化學學科的發(fā)展現(xiàn)狀與未來市公開課一等獎省賽課微課金獎

化學學科發(fā)展、現(xiàn)實情況與未來1化學學科發(fā)展簡單回顧2化學學科內(nèi)涵及其地位作用3二十一世紀化學學科發(fā)展趨勢4化學學科前沿介紹綠色化學超分子化學邵爽浙江教育學院理工學院sshao@135881515861化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第1頁1/491化學學科發(fā)展簡單回顧遠古化學——實用技術(shù)

如：冶金、火藥、造紙等。近代化學——基本理論建立如：質(zhì)量守恒定律、燃燒學說、阿佛加德羅定律、原子論、分子論、電離學說、酸堿理論等。當代化學——物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論和合成化學如：雜化軌道理論（VB法）、分子軌道理論（MO法）、配位場理論、逆合成、手性合成、綠色化學、組合化學、分子設(shè)計等。未來化學——綜合學科發(fā)展科學如：深入研究原子組合分子方法和技巧;研究分子以上層次現(xiàn)象;與其它學科滲透、交叉聯(lián)合;科學—技術(shù)—生產(chǎn)、必須創(chuàng)新、理論與試驗并駕齊驅(qū)、學科界限越來越含糊等。2化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第2頁2/491661年波義耳在其著名論文“懷疑派化學家”中提出“元素”概念，從而化學被確定為一門學科。18道爾頓提出原子論。18阿伏加德羅提出了“分子”概念。1860年康尼查羅提出了原子--分子論。1870年門捷列夫發(fā)覺了元素周期律，奠定了化學學科 理論基礎(chǔ)。19世紀末化學主要分支（二級學科）分析化學、無機化 學、有機化學和物理化學相繼建立，這種分工大 大推進了化學研究深化。20世紀

量子力學誕生，近鄰學科尤其是物理學、生物學 和數(shù)學發(fā)展，以及各種新試驗技術(shù)及精密儀 器創(chuàng)造和計算機出現(xiàn)，使化學學科得到迅猛 發(fā)展。

化學理論發(fā)展主要軌跡

3化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第3頁3/491.120世紀化學學科基礎(chǔ)研究重大突破(1)放射性和鈾裂變重大發(fā)覺

19居里夫婦因發(fā)覺了放射性比鈾強400倍釙，以及放射性比鈾強200多萬倍鐳為此而取得了諾貝爾物理學獎。19為表彰居里夫人在發(fā)覺釙和鐳、開拓放射化學新領(lǐng)域以及發(fā)展放射性元素應(yīng)用方面貢獻，居里夫人被授予了諾貝爾化學獎

19盧瑟福因從事關(guān)于元素衰變和放射性物質(zhì)研究,提出了原子有核結(jié)構(gòu)模型和放射性元素衰變理論而取得了諾貝爾化學獎。1935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諾貝爾化學獎。

1938年費米因人工合成了60種新放射性元素而取得了諾貝爾物理學獎。1944年哈恩因發(fā)覺了核裂變現(xiàn)象而取得了諾貝爾化學獎.1942年費米領(lǐng)導(dǎo)下成功建造了第一座原子反應(yīng)堆。1945年美國在日本投下了原子彈。4化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第4頁4/49(2)化學鍵和當代量子化學理論建立

鮑林在化學鍵本質(zhì)研究和應(yīng)用化學鍵理論來說明物質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲1945年諾貝爾化學獎。經(jīng)許多化學家近半個世紀努力，當代量子化學理論不停發(fā)展和完善，化學進入試驗和理論計算并重時代?；瘜W家們由淺入深，認識分子本質(zhì)及其相互作用基本原理，從而讓人們進入分子理性設(shè)計高層次領(lǐng)域。

1.120世紀化學學科基礎(chǔ)研究重大突破

5化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第5頁5/49(3)創(chuàng)造新物質(zhì)——合成化學

近百年來化學家(尤其是有機化學家)已經(jīng)設(shè)計和合成了數(shù)千萬個化合物，幾乎又創(chuàng)造了一個新自然界；同時還發(fā)覺了大量新反應(yīng)、新試劑、新方法和新理論。19格林尼亞因創(chuàng)造格林尼亞試劑，開創(chuàng)了有機金屬化合物在各種官能團反應(yīng)中新領(lǐng)域而獲諾貝爾化學獎。當代有機合成化學是經(jīng)過20世紀近1研究、探索發(fā)展到今天已能夠合成像海葵毒素(Polytoxin)這么復(fù)雜有機分子(含有64個手性中心7個骨架內(nèi)雙鍵分子，存在271≈2×1021個異構(gòu)體)。

