新世紀(jì)的化學(xué)

第3章新世紀(jì)的化學(xué)3.1化學(xué)科學(xué)的“危機(jī)”上世紀(jì)化學(xué)的發(fā)展如日中天，因而誰也沒有想到化學(xué)正在慢慢接近一個(gè)迷離狀態(tài)。這種狀態(tài)有公眾對(duì)化學(xué)的不理解的緣故，也有其它學(xué)科對(duì)化學(xué)與各學(xué)科的關(guān)系認(rèn)識(shí)不夠的緣故。但是也要看到一個(gè)內(nèi)在因素：我們沒有經(jīng)歷物理學(xué)、生物學(xué)和天文學(xué)那樣的危機(jī)，所以也沒有從經(jīng)典學(xué)科思路中走出來?？v觀自然科學(xué)的發(fā)展歷史，許多學(xué)科都是在經(jīng)歷危機(jī)之后，鳳凰涅盤，枯木逢春，重新獲得了飛躍性發(fā)展。3.2著名化學(xué)家論化學(xué)發(fā)展前景3.2.1新層次上的化學(xué)：化學(xué)發(fā)展動(dòng)向之一——王夔

在科學(xué)發(fā)展萌芽時(shí)期，每一學(xué)科都認(rèn)準(zhǔn)自己的研究領(lǐng)域和層次。而層次(或者水平，level)的突破是最主要的突破口?；瘜W(xué)一向給自己限定活動(dòng)范圍在分子與原子之間的層次。我們最擅長的是分解與合成，其基本方法是把分子拆成原子或原子基團(tuán)，或把原子或原子基團(tuán)再鍵合成分子。基于這一思路，就有創(chuàng)造出新物質(zhì)的無限可能?；瘜W(xué)家認(rèn)識(shí)了無數(shù)自然界存在的千奇百異的天然化合物，合成了無數(shù)自然界沒有的新物質(zhì)。但是化學(xué)始終沒有離開原子、分子層次。一、分子以上層次的化學(xué)分子聚集體的功能在很大程度上由其有序高級(jí)結(jié)構(gòu)(orderlyhigherstructure)決定；在有序高級(jí)結(jié)構(gòu)中的分子是以一定方式通過分子間弱相互作用組裝起來的；分子間弱相互作用在功能分子聚集體的構(gòu)筑上起重要作用；分子如何構(gòu)筑或組裝成有序高級(jí)結(jié)構(gòu)取決于基本分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)和組裝時(shí)的反應(yīng)條件。二、復(fù)雜系統(tǒng)的研究在科學(xué)研究中，簡化處理已經(jīng)成為常規(guī)方法。人們對(duì)用簡化、理想化和數(shù)學(xué)化處理所得的結(jié)果深信不疑?，F(xiàn)在絕大多數(shù)科學(xué)原理都是這種思維指導(dǎo)下建立的。但是，天然系統(tǒng)都是復(fù)雜的。把復(fù)雜系統(tǒng)拆成個(gè)別的分子或原子來研究，用研究結(jié)果回過來解釋復(fù)雜系統(tǒng)，總不能解釋復(fù)雜系統(tǒng)中微妙之處。特別是當(dāng)人們面對(duì)復(fù)雜的生命現(xiàn)象時(shí)。目前，復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的研究還不是熱點(diǎn)，但是從所有自然科學(xué)研究物質(zhì)世界的從簡單到復(fù)雜的總體規(guī)律來看，從解決實(shí)際問題的需要來看，這方面的研究一定會(huì)迅速發(fā)展的。3.2.2展望化學(xué)之未來：挑戰(zhàn)和機(jī)遇

——唐有祺化學(xué)掌管著百來個(gè)元素，而且還在不斷耕耘周期系和整理天然產(chǎn)物，從而發(fā)現(xiàn)的化合物幾乎每10年要翻上一番?，F(xiàn)在化學(xué)手中的百來個(gè)元素和二千萬上下化學(xué)物種是當(dāng)今人類所能依賴的物質(zhì)寶庫。它們能滿足人類的物資需求。人類對(duì)物資的需求，不論在質(zhì)量和數(shù)量上總是要不斷發(fā)展的。圍繞這個(gè)需求的核心基礎(chǔ)學(xué)科是化學(xué)。即此一端，就會(huì)對(duì)化學(xué)提供無窮無盡的問題和動(dòng)力以及造福人類的永恒機(jī)會(huì)。

化學(xué)學(xué)科的核心任務(wù)或今后長遠(yuǎn)的努力方向大體上可歸納成3個(gè)方面：

(1)開展化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)研究，以利開發(fā)新化學(xué)過程；

(2)揭示組成、結(jié)構(gòu)、性能之間關(guān)系和有關(guān)規(guī)律，以利設(shè)計(jì)分子或結(jié)構(gòu)和創(chuàng)造新物質(zhì)；

(3)利用新技術(shù)和新原理強(qiáng)化分析和測試方法的威力，使化學(xué)工作的耳目趨于靈敏和可靠。我很同意國外有人這樣展望化學(xué)的未來：“除了繼續(xù)培育化學(xué)中的核心學(xué)科外，在今后25年中，化學(xué)家還將揭示生物學(xué)中的很多奧秘，并創(chuàng)造出具有神奇性能的物質(zhì)?！?/p>

