出獨(dú)特的催化活性，即有著酶一樣的作 用。這大大加深了對核酸和蛋白質(zhì)這兩類重要生命基礎(chǔ)物質(zhì)的性質(zhì)和相互關(guān)系的認(rèn) 識。核酸研究的深入發(fā)展，深刻揭示了 DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、RNA前體加工、蛋白質(zhì)生物 合成過程中的相互關(guān)系， 從而了解許多疾病的病因與核酸的相關(guān)性， 為核酸在醫(yī)學(xué)上 的應(yīng)用開拓了廣闊的前景。全新蛋白質(zhì)是蛋白質(zhì)研究中的一個(gè)新領(lǐng)域。國際上正在嘗試按化學(xué)、 生物、催化 等性質(zhì)的需要合成新的蛋白質(zhì)分子，對酶蛋白和膜蛋白的研究和模擬將起到重要作 用。多糖也是生物體內(nèi)的重要信息物質(zhì)。目前多糖研究側(cè)重于分離、 純化、化學(xué)組成 及生物活性測定等方面。 對多糖的溶液構(gòu)象、 空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系都還未深入研究。 要深入研究多糖結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系， 必須