1.120世紀化學學科基礎(chǔ)研究重大突破6化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第6頁6/49海葵毒素分子結(jié)構(gòu)分子式為C129H223N3O54

有64個不對稱碳和7個骨架內(nèi)雙鍵,異構(gòu)體數(shù)目多達271個有機合成杰作1989年美國哈佛大學Kishi宣告全合成64個手性中心2×1021個同分異構(gòu)體7化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第7頁7/49VB12分子結(jié)構(gòu)R.B.Woodward合成1965年獲Nobel化學獎有機合成杰作8化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第8頁8/49藥品合成——抗生素隨即篩選分子設(shè)計9化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第9頁9/4920世紀合成化學輝煌成就10化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第10頁10/49(4)高分子科學建立和發(fā)展20世紀人類社會文明標志之一是合成材料出現(xiàn)。1953年H.Staudinger因提出了高分子這個概念，創(chuàng)建了高分子鏈型學說建立了高分子粘度與分子量之間定量關(guān)系，從而取得了諾貝爾化學獎。1963年Ziegler和Natta因發(fā)覺了配位聚合反應(yīng)和實現(xiàn)了丙烯定向聚合而共獲了諾貝爾化學獎。1974年Flory因在高分子性質(zhì)方面成就也取得了諾貝爾化學獎。三大傳統(tǒng)合成材料塑料橡膠纖維新型功效材料

光電材料信息儲存材料光導(dǎo)纖維超導(dǎo)……1.120世紀化學學科基礎(chǔ)研究重大突破11化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第11頁11/49(5)化學動力學與分子反應(yīng)動態(tài)學發(fā)展

揭示化學反應(yīng)歷程和研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其反應(yīng)能力之間關(guān)系，是控制化學反應(yīng)過程需要。1956年由前蘇聯(lián)謝苗諾夫和英國欣歇爾伍德在化學反應(yīng)機理、反應(yīng)速度和鏈式反應(yīng)方面開創(chuàng)性研究而獲諾貝爾化學獎。同時研究快速反應(yīng)技術(shù)得到發(fā)展，現(xiàn)在能夠研究十億分之一秒內(nèi)發(fā)生化學反應(yīng)。美籍華人化學家李遠哲及美國化學家赫希巴赫首先研制成功效取得各種態(tài)信息交叉分子束試驗裝置，從微觀角度來認識化學反應(yīng)，發(fā)展了分子反應(yīng)動態(tài)學，亦稱態(tài)--態(tài)化學，對化學反應(yīng)基本原理做出了主要突破。(榮獲1986年諾貝爾化學獎)。

1.120世紀化學學科基礎(chǔ)研究重大突破12化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第12頁12/49關(guān)于化學反應(yīng)歷程主要研究結(jié)果……1956年Semenov和Hinchelwood在化學反應(yīng)機理、反應(yīng)速度和鏈式反應(yīng)方面開創(chuàng)性研究取得了諾貝爾化學獎。1967年EigenPorter和Norrish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)快速化學反應(yīng)，對快速反應(yīng)動力學研究作出了重大貢獻，三人共獲了諾貝爾化學獎。1986年李遠哲、Herschbach和Polany因創(chuàng)造了取得各種態(tài)信息交叉分子束技術(shù)，并利用該技術(shù)F+H2反應(yīng)動力學（態(tài)－態(tài)化學），對化學反應(yīng)基本原理作出了主要貢獻，為此共獲了諾貝爾化學獎。1999年Zewail因利用飛秒光譜技術(shù)研究過渡態(tài)成就獲諾貝爾化學獎?！?3化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第13頁13/49飛秒化學飛秒化學是研究在極小時間內(nèi)化學反應(yīng)過程和機理。這一領(lǐng)域包含時間間隔短至約千萬億分之一秒，即1飛秒。

