Transcript 继往开来的化学
继往开来的化学 医药化工学院：梁华定 1 继往开来的化学 一、化学在社会发展中的作用和地位 二、 20世纪化学的回顾 三、未来化学的作用和地位 四、21世纪化学研究的六大趋势 五、 21世纪化学学科的发展趋势 六、 21世纪化学要解决的四大难题 七、21世纪化学的11个突破口（10－20年） 2 一、化学在社会发展中的作用和地位 什么是化学 Chemistry 1789年拉瓦锡出版了《化学元素》，将化学定义成“研究元 素性质的科学” 化学是研究物质的组成、结构、性质、变化和应用的科学 Chemistry is the study of the composition , structure, and properties of matter, and the changes that matter undergoes 3 1、21世纪化学的内涵和定义 一门科学的定义至少有三个属性 （1）整体和局部性 科学是一个复杂的知识体系，好比一块蛋糕。为了便于研究， 要把它切成大、中、小块。首先切成自然科学、技术科学和社 会科学三大块 在自然科学中，又有许多切法。一种传统的切法是分成数理 化天地生等一级学科。 近来又有切成物质科学、生命科学、地球科学、信息科学、 材料科学、能源科学、生态环境科学、纳米科学、认知科学， 系统科学等的分类法 化学是从科学整体中分割开来的一个局部，它和整体必然 有千丝万缕的联系, 所以学科之间的交叉和相互渗透是必 然的趋势。这是它的第一属性 4 （1）整体和局部性 科学的研究领域 徐光宪提出：宇宙进化分8个层次： （1）物理进化，（2）天体进化，（3）地质演变，（4）化学 进化，（5）生物进化，（6）社会进化，（7）人工自然进 化，（8）物质产生精神，精神反作用于物质。 研究每一层次的学问依次为：（1）物理学，（2）天文学， （3）地质学、海洋学等地球科学，（4）化学，（5）生物 学、医学等生命科学，（6）社会科学，（7）技术科学、工 程科学，（8）数学、科学、哲学、宗教、认知科学，语言 学、文学、音乐、艺术等。 5 （2 化学的内涵随时代前进而改变。在19世纪，恩格斯认为化学是 原子的科学（参见《自然辩证法》），因为化学是研究化学变 化，即改变原子的组合和排布，而原子本身不变的科学。 到了20世纪，人们认为化学是研究分子的科学，因为在这 100年中，在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成 的分子和化合物的数目已从1900年的55万种，增加到1999 年年底的2340万种。 没有别的科学能象化学那样制造出如 此众多的新分子、新物质。 现在世纪之交，我们大家深深地感受到化学的研究对 象和研究内容大大扩充了，研究方法大大深化和延伸 了，所以21世纪的化学是研究泛分子的科学。 6 （3）定义的多维性 一门科学的定义，按照从简单到详细的程度可以分为 (1)一维定义或X 定义，X是指研究的对象 (2)二维定义或XY (3)三维定义或XYZ 定义。Y是指研究的内容 定义。Z是指研究方法 (4)四维定义或WXYZ定义，W是指研究的目的 (5)多维定义或全息定义。一门科学的全息定义还要说明它 的发展趋势、与其他科学群的交叉、世纪难题和突破口等 等。这样才能对这门科学有全面的了解。 7 化学研究的对象 研究对象 物质 定义（哲学）：不依赖意识而可以为意识所反映的客观 实在 特点：“客观实在性”（是物质的唯一特性) 是指具有静止质量的基本粒子所组 “实物” 物质的形态 成的物质。 “场” 是指存在于整个空间，相互作用 实物的形态 的场，如电磁场、引力场等 超子、层子、核子、夸克 －质子、中子、电子－ 原子核－ 原 子 －分子－无机物－物体（具体实物）－地球－太阳系－宇宙 有机物－生物高分子－细胞－器官－生物 显然：化学只研究原子、分子和离子这个层次。 8 化学研究的对象 化学主要是在分子、原子或离子等层次上研 究物质的组成、结构、性能、相互变化（指 化学变化）以及变化过程能量关系的科学 化学主要是研究物质的分子转变规律的科学 徐光宪最近建议如下： 化学是主要研究原子，分子片，分子，原子分子团簇， 原子分子的激发态、过渡态、吸附态，超分子，生物大 分子，分子和原子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚 集态和组装态，直到分子材料，分子器件和分子机器的 合成和反应，分离和分析，结构和形态，物理性能和生 物活性及其规律和应用的自然科学。 9 化学研究的对象 化学可从研究对象的不同划分为10个层次 原子层次化学： 包括核化学，放射化学，同位素化学，sp 区 元素化学， d 区元素化学，4f 区元素化学， 5f 区元素化学，超5f 区元素化学，单原子操 纵和检测化学 原子只有110余种，但分子数已超过2000万种，因 此有必要在原子和分子之间引入一个“分子片”的 新层次，21世纪，应该开展分子片化学的研究。内 分子片（亚 容包括：分子片的定义，分子片的价，分子片的高 分子）层次 精度从头计算，分子片接轨成分子的理论算法，分 化学 子片的电负性、酸碱性、亲电和亲核性、氧化还原 活性序列，分子片的周期性，分子片的实验组装法， 分子片试剂，分子片的自组装，功能分子片（如染 料分子的生色团，药物分子的活性基团）的和基本 规律的研究等 10 化学研究的对象 结构单元层次 分子层次的化学 如芳香化合物的母核，高分子化学中的单体 ，蛋白质中的氨基酸，DNA中的4种碱基等。 分子是一个可以独立存在且具有一定化学 特性的物质微粒。单原子分子，其它原子 分子，高分子，生物大分子，自由基，准 分子（即分子的激发态，过渡态，吸附态） 和带电荷的分子离子都属于分子的范畴。 现已合成2000多万种，近来合成的众多化 合物如金属有机化合物，元素有机化合物， 原子簇化合物，金属酶，金属硫蛋白，富 勒烯，团簇，配位高分子等很难适应老的 分类法。21世纪将研究分子的多元分类法， 如按照分子片结合方式和生成的分子结构 类型分类。 11 化学研究的对象 超分子层 次化学 高分子层次 化学 生物层次的化学 超分子是2个或2个以上分子通过非共价键的分子 间作用力结合起来的物质微粒[2] 。这种分子间的 作用力包括范德华力，氢键，疏水－疏水基团相 互作用，疏水－亲水基团相互作用，亲水－亲水 基团相互作用，静电引力，极化作用，电荷迁移， 分子的堆积和组装，位阻和空间效应等，今后要 重视分子间的作用力研究。 包括生物化学，分子生物学，化学生物学， 酶化学，脑化学，神经化学，基因化学，生 命调控化学，药物化学，手性化学，环境化 学，生命起源，认知化学，从生物分子到分 子生物的飞跃。 12 化学研究的对象 纳米分子 和纳米聚 集体层次 例如碳纳米管、纳米金属、微乳、胶束、反胶 束、气溶胶、纳米微孔结构、纳米厚度的膜、 固体表面的有序膜、单分子分散膜等。 