化学学科的发展、现状与未来

1、1 1 1 化学学科发展的简单回顾化学学科发展的简单回顾 2 2 化学学科的内涵及其地位作用化学学科的内涵及其地位作用 3 213 21世纪化学学科的发展趋势世纪化学学科的发展趋势 4 4 化学学科前沿介绍化学学科前沿介绍 绿色化学绿色化学 超分子化学超分子化学 邵邵 爽爽 浙江教育学院浙江教育学院 理工学院理工学院2 1 化学学科发展的简单回顾化学学科发展的简单回顾 远古的化学远古的化学实用技术实用技术 如：冶金、火药、造纸等。 近代化学近代化学基本理论的建立基本理论的建立 如：质量守恒定律、燃烧学说、阿佛加德罗定律、原子论、分子 论、电离学说、酸碱理论等。 现代化

2、学现代化学物质结构理论和合成化学物质结构理论和合成化学 如：杂化轨道理论（如：杂化轨道理论（VB法）、分子轨道理论（法）、分子轨道理论（MO法）、配位场理论、法）、配位场理论、 逆合成、手性合成、绿色化学、组合化学、分子设计等。逆合成、手性合成、绿色化学、组合化学、分子设计等。 未来的化学未来的化学综合学科发展的科学综合学科发展的科学 如：深入研究原子组合分子的方法和技巧如：深入研究原子组合分子的方法和技巧;研究分子以上层次的现研究分子以上层次的现 象象;与其他学科渗透、交叉联合与其他学科渗透、交叉联合;科学科学技术技术生产、必须创新、理论生产、必须创新、理论 与实验并驾齐驱、学科界限越来越模

3、糊等。与实验并驾齐驱、学科界限越来越模糊等。 3 16611661年年 波义耳在其著名论文波义耳在其著名论文“怀疑派的化学家怀疑派的化学家”中提出中提出 “ “元素元素”的概念，从而化学被确定为一门学科。的概念，从而化学被确定为一门学科。 18031803年年 道尔顿提出道尔顿提出原子论原子论。 18111811年年 阿伏加德罗提出了阿伏加德罗提出了“分子分子”的概念。的概念。 18601860年年 康尼查罗提出了康尼查罗提出了原子原子- -分子论分子论。 18701870年年 门捷列夫发现了门捷列夫发现了元素周期律元素周期律，奠定了化学学科的，奠定了化学学科的 理论基础。理论基础。 1919

4、世纪末世纪末 化学的重要分支（二级学科）化学的重要分支（二级学科）分析化学、无机化分析化学、无机化 学、有机化学学、有机化学和和物理化学物理化学相继建立，这种分工大相继建立，这种分工大 大推动了化学研究的深化。大推动了化学研究的深化。 2020世纪世纪 量子力学量子力学的诞生，近邻学科特别是物理学、生物学的诞生，近邻学科特别是物理学、生物学 和数学的发展，以及各种新的实验技术及精密仪和数学的发展，以及各种新的实验技术及精密仪 器的发明和计算机的出现，使化学学科得器的发明和计算机的出现，使化学学科得 到迅猛到迅猛 的发展。的发展。 化学理论发展的重要轨迹化学理论发展的重要轨迹 4 1.1 20世

5、纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 (1)放射性和铀裂变的重大发现放射性和铀裂变的重大发现 l1903年居里夫妇因发现了放射性比铀强年居里夫妇因发现了放射性比铀强400倍的钋，以及放射性比铀强倍的钋，以及放射性比铀强200 多万倍的镭为此而获得了诺贝尔物理学奖。多万倍的镭为此而获得了诺贝尔物理学奖。 l 1911年为表彰居里夫人在发现钋和镭、开拓放射化学新领域以及发展放射年为表彰居里夫人在发现钋和镭、开拓放射化学新领域以及发展放射 性元素的应用方面的贡献，居里夫人被授予了诺贝尔化学奖性元素的应用方面的贡献，居里夫人被授予了诺贝尔化学奖 l 1908年卢瑟福因从事关于元素