1s(s,秒)=103ms(毫秒)=109ns(納秒)＝1015fs(femtosecond飛秒)飛秒化學技術(shù)基礎(chǔ)——飛秒激光。不一樣波長激光能夠選擇性地激發(fā)和檢測不一樣分子，或者同一分子不一樣內(nèi)部能量狀態(tài)，或量子態(tài)分布。從分子角度來說，化學反應(yīng)本身就是分子體系波函數(shù)隨時間改變，在勢能面上運動過程。試驗上，經(jīng)過觀察在不一樣時刻體系性質(zhì)，就能夠得到這種演化圖像，從而了解反應(yīng)詳細動力學過程。因為分子內(nèi)部、化學反應(yīng)過程中及凝聚相中分子間相互作用過程是在非常短時間里發(fā)生，比如說，化學反應(yīng)過渡態(tài)壽命普通只有幾十飛秒，所以必須在飛秒時間尺度上對化學反應(yīng)過程進行檢測。也就是說，要象攝影一樣，要用足夠短“快門”，來捕捉分子運動和改變瞬間行為信息。14化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第14頁14/49(6)分析科學發(fā)展

20世紀70年代，生命科學、信息科學和計算機技術(shù)發(fā)展，使分析化學進入了嶄新階段，它不只限于測定物質(zhì)組成和含量，而要對物質(zhì)狀態(tài)(氧化．還原態(tài)、各種結(jié)合態(tài)、結(jié)晶態(tài))、結(jié)構(gòu)(一維、二維、三維空間分布)、微區(qū)、薄層和表面組成與結(jié)構(gòu)以及化學行為和生物活性等做出瞬時追蹤，無損和在線監(jiān)測等分析及過程控制，甚至要求直接觀察原子和分子形態(tài)與排列。分析化學成為一門儀器裝置和測量科學。1990年開始人類基因組計劃(HGP)中，因為DNA測序技術(shù)不停推陳出新，從板凝膠電泳到凝膠毛細管電泳、線性高分子溶液毛細管電泳、到陣列毛細管電泳，直至全基因組鳥槍測序技術(shù)。終于使人類基因組計劃提前到完成。分析化學在推進人們搞清環(huán)境和生命相關(guān)化學問題中起著關(guān)鍵作用。

1.120世紀化學學科基礎(chǔ)研究重大突破

光譜：原子吸收、原子發(fā)射波譜：紅外光譜、紫外光譜核磁共振、質(zhì)譜

能譜：電子能譜色譜：氣相色譜、液相色譜X-射線衍射：單晶、粉末15化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第15頁15/49(7)生命科學

生物小分子化學，蛋白質(zhì)化學核酸化學，糖化學蛋白質(zhì)化學結(jié)構(gòu)：一級結(jié)構(gòu),二級結(jié)構(gòu),三級結(jié)構(gòu),四級結(jié)構(gòu)氨基酸序列分析儀酶化學酶催化機理化學模擬生物合成與生物轉(zhuǎn)化核酸化學DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)覺（Watson-Crick獲1962年諾貝爾醫(yī)學或生理學獎)堿基配對標準DNA復(fù)制基因表示遺傳密碼發(fā)覺中心法則1.120世紀化學學科基礎(chǔ)研究重大突破16化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第16頁16/4920世紀初開始生物小分子（如糖、血紅素、葉綠素、維生素等）化學結(jié)構(gòu)與合成研究就一再獲諾貝爾化學獎1955年首次合成多肽激素催產(chǎn)素和加壓素，獲1955年諾貝爾化學獎；1960年成功地測定了鯨肌紅旦白和馬血紅蛋白空間結(jié)構(gòu)，獲1962年諾貝爾化學獎；1980年P(guān).Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在DNA分裂和重組、DNA測序以及當代基因工程學方面出眾貢獻而共獲諾貝爾化學獎。1982年A.Klug因創(chuàng)造“象重組“技術(shù)和揭示病毒和細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)而取得諾貝爾化學獎。1993年M.Smith因創(chuàng)造寡核苷酸定點誘變法以及K.B.Mullis因創(chuàng)造多聚酶鏈式反應(yīng)技術(shù)對基因工程貢獻而共獲諾貝爾化學獎。化學在生命科學領(lǐng)域主要研究結(jié)果17化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第17頁17/49DNA18化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第18頁18/49蛋白酶一個——胰蛋白酶結(jié)構(gòu)和排列次序示意圖19化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第19頁19/49

1965年9月，我國科學家汪猷帥上百位化學工作者經(jīng)過6年多堅持不懈努力，取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蛋白質(zhì)。兩條肽鏈:A鏈21個氨基酸殘基,B鏈30個殘基,分子量5700道爾頓,1953年確定全部化學結(jié)構(gòu).