宏观聚集态化学 复杂分子体系的化学 包括固体化学，晶体化学，非晶态化学， 流体和溶液化学，等离子化学，胶体化 学，界面化学。 包括分子材料，分子器件（如分子 开头，分子探针），分子芯片，分 子机器（如分子计算机）。 13 化学研究的内容 组成、结构、性质、变化和应用 机械 物体在空间位置的移动 物理 分子、电子、基本粒子的运动 运动与变 化的形式 化学 元素的化合和分解 生物 新陈代谢、遗传变异、同化异化 社会 生产力和生产关系、经济基础和 上层建筑的矛盾运动 14 化学研究的内容 化学变化的特点 原子核组成不变的情况下，发生了分子或原子、离子结 合方式的质变，即分子、原子、离子等核外电子运动状 态的改变而引起物质组成的质变。（即旧键的断裂及新 键的形成 原子的化合或分子的化分） 化学变化是“质变” 化学变 化的基 本特征 化学变化是 “定量”的 变化 化学变化伴随 着能量变化 有关化学键，原子结构 、分子结构、晶体结构 是化学学科的基础 定量计算是化学学科的 基本内容 热力学、动力学是化学基 础理论的两个重要方面 15 2化学的二维定义 化学是研究X对象的Y内容的科学。具体地说，就是： 化学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高分子、 原子分子团簇、原子分子的激发态、过度态、吸附态、 超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、 不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分 子材料、分子器件和分子机器的合成和反应，制备、 剪裁和组装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌， 物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和调控的 作用机制，以及上述各方面的规律，相互关系和应用 16 化学研究的方法 化学是一门实验科学 化学是一门实验与理论互相推动并驾齐驱的科学 计算机模拟方法成为化学研究的第三种方法 17 化学研究的目的 科技发展的基本考虑 人类生存 人类生存质量 人类生存安全 化学的作用 20世纪初、化学提供肥料（合成 氨）合成纤维和其它高分子材料， 石油化工产品。 化学创造了许多饲料和肥料添加剂， 食品添加剂，生产更多、更可口食 物；创造了许多功能材料；创造了 许多药物和诊断方法，战胜和消灭 了某些疾病。 20世纪末资源问题？环境问题？ 18 2、化学在社会发展中的作用和地位 美pimentel《化学中的机会－今 天和明天》“化学是一门中心学 科，它与社会发展各方面的需要 都有密切关系” （1）人类生活的各个方面都与化学息 息相关。 衣：色泽鲜艳的衣料经过化学处理； 丰富多彩的合成纤维更是化学的一 大贡献；（洗涤液、干洗液等） 涤纶短纤维 尼龙66树脂 19 食 装满粮袋子、丰 富菜篮子关键之 一是发展化学和 农药生产；加工 制造色味俱佳的 食品离不开食品 添加剂、甜味剂、 防腐剂、香料、 色素等。 20 住 建筑材料（水泥、石灰、 油漆、玻璃和塑料） 是化工产品。 21 行 用以代步的现代交通工具需石油化 工产品。（汽油、柴油、防冻剂、 润滑剂） 美国航天飞机 东方红I号人造卫星 加压气化法城市煤气生产 22 日常生活 药品、洗涤剂、美容化妆品、 文化用品。 23 2、化学在社会发展中的作用和地位 1997年原美国化学会主席R.Breslow在《化学的今天和明天－ －一门中心的、实用的和创造性的科学》一书中，有一段生 动的叙述，引用如下： 从早晨开始，我们在用化学品建造的住宅和公寓中醒来，家具 是部分地用化学工业生产的现代材料制作的，我们使用化学家 们设计的肥皂和牙膏并穿上由合成纤维和合成染料制成的衣着， 即使天然的纤维（如羊毛或棉花）也是经化学品处理过并染色 的，这样可以改进它们的性能。 为了保护起见，我们的食品被包装起来和冷藏起来且这些食品或 是用肥料、除草剂和农药使之成长；或是家畜类需用兽医药来 防病；或是维生素类可以加到食品中或制成片剂后口服；甚至 我们购买的天然食品，诸如牛奶，也必须要经化学检验来保证 纯度。 我们的交通工具－－汽车、火车、收音机－－在很大程度上是要 依靠化学加工业的产品；晨报是印刷在经化学方法制成的纸上， 所用的油墨是由化学家们制造 24 2、化学在社会发展中的作用和地位 的；用于说明事物的照片要用化学家们制造的卷片；在我 们生活中的所有金属制品都是用矿石经过以化学为基础 的冶炼转化变成金属或将金属再变成合金，化学油漆还 能保护它们。 化妆品是由化学家制造和检验过的；执法用的和国防上用 的武器要依靠化学。事实上，在我们日常生活所用的产 品中很难找出有哪一种不是依靠化学和在化学家们的帮 助下制造出来。 25 （2）社会发展的各种需要都与化学息息相关。 农业 化肥、农药、植 物生长激素和 除草剂等化学 产品可以提高 产量，而且也 改进耕作方法； 26 工业 急需性能迥异的金属材料、 非金属材料和高分子材 料；煤、石油、天然气 的开发形成煤化学、石 油化学；导弹生产、卫 星发射离不开高能燃料、 高能电池、耐高温、耐 辐射材料。 石油产品 德 国 宝 马 27 国防 东方红I号人造卫星 俄罗斯KH29空地导弹 阿波罗II号宇宙飞船 美国中程空对空导弹 中国长征运载火箭 美国AGM86B巡航导弹 28 （3）目前关心的几个重大问题 环境保护 臭氧空洞的变化 其中红色和蓝色区为空洞 三废治理和利用，寻 找净化环境的方法 及对污染情况的监 测。 酸雨 29 能源开发和利用 利用太阳能和氢能的研究工作是化学科学的前沿课题。 太 阳 能 发 电 站 电厂用制氢设备 工业氢气净化设备 氢燃烧电池 30 功能材料的研制 主要研究和开发具有电、磁、 光和催化等各种性能的新 材料，如高温超导体、非 线性光学材料和功能性高 分子合成材料。 耐热的塑料 玻璃纤维 31 生命过程的奥秘的探索 从原子、分子水平上对生命过程做出化学说明，探索生 命现象的奥秘。 血 红 蛋 白 Vitamin C 超氧化物歧 化酶的一个 亚原子模型 人脑右视图 32 二、20世纪化学的回顾 在19世纪末、20世纪初、X射线、放射性、电子的发现叩开了 原子的大门，使化学的基础理论以及研究手段发生了根本的 变化，化学学科发展到近代化学的新阶段，近百年来，化学 不仅在基础研究中取得突破性成果，建立了崭新的化学理论 体系，而且为人类创造物质文明作出了重大贡献。 （一）物质结构-----化学键和现代量子化学理论 20世纪初，化学研究深入到原子、分子、晶体的内部结构。 1、（美）鲍林应用X射线研究晶体结构，探索分子内部结 构信息，把量子力学应用于分子结构内部，在经典化学 中引入了杂化、共振、σ键、π键、提出了电负性计算 方法和概念，创立了价键学说和杂化轨道理论。