3.2.321世紀(jì)化學(xué)的前瞻

——徐光憲

對(duì)“21世紀(jì)的化學(xué)何去何從?”這一問題的回答，有兩種估計(jì)：(1)21世紀(jì)的化學(xué)將在物理學(xué)與生物學(xué)的夾縫中逐漸消微；(2)21世紀(jì)的化學(xué)將在與物理學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、能源、海洋、空間科學(xué)的相互交叉，相互滲透，相互促進(jìn)中共同大發(fā)展。一、從宇宙進(jìn)化的層次結(jié)構(gòu)來看，化學(xué)永遠(yuǎn)不會(huì)消亡二、化學(xué)的研究對(duì)象隨著時(shí)代的前進(jìn)而不斷更新三、化學(xué)是承上啟下的中心學(xué)科，在科學(xué)的長河中是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)四、化學(xué)是社會(huì)迫切需要的實(shí)用科學(xué)五、21世紀(jì)化學(xué)研究方法的更新，將加速化學(xué)的發(fā)展1、合成化學(xué)

21世紀(jì)的化學(xué)，不但研究對(duì)象要更新，而且研究方法也要更新。在合成化學(xué)領(lǐng)域，可以看到下面5種發(fā)展趨勢：(1)從合成天然有機(jī)化合物到設(shè)計(jì)合成合乎人類需要的功能分子。(2)計(jì)算機(jī)輔助合成的方法將被廣泛使用。(3)從合成單個(gè)化合物到合成數(shù)以千百計(jì)的類似化合物的組合化學(xué)，從中篩選出我們需要的藥物。(4)利用生物工程來進(jìn)行化學(xué)合成，例如用大腸桿菌來生產(chǎn)胰島素等藥物。(5)各種新的合成方法將不斷出現(xiàn)，如手性合成，自組織合成，相轉(zhuǎn)移合成，模板合成，原子經(jīng)濟(jì)合成，環(huán)境友好合成，極端條件下的合成，太空無重力條件下的晶體生長等。2、分離化學(xué)化合物合成以后，一定要和反應(yīng)物及副產(chǎn)品進(jìn)行分離。分離化學(xué)的發(fā)展趨勢是：(1)提高現(xiàn)有各種分離方法(萃取化學(xué)，離子交換，色層分離，電泳，離心分離，擴(kuò)散分離，電磁分離，重力分離等)的效率，并發(fā)展新的分離方法。(2)把合成和分離結(jié)合起來，變成一個(gè)過程。例如把反應(yīng)物Ａ接到離子交換樹脂上，讓反應(yīng)物Ｂ在溶液中和樹脂上的Ａ起反應(yīng)，則反應(yīng)產(chǎn)物就自動(dòng)和Ａ分離。(3)把分離和性能測定兩者結(jié)合起來。例如把抗原接在樹脂上，讓一批候補(bǔ)的化合物在溶液中通過樹脂。若其中含有抗體，就能和樹脂中的抗原結(jié)合。3、分析化學(xué)50年代儀器化，60年代電子化，70年代計(jì)算機(jī)化，80年代智能化，90年代信息化。發(fā)展趨勢：(1)從化學(xué)分析拓寬到生命科學(xué)中的分析。

(2)各類分析方法的聯(lián)用，如色質(zhì)聯(lián)用，色譜和光譜聯(lián)用等。(3)從靜態(tài)分析到原位，在體，實(shí)時(shí)，在線和高靈敏度，高選擇性的新型動(dòng)態(tài)分析和無損探測方法。(4)把分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬到芯片上。在微電子領(lǐng)域，把電子管，電感，電容，電阻等元件搬到芯片上，引起了電子工業(yè)的革命。現(xiàn)在有十幾家化學(xué)儀器公司正在玻璃，塑料或硅片上刻蝕化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，把試管，燒杯，漏斗，本生燈等搬到芯片上?；瘜W(xué)家只要把1μL或1nL的樣品注入化學(xué)芯片，幾分鐘后就可在計(jì)算機(jī)的屏幕上看到分析結(jié)果。4、物理化學(xué)與理論化學(xué)如果說20世紀(jì)上半葉的化學(xué)主要采用宏觀實(shí)驗(yàn)方法來研究，那么到了20世紀(jì)下半葉，微觀方法就開始和宏觀方法相互結(jié)合相互滲透。量子化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)是從微觀角度研究化學(xué)的左右手瑞典皇家科學(xué)院1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)公報(bào)說：“量子化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為廣大化學(xué)家所使用的工具，將化學(xué)帶入一個(gè)新時(shí)代，在這個(gè)新時(shí)代里實(shí)驗(yàn)和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)?；瘜W(xué)不再是純實(shí)驗(yàn)科學(xué)了。3.2.4充滿希望的新世紀(jì)：21世紀(jì)

化學(xué)學(xué)科發(fā)展——吳毓林

一、走出純化學(xué)，進(jìn)入大科學(xué)二、迎接挑戰(zhàn)，發(fā)展化學(xué)①定向合成和高選擇性合成方法學(xué)的研究。

②綠色合成研究，或稱原子經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友

好反應(yīng)的研究。

③極端條件下的合成和溫和條件下的合成。

④具有特定功能、特殊結(jié)構(gòu)的分子的合成和

分子聚集體的組裝。

⑤新的合成策略和概念的探索。

⑥計(jì)算機(jī)合成化學(xué)。

⑦合成、制備和組裝中的重要基礎(chǔ)理論問題。3.3化學(xué)是21世紀(jì)的中心科學(xué)3.3.1化學(xué)是高科技發(fā)展的基礎(chǔ)專家們預(yù)測，最活躍的高科技領(lǐng)域可能是：生物、航天、信息、激光、自動(dòng)化、能源、材料等。它們也是我國跟蹤世界最新科技水平，發(fā)展我國高技術(shù)的重要領(lǐng)域。這些領(lǐng)域全都和化學(xué)有著密切的關(guān)系，需要借助現(xiàn)代化學(xué)的威力?；瘜W(xué)家也理應(yīng)在這些領(lǐng)域作出自己的貢獻(xiàn)。3.3.2