1965年我國人工合成牛胰島素20化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第20頁20/491.220世紀化學工業(yè)大發(fā)展(1)石油化工成為支柱產(chǎn)業(yè)

20世紀30年代催化劑進入石油化工，催化動力學發(fā)展及催化劑作用使石油各種餾分成為各種不一樣用途化工產(chǎn)品，石油化工快速發(fā)展，已成為世界經(jīng)濟發(fā)展中占主要地位工業(yè)領(lǐng)域。世界化工總產(chǎn)值中80％以上產(chǎn)品與石油化工相關(guān)。

21化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第21頁21/49(2)三大合成材料時代

20世紀前半葉，因為基礎(chǔ)化學中高分子化學興起和發(fā)展，逐步形成了塑料、纖維、橡膠三大合成材料工業(yè)。到20世紀末，世界年產(chǎn)合成橡膠能力已1200萬噸，合成纖維達1500萬噸，合成塑料已超出6000萬噸。以塑料為主體三大合成材料，以體積計算其世界總產(chǎn)量已超出全部金屬產(chǎn)量，所以有些人稱20世紀為聚合物時代。

1.220世紀化學工業(yè)大發(fā)展22化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第22頁22/49(3)化肥（農(nóng)藥）工業(yè)巨大作用

20世紀面臨人口大幅度增加和糧食需求快速增加局面。在處理這一困難中，化肥起了主要作用。其中氮肥生產(chǎn)關(guān)鍵問題是怎樣利用大氣中氮大規(guī)模合成肥料。19德國化學家哈伯用鋨作催化劑成功地建立了每小時產(chǎn)生80克氨試驗裝置。哈伯所以而榮獲19諾貝爾化學獎。1931年德國博施建成第一個用鐵催化劑合成氨工廠日產(chǎn)量為30噸。(榮獲1931年諾貝爾化學獎)。60多年來，不停對合成氨工藝進行改進并引入當代化工技術(shù)。我國是農(nóng)業(yè)大國，肥料是增產(chǎn)關(guān)鍵方法。當前已達年產(chǎn)萬噸規(guī)模，占世界第二位。

1.220世紀化學工業(yè)大發(fā)展23化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第23頁23/49(4)醫(yī)藥工業(yè)大發(fā)展

20世紀人類壽命顯著延長，70歲以上老人百分比顯著提升，預(yù)計20世紀人類平均壽命增加30歲左右。人類壽命延長原因之一是醫(yī)療條件改進，其中針對人類常見病、多發(fā)病新藥研制成功是關(guān)鍵原因。醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展與化學緊密相關(guān)?；瘜W合成藥在醫(yī)學工業(yè)中占主導(dǎo)地位?；前匪幨堑诙问澜绱髴?zhàn)前惟一有效抗細菌感染藥品。Domagk所以而在1939年榮獲諾貝爾生理及醫(yī)藥獎?；前奉愃幤穯柺罉酥局瘜W療法方面一大突破。第二次世界大戰(zhàn)后，磺胺藥逐步讓位于治療效果愈加好抗生素類藥，如青霉素、四環(huán)素、紅霉素、氯霉素、頭孢菌素等。當前世界藥品市場年銷售量約為3000億美元，在世界經(jīng)濟發(fā)展中有舉足輕重作用。

1.220世紀化學工業(yè)大發(fā)展24化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第24頁24/49

美國90年代化學工業(yè)產(chǎn)值約占30％，化學品出口占總出口30％，位居世界第二位。美國調(diào)查匯報“化學中機會”指出，化學工業(yè)在國際市場上要保持競爭力，主要看作為基礎(chǔ)學科化學能否保持領(lǐng)先地位。可見，沒有基礎(chǔ)學科發(fā)展為后盾，國民經(jīng)濟、高新技術(shù)發(fā)展是不可能?；瘜W工業(yè)已成為一些國家支柱產(chǎn)業(yè)25化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第25頁25/49化學從原子分子水平研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用科學?！瘜W教科書2化學學科內(nèi)涵及地位作用化學為總管物質(zhì)在原子、分子層次上改變之科學。——唐有祺