荣获 1954年诺贝尔化学奖 33 化学键和现代量子化学理论 34 2、莫利肯应用量子力学创立了分子轨道理论，阐明了分 子的共价键本质和电子结构，荣获1966年诺贝尔化学奖 35 化学键和现代量子化学理论 3、1952年（日）福井谦一提出了前线轨道理论，解释了 一系列化学反应问题。 1965年（美）伍德沃德和霍夫曼 把量子力学由静态推进到动态，提出了分子轨道对称守恒 原理，从动态角度预言反应方向、难易、构型。 荣获1981年诺贝尔化学奖 4、 （美）科恩发展了电子密度泛函理论，把过去 单个电子的波函数换成电子密度的概念来进行计算， 从而开辟了计算分子性质的新途径。波普尔发展了 量子化学计算方法，可计算分子体系的能量，分子 的光、电、磁及平衡性质，过渡态和反应途径。荣 获1998年诺贝尔化学奖 36 （二）化学动力学与分子反应动态学 在19世纪中叶已发展起来在20世纪中，L.Onsager研究了 不可逆过程热力学理论，I.Prigogine1创立了非平衡态的 不可逆过程热力学，提出耗散结构理论。 1、 1956年（苏）谢苗诺夫、 （美）欣歇尔伍德在化 学反应机理、反应速度研究，提出了化学链式反应理论。 荣获1956年诺贝尔化学奖化学 2、艾根提出了发生在千分之一秒内的快速反应的方法 和技术（弛豫法研究快速的化学反应），波特、洛里 升提出和发展了闪光光解法技术（用强脉冲、引发气 体发生光化学反应并记录和推测反应所产生的自由基 和激发态分子）用于研究发生在十亿分之一秒内的快 速化学反应。荣获1967年诺贝尔化学奖 37 化学动力学与分子反应动态学 3、 （美）李远哲、赫希巴赫、 （加）波拉尼， 发明了获得各种态信息的交叉束技术，红外线化 学发光方法，对微观反应动力学研究作出的贡献， 荣获1986年诺贝尔化学奖 4、 （美） Zewail利用飞秒激光技术研究超快速化 学反应和过渡态，荣获1999年诺贝尔化学奖 38 （三）放射性和铀裂变的重大发现 1、 （波兰）居里夫妇19世纪末到20世纪初发现钋、镭，荣 获1903年诺贝尔物理学奖 ，1911年发现和得到了放射性 比铀强400倍的新的金属元素钋，以及比铀强200多万倍的 镭，打开了20世纪原子物理学的大门。 2、居里夫人测定了镭的原子量，建立了镭的放射性标准 （制备了20克镭，存放在巴黎国际度量衡中心作为标 准） ，及开拓了应用（医疗）研究，使辐射治疗得到了 广泛应用，造福人类。荣获1911年诺贝尔化学奖 3、20世纪初，（英）卢瑟福提出了原子的有核结构模型和 放射性元素的衰变理论，研究了人工核反应，荣获1908 年诺贝尔化学奖 39 （三）放射性和铀裂变的重大发现 4、 （法）约里奥－居里夫妇第一次用人工方法创造放 射性元素，荣获1935年诺贝尔化学奖 5、 （美）费米用慢中子轰击各种元素获得了60种新的 放射性元素，荣获1938年诺贝尔物理学奖 6、1939年（德）哈恩发现了核裂变荣获1944年诺贝尔化 学奖 1951年美国人E.M.Memillan和G.Seaborg发现了超铀元素。 40 人工核反应的实现, 使科学家在实验室合成已知元素的新核素和 新的化学元素成为可能 。 93－103号1945年－1961年由美国加利福尼亚大学劳伦斯伯克利 实验室先后发现； 104，105，106号是苏联杜伯纳核子研究所64年、67年、74年发 现，美国加利福尼亚大学劳伦斯伯克利实验室69年、70年、74 年合成成功。 107、108、109号由德国重离子研究所81年、84年、82年发现。 1995年德国重离子研究所合成112号，只生存240微秒。 1999年6月三大实验室分别合成了114、116、118号，如109号， 1014次接触一次成功，合成一个原子，5ms衰变。 2000年7月19日杜伯纳核子研究所48Ca+248锔→292116存在时间 0.05s 41 我国科学家合成的19种新核素 我国有北京的正负离子对撞机，1988年在兰州建成重离 子加速器,可加速钽之前73种元素离子 185Hf(1992)、208Hg(1992)、 237Th(1993)、239Pa(1995)、 175Er(1996)、235Am(1996)、 135Gd(1996)、121Ce(1997)、 186Hf(1998)、209Hg(1998)、 90Ru(1991)和202Pt(1992) 分别由中国原子能科学研究 院（北京）和上海原子核研 究所合成。 238Th(1999)、125Nd(1999)、 128Pm(1999)、129Sm(1999)、 139Dy(1999)、139Tb(1999)和 137Gd(1999)。 42 （四）合成化学的发展 1、1912年（法）格林尼亚发明了格林尼亚试 剂，荣获1912 年诺贝尔化学奖 2、1928年（德）狄尔斯和阿尔德发现了双烯合成反应，荣 获1950年诺贝尔化学奖 3、1953年（德）齐格勒和纳塔尔发现了有机金属催化烯烃 定向聚合，获1963年诺贝尔化学奖 4、合成生物高分子：甾体（A.Windaus 1928年诺贝尔化学 奖）、抗坏血酸（W.N.Haworth 1937年诺贝尔化学奖）、 生物碱（ R.Robinson 1947年诺贝尔化学奖）、多肽 （ V.du Vigneand 1955年诺贝尔化学奖）、合成了奎宁、 胆固醇、可的松、叶绿素、利血平等一系列复杂有机分子 （R.B.Woodward 荣获1965年诺贝尔化学奖）（VB12、 分子轨道对称守恒原理） 43 合成化学的发展 5、 （英）威尔金森，德费歇尔合成了过渡金属二茂夹 心化合物，荣获1973年诺贝尔化学奖 6、 （美）布朗、维蒂希发展了硼有机化合物和发明 Wittig反应，荣获1979年诺贝尔化学奖 7、 （美）梅里菲尔德发明了固相多肽合成法，荣获 1984年诺贝尔化学奖 8、 （美）柯里提出了‘‘逆合成分析法’’，荣获 1990年诺贝尔化学奖 44 （五）生命科学的重大贡献 20世纪初开始生物小分子（如糖、血红素、叶 绿素、维生素等）的化学结构与合成研究就多 次获诺贝尔化学奖 1955年首次合成多肽激素催产素和加压素，获1955年诺 贝尔化学奖； 1953年提出了DNA分子双螺旋结构模型，获1962年诺贝 尔医学奖； 1960年成功地测定了鲸肌红旦白和马血红蛋白的空间结 构，获1962年诺贝尔化学奖； 1980年DNA分裂和重组研究，DNA测序方法，开创了现 代基因工程，获1980年诺贝尔化学奖； 45 生命科学的重大贡献 1982年发明‘‘象重组’’技术和揭示病毒和细胞内遗 传物质的结构，获1982年诺贝尔化学奖； 1984年发明多肽固相合成法，获1984年诺贝尔化学奖； 1988年测定细菌光合反应中心膜旦白－色素复合体的三 维结构，获1988年诺贝尔化学奖； 1989年发现核糖核酸酶，获诺贝尔化学奖； 1993年发明寡核苷酸定点诱变法和多聚酶链式反应技术 （对基因工程的贡献）获1993年诺贝尔化学奖； 1997年发现能量分子ATP的形成过程，发现了维持细胞 中钠、钾离子的酶，并阐明其作用机理，获1997年诺 贝尔化学奖； 46 2000年至2010年诺贝尔化学奖 2000年，美国科学家艾伦·黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科 学家白川英树。他们在导电聚合物领域做出了开创性贡献。 2001年，诺贝尔化学奖奖金一半授予美国科学家威廉·诺尔斯 与日本科学家野依良治，以表彰他们在“手性催化氢化反应” 领域所做出的贡献；另一半授予美国科学家巴里·夏普莱斯，以 表彰他在“手性催化氧化反应”领域所取得的成就。 2002年，美国科学家约翰·芬恩、日本科学家田中耕一和瑞士 科学家库尔特·维特里希。他们发明了对生物大分子进行识别 和结构分析的方法。 2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农。他们 因为在细胞膜通道领域做出了“开创性贡献”而获奖。 2004年，以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科和 美国科学家欧文·罗斯因发现泛素调节的蛋白质降解而获奖。 47 2000年至2010年诺贝尔化学奖 2005年，法国科学家伊夫·肖万、美国科学家罗伯特·格拉布和 理查德·施罗克因在烯烃复分解反应研究领域做出贡献而获奖。 2006年，美国科学家罗杰·科恩伯格因在“真核转录的分子 基础”研究领域做出贡献而获奖。 2007年，德国科学家格哈德·埃特尔因在表面化学研究领域 做出开拓性贡献而获奖。 2008年, 日本科学家下村修、美国科学家马丁·沙尔菲和美 籍华裔科学家钱永键因在发现和研究绿色荧光蛋白方面做 出贡献而获奖。 48 2000年至2010年诺贝尔化学奖 2009年 美国生物学家Venkatraman Ramakrishnan美国科 学家Thomas A. Steitz（托马斯·施泰茨）和以色列女生 物学家Ada E. Yonath（阿达·约纳特）因在核糖体结构 和功能研究中的贡献共同获该奖。 2010年 美国科学家理查德·海克（Richard F, Heck）、 日本科学家铃木彰(因在有机合成领域中钯催化交叉偶联 反应方面的卓越研究获奖。 49 （六）在化学基础研究推动下化学工业的大发展 1、石油化工 20世纪是石油化工大发展的一百年 （1）世界化工总产值为1万亿美元左右，其中80％以上的 产品与石油化工有关，世界乙烯年生产能力达5000万吨； （2）催化剂已成为石油化工的核心技术（本世纪30年代 催化剂进入了石油化工的大门）。 50 2、三大合成材料 全世界年生产能力：合成橡胶1200万吨、合成纤维 1500万吨、塑料6000万吨 第一个合成纤维－－尼龙－66的发明者Carothers， 美国杜邦公司使之工业化 涤纶纤维是1940年英国T.R.Whinfield J.T.Dickson 首先合成，英国卜内门公司使之工业化 第一个合成橡胶由美国J.A.Nieuwland R.T.Collins发明， 1931杜邦公司使之工业化 聚乙烯和聚乙烯塑料，1957年由意大利Montecatini公司 使之工业化 51 3、合成氨工业 世界年产量约5亿吨，中国2000万吨（第二位） 1909年德国哈伯成功地建立了合成氨装置，并取得 了专利（条件：锇催化剂、300－500atm、500－ 600C,生产能力：80g/h),是20世纪化学工业发展中 的一个重大突破,荣获1918年诺贝尔化学奖；德国巴 登苯胺纯碱公司购买了专利，由C.Bosch担任领导 实施工业化（条件：铁催化剂、150－300atm、 400－500C，*生产能力：45万t/a ) C.Bosch荣获 1931年诺贝尔化学奖 52 4、医药工业 世界年销售量约为3000亿美元，临床有效化学药物2万 种，常用药1000种 1909年德国艾里希合成了治疗梅毒的特效药胂凡纳明； 1932年德国G.Domagk发现磺胺类药－－百浪多息， 荣获1939年诺贝尔生理及医药奖；二战后逐渐由青霉 素、四环素、红霉素、氯霉素、头孢霉素等抗生素代 替； 新药研究转向针对明确了的药物靶分子，1988瑞典 Astra公司推出奥美拉唑，1997年销售量约为29亿 美元，一举成为世界销售额的第一位 53 三、未来化学的作用和地位 1、20世纪的化学取得了辉煌的成就，但未获得社会应有的认同 北大化学系在本科生中进行了一项对于专业兴趣的调查，其结果 显示仅2０％的同学表示将来愿意从事化学类工作，而更多的 同学认为化学专业成为陈旧过时的老科学，而想转到生物、环 境等其它领域。 徐光宪院士在《化学通报》上发表一篇文章，题目是“化学的定 义，地位，作用和任务”；在《大学化学》上发表一篇文章， 题目是“21世纪化学的前瞻”。答案是：21世纪的化学决不会 消微衰亡，而是要更加辉煌。21世纪的化学将在物理学、生命 科学、材料科学、环境科学、信息科学、能源、海洋、空间科 学的相互交叉、相互渗透、相互促进中共同大发展。 这是北京四中的一位中学生向诺贝尔化学奖获得者克罗托教授提 出的质疑。“人们都说21世纪是生命科学和信息科学的世纪， 您能否告诉我化学有什么作用，我们为什么要学习化学？” 克罗托教授的回答：“正是因为21世纪是生命科学和信息科学的 54 世纪，所以化学才更为重要。” 1、20世纪的化学取得了辉煌的成就，但未获得社 会应有的认同 “老科学”意味着发展已很慢或已走下坡路，没有什么发 展前途。实际上化学家合成和分离的新化合物，从1970年 的237万，到1999年底的2340万，翻了10番，这种以指数 发展的高速度，可以和信息科学、生命科学相媲美。但 “化学家太谦虚了” 报刊上常说20世纪发明了六大技术（1）无线电、半导 体、计算机、芯片和网络技术；（2）基因重组、克隆 和生物芯片等生物技术；（3）核科学和核武器技术； （4）航空航天和导弹技术；（5）激光技术；（6）纳 米技术。 但很少人提到包括新药物、新材料、高分子、化肥、农药的 化学合成技术。 55 20世纪有七大技术，第一是合成化学技术 其实，化学在20世纪的成就用“空前辉煌”来描述，是并不过分的。 上述六大技术如果缺少一两 个，人类照样生存，但如果 没有发明合成氨（国外评选 20世纪最重大发明，得票 最多）和合成尿素，合成第 一、二、三代农药，60亿 人口将一半饿死；没有发明 合成抗生素和新药物，人类 寿命缩短；没有三大合成， 人类生活受很大影响，没有 合成新分子、新材料，上述 六大技术无法实现。 