化學是一門試圖了解物質(zhì)性質(zhì)和物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)科學，它包含存在于自然界物質(zhì)（如地球上礦物、空氣中氣體、海洋里水和鹽、動物體內(nèi)化學物質(zhì)），以及由人類創(chuàng)造新物質(zhì)，它包含自然界改變（如因閃電而著火樹木、與生命相關(guān)化學改變），還有那些由化學家創(chuàng)造和創(chuàng)造新改變。

——RonaldBreslow

2.1化學學科定義與內(nèi)涵26化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第26頁26/49徐光憲.化學學科進展[M],北京:化工出版社,:12一維定義——X定義化學是研究X對象科學X——泛分子，包含10個層次：①原子;②分子片;③分子;④超分子;⑤高分子;⑥生物分子;⑦納米分子;⑧原子和分子宏觀聚集體;⑨復(fù)雜分子體系和自組裝分子二維定義——XY定義化學是研究X對象Y內(nèi)容科學Y——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、物理和化學性質(zhì)、生理和生物活性、運輸和調(diào)控作用機制等個方面規(guī)律、相互關(guān)系和應(yīng)用三維定義——XYZ定義化學是用Z方法研究X對象Y內(nèi)容科學Z——試驗，理論和計算機模擬四維定義——XYZW定義化學是用Z方法研究X對象Y內(nèi)容以抵達W目標科學W——認識世界，改造自然和保護世界分子片是指組成份子碎片27化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第27頁27/492.2化學學科在科學發(fā)展中地位R.Breslow(1997)ChemistryTodayandTomorrow——TheCentral,UsefulandCreativeScience化學今天和明天——化學是一門中心、實用和創(chuàng)造性科學28化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第28頁28/49從早晨開始，我們在用化學品建造住宅中醒來，家俱是部分地用化學工業(yè)生產(chǎn)當代材料制作，我們使用化學家們設(shè)計肥皂和牙膏并穿上由合成纖維和合成染料制成衣服，即使天然纖維（如羊毛或棉花）也是經(jīng)化學品處理過并染色。這么能夠改進它們性能。

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；要么需加入維生素后食用；甚至我們購置天然食品，如牛奶，也必須經(jīng)過化學檢驗后方可食用。我們交通工具——汽車、火車、飛機——在很大程度上依靠化學工業(yè)產(chǎn)品；晨報是用化學家們制造油墨在用化學方法制造紙上印刷；用于說明事物照片要用化學家們制造膠卷和膠片；日常生活中金屬制品都是用經(jīng)過以化學為基礎(chǔ)冶煉轉(zhuǎn)化為金屬或合金后制造，為了保護它們還要涂上油漆。

化裝品是由化學家制造和檢驗過；警察和軍人用武器也都依靠化學。實際上，在我們?nèi)粘Ｉ钪袠O難找出一個不依靠化學和化學家?guī)椭圃斐鰜懋a(chǎn)品?！痘瘜W今天和明天》R.Breslow（1997年）29化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第29頁29/49第1章化學是一門中心、實用和創(chuàng)造性科學

11什么是化學

2化學家做什么

13早期化學有些什么

14為何化學家成這門學科為“中心科學”

15是什么是化學成為“使用科學”和創(chuàng)造性科學

16那些是化學基本原理

17化學領(lǐng)域有多大

關(guān)于未來

第2章健康和生命化學

21藥品化學在過去對人類健康有哪些貢獻

22藥品化學家是怎樣設(shè)計或發(fā)覺新藥

23藥品化學家現(xiàn)在忙于什么

24化學家對了解生命本質(zhì)有什么貢獻？光和作用化學介紹

25化學在分子生物學和生物技術(shù)中作用是什么

關(guān)于未來

第3章再談化學是一門使用科學

31化學在住房和陳設(shè)品方面起什么作用

32化學在穿著方面起什么作用

33化學和運輸關(guān)系怎樣

34哈是怎樣改進事物供給

35化學和國防關(guān)系怎樣

36化學和執(zhí)法方面關(guān)系怎樣

37化學對生活質(zhì)量作出了哪些貢獻

關(guān)于未來

第4章化學與環(huán)境

41我們能否有一個建立在先進技術(shù)上當代社會，而這些技術(shù)不會無休止地污染地球

42工業(yè)能否潔凈地制造化學產(chǎn)品

43在處理從核能發(fā)電廠排放出放射性廢棄物問題上，化學家們能作什么貢獻

44人類日常生活回造成什么樣污染45我們能否控制蟲害而不危害有用動物

46我們則樣能確保新合成哈制品不會破壞環(huán)境，或沒有不良生物效應(yīng)