固氮福州模型 56 （1）对20世纪末化学现状和地位的不同估计 20世纪末化学的作用和地位似乎淡化，核心科学、牵头学科似乎退后 客观上 一部分化学研究方法自动化和计算机化，误 认为分析和合成已经不是科学而是技术 生物学在分子层次有两大进展（基因、创造 新生物或生物分子） 主观上 科学分上、中、下游，数理是上游，创造新材料、 药物的化学研究其原理、机理，处中游，材料学、 药学等朝阳学科推出实际产品，处于下游 迄今为止化学研究的主流仍以创造新分子、新材 料为目标（忽视功能研究） 受大趋势的影响，20世纪化学理论重点从宏观 转向微观，忽视科技对化学要求。 57 （2）化学是中心科学，但化学作为中心科学和形象 被其它交叉学科的成就所埋没 在多学科的时代，化学面临着自己的学科形象问题。那些在化 学交叉边沿工作的化学家应该认同并赞美他们的知识根基， 而那些在化学核心领域工作的化学家更应该这样做。 化学的目标是认识分子结构和功能、研究分子间的相互作用， 所有这些都是科学事业的最重要的核心。然而，这一学科却 为它无所不在的能力付出了昂贵代价：化学没有得到足够的 认同和重视。 科学前沿对化学的需求，为化学提供了一个让自己的形象重现 光芒的机会，化学家们首先必须学会赞美并让公众了解自己 的贡献。 《化学形象被与其它交叉学科的成功埋没》摘录：2001年6月8日科学时报 第三版“科学纵横”（《化学通讯》2001年4期转载） 58 （2）化学是中心科学，但化学作为中心科学和形象 被其它交叉学科的成就所埋没 什么是真正的化学？（化学家们长期以来容许了化学以外的人 来对化学进行定义，让外行人来说化学是什么，或者什么是 化学）缺乏精确和辨别的“品牌”意味着学科很容易被误解， 而那些在化学领域工作的人们则没有得到应有的重视。这就 是化学的公共形象出现问题的根本原因。 哈佛大学Georg Whitesides教授说，化学家的谦逊可能是原 因之一。如果真是这样，化学家们就应该亮出他们的本生灯， 露出锋芒。 如果化学要为自己未来的成就提出更有力的权利和要求，让那 些跨学科前沿领域的人们听见自己的声音，应该向同事显示 自己的贡献。大胆地讲出潜在的益处，那么，他们的贡献就 不会被忽视。 《化学形象被与其它交叉学科的成功埋没》摘录：2001年6月8日科学时报 第三版“科学纵横”（《化学通讯》2001年4期转载） 59 化学是中心科学，但化学作为中心科学和形象被 其它交叉学科的成就所埋没。 Whitesides说：“如果你想想生物学中所发生的事情， 你会发现其中的许多部分非常依赖于化学的发展。 “没有合成核酸的步骤以及用于分离的凝胶技术，我 们根本就无法得到ＤＮＡ。现在这些贡献都被人们称 为生物学，而不是化学。” 又如人类基因组计划的主要内容之一实际上是基因测序 的分析化学和凝胶色层等分离化学，但社会上只知道 基因学。再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子 计算机都是化学家开始的，但开创研究家却不提出 “化学器件学”这一名词，而微电子学专家马上称之 为“分子电子学”。 60 （3）化学没有树立品牌，缺少品牌意识 化学没有树立品牌，缺少品牌意识。化学和化工被认为是 污染源，这也是中学生不愿报考化学专业的原因之一。其 实，造成环境污染的不仅是化学工业，更主要的是汽车尾 气排放，煤燃烧，沙尘暴以及微电子工业等。而化学家正 对环境检测、分析、治理做出重要贡献，并提出绿色化学 的奋斗目标。化学家不但要认识世界、改造世界，还要保 护世界。 朝阳科学在组建队伍时拉走了不少化学家 化学向朝阳科学输送队伍本是好事，但希望社会能够认同化 学对发展朝阳科学的重要作用，而不是因为化学没有用处， 使化学工作者纷纷转行。 61 （3）化学没有树立品牌，缺少品牌意识 化学正在渐渐失去年青人的“宠爱”已是一个不争的事实。大 家在谈论21世纪是生命科学和信息科学发展的时候很少提到 化学在其中的重要作用，这是非常让人担心的事情。 化学是中心科学，与社会、生命、材料、环境、地球、空间和 核科学等八大朝阳科学都有紧密的联系，从而产生许多交叉 学科。但化学家很谦虚，并放弃了学科的冠名权，在社会上 造成化学被肢解的错误印象。 化学被自己说成是“中心科学”，不过也许称之为“伴娘科学” 更为合适。当其它学科从自己的成就中声名远扬时，化学往 往发现本学科中最辉煌的成就的名声被其它学科所占有。从 发现救死扶伤的新药到纳米碳管工作的爆炸性发展，这些化 学中最新发展好象总是最终被其它学科所占有。 摘录《化学的品牌价值》 62 （3）化学没有树立品牌，缺少品牌意识 在现代科学的熔炉中，化学的前沿被冠以了生物学或者纳米科学 的名称。《自然》杂志记者David Adam希望了解：是否过度 的谦逊让化学家们只能从自己创造的元素周期表上得到一点小 钱。 哈佛大学Georg Whitesides教授说“我从来没弄清楚化学家们是 怎么回事。他们总是过于谦逊和本分。他们发展出这些有趣的 技术，别人把它们拿走了，他们居然不喊不叫也不抱怨。你从 来不会发现一位生物学家会容忍别人把他们所做的东西这样拿 走。” 交叉学科中化学放弃了冠名权。例如“生物化学”被称为“分子 生物学”，“生物大分子的结构化学”被称为“结构生物学”， 生物大分子的物理化学”被称为“凝聚态物理学”，“溶液理 论、胶体化学”称为“软物质物理学”，“量子化学”称为 “原子分子物理学”。 摘录《化学的品牌价值》 63 （4）化学没有提出21世纪要解决的理论难题，有人 认为化学没有理论，只是一堆白菜 唐敖庆有很好的回答：19世纪化学有三大理论成就（1）经典原 子分子论，包括建筑在定比定律、倍比定律和当量定律基础上 的道尔顿原子论。以碳四价及开库勒的工作为中心的分子结构 和原子价理论；（2）门捷列夫的化学元素周期律；（3）化学 质量作用定律。 20世纪的化学也有三大理论成就（1）化学热力学，可以判断化 学反应的方向，提出化学平衡和相平衡理论；（2）量子化学 和化学键理论；（3）上世纪30年代提出的绝对反应速度理论 和60年代提出的分子反应动态学。 到了21世纪，数学、物理、生物都提出了要解决的难题，但化学 家又比较谦虚，好象没有人明确提出哪些是化学家要解决的世 纪难题，造成“化学无理论”的错误印象。 64 2、从科技发展看化学学科发展趋势 科技发展的基本考虑 20世纪下半叶世界性人口膨胀、环境恶 化、资源匮乏、能源短缺等科技社会后 人类生存 遗症，给21世纪人类生存及生存质量带 来了负面效应，未来化学仍将是解决这 些难题的核心科学之一。 人类生存质量 人类生存安全 在21世纪里，研究开发绿色农药，高效饲 料、肥料，解决食物短缺；治理“三废”， 发展绿色化学，改善生态环境；合理开发、 利用资源，保持可持续发展；研究开发新 能源以及用化学方法利用太阳能等方面发 挥重要的作用。 65 （2）化学将在推动人类进步和科技发展中继续起核心 的作用 在20世纪中成为解决人类进步的物质基础的核心科学 制造或创造出自然界已有或不存在的物质 提供分析手段，结构－性质－功能的关系，预测、裁剪、 设计分子 掌握了一些理论，用于解决生产、生活问题。达到大自 然不能达到的目标 以功能要求为导向，寻找或设计最佳的化合物、材料或体系 研究了由原子组合成分子乃至多分子体系的方法和技 巧，创造新的聚集态构筑技术（如纳米技术、超分子 凝聚态构筑、晶体工程以及极端条件下的合成技术） 科学家将会更深入研究化学反应理论，寻找最佳的反应路线 66 在相关学科的发展中起了牵头作用 牵动其它学科向分子层次发展 （生命科学、天文学） 化学研究带动了其它学科的过程研究 (工业、农业、环保、能源） 化学带动了材料科学的发展 化学实验方法学推动其它学科在分子层次上观察和测 定物质的变化过程 充分注意化学与其它学科尤其是生命科学、信息科学的相 互渗透和交叉。例如，无机化学学科在现代无机合成、特 殊功能配合物、室温超导、特殊功能晶体材料、稀土石料、 生物无机化学、无机药物、超重元素“稳定岛”方面将成 为研究热点 67 3、未来化学的作用和地位 A、化学将支撑生物学在提供优良品种，提供转基因生 物等方面作贡献 化学仍 然是解 决食品 问题的 主要学 科之一 B、化学将在设计、合成功能分子和结构材料以及分子 层次阐明和控制生物过程的机理方面，为研究开发高效 安全肥料、饲料、农药、农用材料、生物肥料、生物农 药打下基础 C、利用化学和生物方法增加动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剂，改正 食品储存加工方法，减少不安全因素，是化学研究的重 要内容 68 3、未来化学的作用和地位 A、要研究高效洁净的转化技术和控制低品 位燃料的化学反应（保护环境，降低成本） 化学在能源和 资源的合理开 发和高效安全 利用中起关键 作用 B、开发新能源，太阳能以及高效洁净的化 学电源与燃料电池等将成为21世纪的重要 能源 C、矿产资源是不可再生，化学要研究重要 矿产资源（如稀土）的分离和深加工技术 以及利用 69 3、未来化学的作用和地位 A、化学是新材料的源泉，末来化学不仅要设计和合成 分子而且要把这些分子组装、构筑成有特定功能的材料， 从超导体到催化剂、药物控释载体、纳米材料都要从分 化学继 续推动 材料科 学的发 展 子以上层次研究材料的结构 B、20世纪化学模拟酶的活性中心已取得进展，未来将 会在可用于生产、生活和医疗的模拟酶的研究方面有突 破 C、21世纪电子技术将向更快、更小、功能更强的方向 发展，目前大家正在致力于量子计算机、生物计算机、 分子器件、生物芯片等新技术，标志着分子电子学、分 子信息技术的到来，需要设计、合成各种物质和材料 70 3、未来化学的作用和地位 化学是提 高人类生 存质量和 生存安全 的有效保 障 A、通过研究各种物质和能的生物效应（正面 和负面）的化学基础特别是搞清两面性的本 质，找出最佳利用方案 B、研究开发对环境无害的化学品和生活用品， 研究对环境无害的生产方式，这两方面是绿 色化学的主要内容 C、研究大环境和小环境（如室内环境）中不 利因素的产生、转化和与人体的相互作用， 提出优化环境洁净生活空间的途径 从分子水平了解病理过程，提出预警生物标志 物的检测方法，建议预防途径，预防疾病 71 四 21 1 更加重视国家目标，更加重视不同学科之间的交叉和融合 在世纪之交，中国和世界各国政府都更加重视国家目 标，在加强基础研究的同时，要求化学更多地来改造 世界，更多地渗透到与下述10个门类的科学的交叉和 融合：（1）数理科学（2）生命科学（3）材料科学 （4）能源科学（5）地球和生态环境科学（6）信息 科学（7）纳米科学技术（8）工程技术科学（9）系 统科学（10）哲学和社会科学。 这是化学发展成为研究泛分子的大化学的根本原 因。所以培养21世纪的化学家要有宽广的知识面， 72 2 理论和实验更加密切结合 1998年诺贝尔化学奖授予W.Kohn和J.A.Pople。颁奖公告 说：“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具， 将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够 共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯粹的实验科 学了”。所以在21世纪，理论和计算方法的应用将大大加 3 在研究方法和手段上，更加重视尺度效应 20世纪的化学已重视宏观和微观的结合，21世 纪将更加重视介乎两者之间的纳米尺度（1-100 nm），并注意到从小的原子、分子组装成大的 纳米分子，以至微型分子机器 73 4 合成化学的新方法层出不穷 合成化学始终是化学的根本任务，21世纪的合成化学将 从化合物的经典合成方法扩展到包含组装等在内的广义 合成，目的在于得到能实际应用的分子器件和组装体 合成方法的十化 芯片化，组合化，模板化，定向化，设 计化，基因工程化，自组装化，手性化， 原子经济化，绿色化 化学实验室的微型化和超微型化 节能、节材料、节时间、减少污染 从单个化合物的合成、分离、分析及性能测试的手工操作方法， 发展到成千上万个化合物的同时合成，在未分离的条件下，进 行性能测试，从而筛选出我们需要的化合物（例如药物）的组 合化学方法。 74 5 造成污染的传统化学向绿色化学的转变是必然的趋势 化学的目的和其它科学技术一样是认识世界和改造世界，但 现在应该增加一个“保护世界”。化学和化学工业在保护世 界而不是破坏地球这一伟大任务中要发挥特别重要的作用。 造成污染的传统化学向绿色化学的转变是必然的趋势。 21世纪的化工企业的信条是五个“为了”和五个“关心” （Five“care”and five “for”） 1）为了社会而关心环保（Environmental care for the society） 2）为了职工而关心安全、健康和福利（Safety care for the employee） 3）为了顾客而关心质量、声誉和商标（Quality care for the cuomers） 4）为了发展而关心创新（Innovation-care for the development） 5）为了股东而关心效益（Profit-care for the stock holders） 75 6 分析化学已发展成为分析科学 分析化学已吸收了大量物理方法、生物学方法、电子 学和信息科学的方法，发展成为分析科学，应用范围 也大大拓宽了 分析方法的十化 微型化芯片化、仿生化、在线化、实时化(real time)、原位化(in situ)，在体化(in vivo)、智能化 信息化，高灵敏化，高选择性化，单原子化和单 分子化。 单分子光谱、单分子检测，搬运和调 分离和分析方法的连用，合成和分离方法的连用，合成、 分离和分析方法的三连用 76 五、21世纪化学学科的发展趋势 预计21世纪科学发展的特点是各学科纵横交叉 解决实际问题。 预计21世纪化学学科发展的特点是其自身的继续发展 和与相关学科融合发展相结合；化学学科的传统分支 的继续发展和作为整体发展相结合；研究科学基本问 题与解决实际问题相结合。 