不是全部不良化學效應(yīng)都是致命

關(guān)于未來

第5章計算機與化學——電子學革命

51當代電子學革命誕生了計算機，化學對此有和貢獻

52什么是計算化學

53計算化學則樣幫助我們測定蛋白質(zhì)形成

關(guān)于未來

電子材料

計算化學

第6章在生物體和工業(yè)中催化作用

61催化劑能飾演什么樣角色

62作為生命催化劑酶是何物

63酶催化生物反應(yīng)時，能加速多少？又怎樣進行選擇

64維生素能起生物催化作用嗎

65酶作用知多少

66對酶認識是否有住與新藥設(shè)計

67汽車用故態(tài)金屬催化劑是則樣起作用

68為何工業(yè)界慣用固體催化劑并不含有金屬特征？

關(guān)于未來

第7章化學家怎樣創(chuàng)造新分子

71化學家怎樣決定應(yīng)該研制什么新分子?

72化學家怎樣計劃未知分子成功合成?

73在哪里進行合成試驗?

74新化學物質(zhì)一旦被創(chuàng)造還要做些什么

關(guān)于未來

第8章認識分子結(jié)構(gòu)和化學改變

81化學家怎樣測定新分子結(jié)構(gòu)?

82分子精細結(jié)構(gòu)與它們性質(zhì)之間存在什么關(guān)系?

83化學家怎樣測定化學反應(yīng)歷程?

84在哪里進行分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及反應(yīng)歷程研究?30化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第30頁30/49化學是承上啟下中心學科(centralscience)

科學按照其研究對象由簡單到復(fù)雜分為：

上游：數(shù)學、物理學——研究對象簡單，研究程度很深中游：化學下游：生命、材料、環(huán)境——研究對象復(fù)雜化學是中心科學，是從上游到下游必經(jīng)之地，永遠不會象有些人預(yù)計那樣將要在物理學與生物學夾縫中逐步消亡！化學是一門中心科學徐光憲.今日化學何去何從[J],大學化學,,18(1):1化學是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學等八大朝陽科學都有親密聯(lián)絡(luò)、交叉和滲透中心科學。31化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第31頁31/49化學是一門實用科學人類之衣、食、住、行和娛樂無不與化學相關(guān)?！舢斍耙恍┲卮蠊I(yè)過程基本上都基于化學過程。◆世界專利創(chuàng)造中有20%與化學相關(guān)?！舭l(fā)達國家從事研究與開發(fā)科研人員中，化學與化工教授占二分之一左右。◆化工企業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代依靠化學進步，而化工產(chǎn)品產(chǎn)值和出口百分比在國民經(jīng)濟中一直保持著領(lǐng)先地位。32化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第32頁32/49化學是一門創(chuàng)造性科學

化學家辛勤耕耘著元素周期體系中百余個化學元素并整理著天然產(chǎn)物，所發(fā)覺新化合物幾乎每約翻一番。伴隨化學反應(yīng)基礎(chǔ)理論及合成方法不停發(fā)展和完善，新化合物增加速率已快于指數(shù)表示方式，90年代以來每年新增化合物約有60余萬種。迄今化學家已經(jīng)擁有1900多萬種化合物，其中絕大多數(shù)是由化學家合成?；瘜W在舊自然界旁又建起了一個新自然界。

——R.B.Woodward33化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第33頁33/49化學思想——科學哲學思想主要組成部分試驗驗證思想——試驗方法來驗證和探究化學知識思想守恒思想：①能量守恒;②質(zhì)量守恒;③電荷守恒/得失電子守恒

動態(tài)平衡思想——用平衡移動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、化學平衡、電離平衡、水解平衡、氧化還原平衡等各種平衡體系本質(zhì)。量變質(zhì)變思想——質(zhì)量互變規(guī)律在化學學科應(yīng)用。比如：溫度改變，物質(zhì)狀態(tài)改變；元素原子個數(shù)或排列方式不一樣，產(chǎn)生了不一樣物質(zhì)（同素異形體和同分異構(gòu)體）；反應(yīng)物之間物質(zhì)量百分比不一樣，產(chǎn)物不一樣；反應(yīng)條件不一樣，產(chǎn)物不一樣；隨原子序數(shù)遞增，原子結(jié)構(gòu)展現(xiàn)周期性改變，元素性質(zhì)也呈周期性改變；定性試驗和定量試驗相互關(guān)系等。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)反應(yīng)了物質(zhì)結(jié)構(gòu)34化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第34頁34/49化學與生物學不一樣“生物學家致力于說明自然生命過程，而化學家則習慣于怎樣去調(diào)控這一過程”。