77 1、寻求结构多样性的研究与功能研究相结合 面对日益增长的各种功能分子和材料的需要，合成化学在 研究内容、目标和思路上也有大的改变。未来合成化学要 能够根据需要（功能）去设计、合成新结构。 （1）、合成化学要不仅研究传统的分子合成化学，也应研究 构筑分子以上的高级结构，特别是高级有序结构的构筑学 （2）、组合化学是基于与传统合成思路相反的反向思维， 加上固相合成技术，并受生物学大规模平行操作启发而 产生。它在新药物、农药、催化剂的研究等领域已初步 显示强大的生命力，成为一个新的生长点 （3）、发现和寻找新的合成方法是一个永久课题 （4）、在合成化学与结构化学结合处增加合成前的设计和预测 78 2、复杂化学体系的研究 复杂性研究包括系统、结构、过程和状态四个方面。系统复杂 性具有多组分、多反应和多物种的特征；结构复杂性的特征主 要是多层次的有序高级结构；过程复杂性主要是复杂系统参与 化学反应时所表现的过程，它由时空有序的受控的一系列事件 构成；状态变化的复杂性又是过程复杂性的表现。广泛存在、 无处不是 (1)、未来化学要阐明分子以上层次的结构和结构变化的化学 基础，以及结构、性质、与功能的关系；还要研究结构的多层 次问题 (2)、未来化学要注意复杂系统的多尺度问题 (3)、未来化学要研究复杂系统的化学过程（核心），研究多 层次、多尺度、大时间跨度的过程，建立跟踪分析方法及过 程理论研究 79 3、新实验方法的建立和方法学研究 (1)、未来化学研究要首先发展先进的研究思路、研究方法以 及相关技术，以便从各个层次研究分子的结构和性质的变化。 （人类基因组计划，首先重视了方法学，尤其是DNA高速测序 方法的发展）要注意建立时间、空间的动态、原位、实时跟踪 监测技术，要发展研究各层次结构和各个尺度的物质的物化特 性的测试技术。要研究分离－活性检测联机技术（以实现鉴定 －结构分析－功能筛选一体化） (2)、化学分析仪器的小型化、微型化及智能化是应该注意的方向 (3)、化学应该建立方法和仪器去研究微小尺寸复杂系统中 的化学过程（如扫描显微技术），要积极引进生物学和物 理学方法为我所用 80 4、化学信息学和高效计算机信息处理 要加速化学信息学研究和化学信息库的建设 (1)、功能分子信息处理 (2)与生物衔接的化学信息学（生物大分子结构数据 库，基因组的测定和基因库的建立） (3)与化学反应和化学过程衔接的化学信息 学（化工过程的计算机模拟和仿真） 81 5、跟踪、分析、模拟化学反应过程 未来化学将会揭示化学变化的瞬态面貌， 及时地观察最快的化学反应过程和各种效 应。并加以阐明。在揭示化学事件的产生 和相互作用方面正朝着更加接近实际的方 向发展；实现对化学反应的人为调控 82 六、21世纪化学要解决的四大难题 科学研究始于提出问题。 科学问题的提出、确认和解决 是科学发展的动力 20世纪最伟大的数学家Hilbert 在1900年提出23个数学难 题。每一个难题的解决，就诞生一位世界著名的数学家。 现在2000年世界数学家协会提出七大数学难题，筹集了 700万美元，悬赏100 21世纪物理学的难题 (1) 四个作用力场的统一问题，相对论和量子力学的统 一问题。(2) 对称性破缺问题。(3) 占宇宙总质量90% 的暗物质是什么的问题。(4) 黑洞和类星体问题。(5) 夸克禁闭问题等。 21世纪生物学的重大难题 后基因组学、蛋白质组学、脑科学、生命起源等 83 1 化学的第一根本规律－化学反应理论和定律 化学是研究化学变化的科学，所以化学反应理论和定律是化 学的第一根本规律。 决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应？能否生成预期 的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何 在理论指导下控制化学反应？如何计算化学反应的速率？如 何确定化学反应的途径等，是21世纪化学应该解决的第一个 难题。 84 化学反应理论和定律 在化学反应理论中特别重要，应予首先研究的课题 （1）充分了解若干个重要的典型的化学反应的机理，以便设计 最好的催化剂，实现在最温和的条件进行反应，控制反应的 方向和手性，发现新的反应类型，新的反应试剂。 （2）在搞清楚光合作用和生物固氮机理的基础上，设计催化剂 和反应途径，以便打断CO2, N2等稳定分子中的惰性化学键。 （3）研究其它各种酶催化反应的机理。酶对化学反应的加速可 达100亿倍，专一性达100%。如何模拟天然酶，制造人工催 化剂，是化学家面临的重大难题。 （4）充分了解分子的电子、振动、转动能级，用特定频率的光 脉冲来打断选定的化学键选键化学的理论和实验技术。 85 2 化学的第二根本规律－结构和性能的定量关系 这里“结构”和“性能”是广义的，前者包含构型、构象、 手性、粒度、形状和形貌等，后者包含物理、化学和功 能性质以及生物和生理活性等。 大力发展密度泛函理论和其它计算方法。确定物质结构与 性能的定量关系是21世纪化学的第二个重大难题。 （1）如何设计合成具有人们期望的某种性能材料； （2）如何使宏观材料达到微观化学健强度？例如“金属胡 须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个数量级，但远远 未达到金属－金属键的强度，所以增加金属材料强度的 潜力是很大的。又如目前高分子纤维的强度要比高分子 中的共价键的强度小两个数量级，这就向人们提出了如 何挑战强度极限的大难题。 （3）溶液结构和溶剂效应对于性能的影响。 （4）具有单分子和多分子层的膜结构和性能的关系。 86 结构和性能的定量关系 要优先研究的课题有： （1）分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律。 （2）超分子结构的类型，生成和调控的规律。 （3）给体－受体作用原理。 （4）进一步完善原子价和化学键理论，特别是无机化学中 的共价问题。 （5）生物大分子的一级结构如何决定高级结构？高级结构 又如何决定生物和生理活性？ （6）分子自由基的稳定性和结构的关系。 （7）掺杂晶体的结构和性能的关系 。 87 结构和性能的定量关系 （8）各种维数的空腔结构和复杂分子体系的构筑原理和规律。 （9）如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？ （10）如何使宏观材料达到微观化学键的强度？例如“金属胡 须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个量级，但比金属-金 属键的强度小得多。又如目前高分子纤维达到的强度要比 高分子中的共价键的强度小两个数量级。这就向人们提出 如何挑战极限的大难题。 （11）镧系理论－4f电子的能级比sp区和d区元素的能级多一 个量级，所以稀土元素有十分丰富的光、电、磁、声等功 能性质。稀土元素有机化合物是很好的催化剂。稀土是21 世纪的战略元素。研究镧系元素的结构和性能关系具有十 分重要的意义。以上各方面是化学的第二根本问题，其迫 切性可能比第一问题更大，因为它是解决分子设计问题的 关键。 88 3 纳米尺度的基本规律 现在中美日等国都把纳米科学技术定为优先发展的国家目标。 在复杂性科学和物质多样性研究中，尺度效应至关重要。尺度 的不同，常常引起主要相互作用力的不同，导致物质性能及 其运动规律和原理的质的区别。纳米尺度体系的热力学性质， 包括相变和“集体现象，如铁磁性，铁电性，超导性和熔点 等与粒子尺度有重要的关系。当尺度在十分之几到10纳米的 量级，正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界中，此时热运 动的涨落和布朗运动将起重要的作用。 1、例如金的熔点为1063℃，纳米金的融化温度却降至330℃。 银的熔点为960.3℃，而纳米银为100℃。 2、当代信息技术的发展，推动了纳米尺度磁性(Nanoscale magnetism)的研究。由几十个到几百个原子组成的分子磁体 表示出许多特性。 89 纳米尺度的基本规律 3、纳米粒子的比表面很大，由此引起性质的不同。例如 纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从600℃降至 室温。这一现象为新型常温催化剂的研制提供了基础， 有非常重要的应用前景。纳米催化剂能否降低活化能？ 这是值得研究的一个理论问题。 4、电子或声子的特征散射长度，即平均自由途径 在纳米 量级。当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时，电流 或热的传递方式就发生质的改变。 5、与微粒运动的动量p=mv相对应的波长=h/p，通常也在 纳米量级，由此产生许多所谓的“量子点”的新现象。 所以纳米分子和材料的结构与性能关系的基本规律是21 世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一。 90 4 充分认识和彻底了解人类和生物体内活分子(living molecules) 的运动规律，无疑是21世纪化学亟待解决的重大难题之一。 例如： （1）配体小分子和受体生物大分子的相互作用，这是药物设 计的基础。中科院上海药物所的量子化学家陈凯尔做了很好 的工作，正在主持一个药物设计的973项目。北京大学徐小 杰教授做了几个药物设计软件。 （2）在地球元素的生态循环中，植物界做了两件伟大的事： 其一，利用太阳能把很稳定的CO2和H2O分子的化学键打开， 合成碳水化合物［CH2O］n，并放出氧气O2，供人类和其 它动物使用。在这个伟大的过程中，活分子催化剂叶绿素是 怎样作用的？其二，豆科植物的根瘤菌能打开非常稳定的氮 分子中的化学键，生成含氮小分子，再进一步合成蛋白质和 核酸。我们必须把这两个过程的全部反应机理搞清楚，然后 研究能否在化学工厂中，在温和的条件下，实现这两个伟大 的催化反应。 91 4 （3）搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分 解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资 源打下基础。 （4）人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何 彻底了解大脑的结构和功能将是21世纪的脑科学、生物学、化 学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。 （5）了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。 （6）了解从化学进化到手性和生命的起源。 （7）如何实现从生物分子到分子生物(molecular life)的飞跃？如何 跨越从化学进化到生物进化的鸿沟? （8）研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学，耗散和混沌 状态，分形现象等非线形科学问题。 （9）生物固氮作用机理 （10）蛋白质和DNA的理论研究 92 七. 21世纪化学的11个突破口（10－20年） 1 新的合成方法学 如(1)组合化学。(2)手性合成。(3)分子反应器控制的 合成。(4) 自复制和自组装合成。(5)定向合成。(6)掌 握零维笼状和杯状、一维通道、二维层间、三维网络 空腔结构的合成方法，并通过化学、电场或磁场的作 用，使囚禁在里面的客体分子被释放或取代出来。 2 纳米化学 纳米化学、纳米材料和分子器件，纳米表 面化学、高效 纳米催化剂设计合成及应用 3 稀土化学 特别是有我国知识产权的新型稀土功能材料 93 21世纪化学的11个突破口 4 如（1）各种高效换能器(Transducer)，特别是太阳能电池。 （2）燃料电池（3）氢能利用问题（4）各种再生能源。 5 生命和医药科学中的化学问题 例如：（1）把中国名医的处方和人体的生理病理状态作为 两个复杂体系来研究它们之间的 相互作用和 药效。（2） 用组合化学的方法来筛选特效中药，并使中药现代化。 （3）药物设计、合成和开发应用。（4）生物材料 （Biomaterials）和人工器官的合成。（5）配合物小分子 作为Key和DNA大分子作为Lock的相互作用。（6）了解 神经细胞和生理调控的化学机理（7）糖化学。 94 21世纪化学的11个突破口 6 例如：（1）环境元素的循环。（2）有害化学物质的控 制和治理。（3）以“原子经济”和“零排放”为目标 的绿色化学和化工。（4）生态环境化学。 7 信息科学中的化学问题 例如：（1）高效的光纤通信材料，特别是可使激光得到 增益的稀土铒羼杂Si基1。54微米材料。（2）高效的 光贮存材料。（3）分子芯片。（4）分子计算机。 95 21世纪化学的11个突破口 8 分析化学的十化 （1）微型化、芯片化、仿生化；（2）在线化；（3）实时化； （4）原位化；（5）在体化；（6）智能信息化；（7）高灵敏 化；（8）单原子化和单分子化，单分子光谱，单分子检测， 搬运和调控技术；（9）高选择化；（10）分离和分析方法的 联用，合成和分离方法的联用，合成、分离和分析方法三用 9 化工化学复杂体系中的多层次、多尺度效应及其规律和方法学 研究。 10 理论化学和计算化学的基础及应用研究 11 化学信息学 20世纪的化学积累了巨量的实验材料和信息，21世纪的化学信 息学将建立各种化学信息库，然后分析信息的内涵，总结出规 律，最大限度地挖掘、开发和应用信息宝库，使它们作为实验 归纳法和理论演绎法的桥梁，推动化学和化工学科的发展，为 国民经济服务 96