——DoyleandCoray,Chemistry&Biology,1998,5,157-160)生物學家注意認識世界，而化學家則想改造世界。

“化學家看起來比較審慎,善于分析并較多在本學科內(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中心、含有很大合成難度分子帶來挑戰(zhàn)，并力圖用最短路線和最高產(chǎn)率來得到目標分子，經(jīng)過用相對較少但巧妙技術(shù)以取得準確資料。對他們來講重視蛋白質(zhì)和核酸化學更甚于它們生理主要性。另首先。生物學家似乎較含有藝術(shù)性、調(diào)和性和主要用右腦思索。他們喜歡使用種類繁多卻不太精密技術(shù)來研究細胞和器官內(nèi)復(fù)雜現(xiàn)象。他們喜歡神秘和復(fù)雜，當揭去面紗，顯露出分子本質(zhì)時，他們中有些人則會感到失望”?！狵ornberg,Chemistry&Biology,1996,3,3-535化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第35頁35/4920世紀化學并未取得社會應(yīng)有認同報刊上提及20世紀創(chuàng)造六大技術(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、通訊和網(wǎng)絡(luò)）生物技術(shù)（基因重組、克隆和生物芯片）核科學和核武器技術(shù)航空航天和導(dǎo)彈技術(shù)激光技術(shù)納米技術(shù)化學合成技術(shù)（新藥品、新材料、高分子、化學和農(nóng)藥）化學家缺乏品牌意識，沒有在社會上樹立化學美好品牌，甚至化學成為有毒、有害、高污染代名詞！化學家太謙虛!上述六大技術(shù)假如缺乏一兩個，人類照樣生存。但如沒有創(chuàng)造合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新農(nóng)藥技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量最少要減半，60億人口中得30億就會餓死。沒有創(chuàng)造合成橡膠、合成塑料技術(shù)，人類生活要受到很大影響。36化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第36頁36/49從人類對七大技術(shù)創(chuàng)造需要迫切性來排序：

化學合成和分離技術(shù)；信息技術(shù)；生物技術(shù)；航空航天技術(shù)；核技術(shù)；納米技術(shù)；激光技術(shù)

按20世紀七大技術(shù)創(chuàng)造衍生產(chǎn)業(yè)規(guī)模及其對世界經(jīng)濟影響來排序：

信息產(chǎn)業(yè)；化學合成；航天航空技術(shù)；核技術(shù)；生物技術(shù)；納米技術(shù)；激光技術(shù)按人類需要迫切性和其衍生產(chǎn)業(yè)規(guī)模排序20世紀和21世界上半葉理應(yīng)稱為是信息和化學合成時代，21世界下半葉才能成為生物技術(shù)時代！37化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第37頁37/49未來化學所面臨重大挑戰(zhàn)環(huán)境問題人口控制與健康食品問題資源與可連續(xù)發(fā)展3二十一世紀化學學科發(fā)展趨勢38化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第38頁38/49（1）化學第一根本規(guī)律——化學反應(yīng)理論和定律

建立準確有效而又普遍適用化學反應(yīng)含時多體量子理論和統(tǒng)計理論。（2）化學第二根本規(guī)律——分子結(jié)構(gòu)及其性能定量關(guān)系

分子和分子間非共價鍵相互作用本質(zhì)和規(guī)律；超分子結(jié)構(gòu)類型，生成和調(diào)控規(guī)律；給體--受體作用原理；深入完善原子價和化學鍵理論，尤其是無機化學中共價問題；生物大分子一級結(jié)構(gòu)怎樣決定高級結(jié)構(gòu)？高級結(jié)構(gòu)又怎樣決定生物和生理活性？……。（3）活分子運動基本規(guī)律

充分認識和徹底了解人類和生物體內(nèi)分子運動規(guī)律。如在地球元素生態(tài)循環(huán)中，植物界做了兩件偉大事：光合作用——活分子催化劑葉綠素是怎樣作用？生物固氮——豆科植物根瘤菌能打開非常穩(wěn)定氮分子中化學鍵，生成含氮小分子，再深入合成蛋白質(zhì)和核酸。（4）納米尺度基本規(guī)律

當尺度在十分之幾到10nm量級，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度含糊邊界中，有許多新奇異特征和新效應(yīng)，新規(guī)律和主要應(yīng)用，值得理論化學家去探索研究。二十一世紀化學四大難題39化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第39頁39/49二十一世紀物理學提出了五大理論難題（1）4種作用力場統(tǒng)一問題，相對論和量子力學統(tǒng)一問題。（2）對稱性破缺問題。（3）占宇宙總質(zhì)量90%暗物質(zhì)是什么問題。（4）黑洞和類星體問題。（5）夸克禁閉問題等。二十一世紀生物學也有重大難題和奮斗目標：（1）后基因組學和人類疾病消除。（2）蛋白質(zhì)組學。（3）腦科學。（4）生物怎樣進化？生命怎樣起源等。二十一世紀物理學和生物學難題40化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第40頁40/493二十一世紀化學學科發(fā)展趨勢3.1人類社會發(fā)展對化學需求

(1)化學仍是處理食物和健康問題主要學科之一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化學將在設(shè)計、合成功效分子和結(jié)構(gòu)材料以及分子層次說明和控制生物過程機理方面，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)利用化學和生物方法增加動植物食品防病有效成份，提供安全有防病作用食品和食品添加劑，更正食品儲存加工方法，降低不安全原因，是化學研究主要內(nèi)容

(2)化學在能源和資源合理開發(fā)和高效安全利用起關(guān)鍵作用要研究高效潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)和控制低品位燃料化學反應(yīng)（保護環(huán)境，降低成本）開發(fā)新能源，太陽能以及高效潔凈化學電源與燃料電池等將成為二十一世紀主要能源要研究主要礦產(chǎn)資源（如稀土）分離和深加工技術(shù)以及利用41化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第41頁41/49(3)化學將繼續(xù)推進材料科學發(fā)展末來化學不但要設(shè)計和合成份子而且要把這些分子組裝、構(gòu)筑成有特定功效材料，從超導(dǎo)體到催化劑、藥品控釋載體、納米材料都要從分子以上層次研究材料結(jié)構(gòu)20世紀化學模擬酶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)療模擬酶研究方面有突破二十一世紀電子技術(shù)將向愈加緊、更小、功效更強方向發(fā)展，當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)到來，需要設(shè)計、合成各種物質(zhì)和材料.

(4)化學仍是提升人類生存質(zhì)量和生存安全有效保障經(jīng)過研究各種物質(zhì)和能生物效應(yīng)（正面和負面）化學基礎(chǔ)尤其是搞清兩面性本質(zhì)，找出最正確利用方案研究開發(fā)對環(huán)境無害化學品和生活用具，研究對環(huán)境無害生產(chǎn)方式，這兩方面是綠色化學主要內(nèi)容研究大環(huán)境和小環(huán)境（如室內(nèi)環(huán)境）中不利原因產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和與人體相互作用，提出優(yōu)化環(huán)境潔凈生活空間路徑從分子水平了解病理過程，提出預(yù)警生物標志物檢測方法，提議預(yù)防路徑，預(yù)防疾病42化學學科發(fā)展現(xiàn)實狀況與未來課件第42頁42/493.2化學基礎(chǔ)研究方法發(fā)展

(1)微觀與宏觀相結(jié)合

非平衡態(tài)熱力學(普里高津，1977年諾貝爾化學獎)貢獻是教給化學家一把開啟從分子層次洞察生命過程鑰匙。迄今還需要愈加好理論和方法描述實際開放系統(tǒng)(生物體、河流、大氣等)時--空動態(tài)改變。預(yù)期未來微觀與宏觀將會更深入更廣泛結(jié)合。(2)靜態(tài)與動態(tài)(過程)相結(jié)合停流技術(shù)發(fā)展才使人們有可能研究快速反應(yīng)過程。交叉分子束試驗技術(shù)建立使微觀反應(yīng)動力學有了重大突破。近年來單分子操作能夠用來觀察分子動態(tài)過程，計算機能夠模擬分子間相互作用過程。3二十一世紀化學學科發(fā)展趨勢43化學