6、衰变和放射性物质的研究年卢瑟福因从事关于元素衰变和放射性物质的研究,提出了原子的有核提出了原子的有核 结构模型和放射性元素的衰变理论而获得了的诺贝尔化学奖。结构模型和放射性元素的衰变理论而获得了的诺贝尔化学奖。 l1935年约里奥年约里奥-居里夫妇因第一次用人工方法创造出放射性元素而荣获了的居里夫妇因第一次用人工方法创造出放射性元素而荣获了的 诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。 l 1938年费米因人工合成了年费米因人工合成了60种新的放射性元素而获得了的诺贝尔物理学奖。种新的放射性元素而获得了的诺贝尔物理学奖。 l1944年哈恩因发现了核裂变现象而获得了诺贝尔化学奖年哈恩因发现了核裂变现象而获得了

7、诺贝尔化学奖. l1942年费米领导下成功的建造了第一座原子反应堆。年费米领导下成功的建造了第一座原子反应堆。 l1945年美国在日本投下了原子弹。年美国在日本投下了原子弹。 5 (2)化学键和现代量子化学理论的建立化学键和现代量子化学理论的建立 鲍林在化学键本质研究和应用鲍林在化学键本质研究和应用化学键理论化学键理论来阐明物来阐明物 质结构而获质结构而获19451945年诺贝尔化学奖。经许多化学家近半个年诺贝尔化学奖。经许多化学家近半个 世纪的努力，现代量子化学理论不断发展和完善，化学世纪的努力，现代量子化学理论不断发展和完善，化学 进入进入实验和理论计算并重实验和理论计算并重的时代。化学家

8、们由浅入深，的时代。化学家们由浅入深， 认识分子的本质及其相互作用的基本原理，从而让人们认识分子的本质及其相互作用的基本原理，从而让人们 进入进入分子的理性设计分子的理性设计的高层次领域。的高层次领域。 1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 6 (3)创造新物质创造新物质合成化学合成化学 近百年来化学家近百年来化学家( (特别是有机化学家特别是有机化学家) )已经设计和合成已经设计和合成 了数千万个化合物，几乎又创造了一个新的自然界；同了数千万个化合物，几乎又创造了一个新的自然界；同 时还发现了大量的时还发现了大量的新反应、新试剂、新方法和新理论新反应、新试

9、剂、新方法和新理论。 19121912年格林尼亚因发明年格林尼亚因发明格林尼亚试剂格林尼亚试剂，开创了，开创了有机金属有机金属 化合物化合物在各种官能团反应中的新领域而获诺贝尔化学奖。在各种官能团反应中的新领域而获诺贝尔化学奖。 现代有机合成化学是经过现代有机合成化学是经过2020世纪近世纪近100100年的研究、探索发年的研究、探索发 展到今天已可以合成像展到今天已可以合成像海葵毒素海葵毒素(Polytoxin)(Polytoxin)这样复杂的有这样复杂的有 机分子机分子( (具有具有6464个手性中心个手性中心的的7 7个骨架内双键个骨架内双键的分子，存在的分子，存在 2 271 712

10、2101021 21个异构体 个异构体) )。 1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 7 O OH OH OH OH HO HO OH Me H2N OH O O O OH OH OH OH HO O OH OH OH O OH HO HO OH OHMe OH OH OH O OH OH OH HO OH O O Me Me MeOH OH OH HO OH O OH OHHO OH OH OHMeMe OH NH O HN O OH 海葵毒素的分子结构海葵毒素的分子结构 分子式为分子式为 C129H223N3O54 有有64个不对称碳和个不对称碳和7个骨

11、架内个骨架内 双键双键, 异构体数目多达异构体数目多达271个个 有机合成有机合成 杰杰 作作 1989年美国哈佛大学年美国哈佛大学 Kishi宣布全合成宣布全合成 64个手性个手性 中心中心 21021个个 同分异构同分异构 体体 8 N N N N C N C o C H 3 C H 3 C H 3 H 2 N O C C O N H 2 C O N H 2 C O N H 2 C H 3 C H 3 H 2 N O C C H 3 H H 2 N O C C H 3 C H 3 O N H N N C H 3 C H 3 O H O O H OP O O C H 3 O - + VB12

12、 分子结构分子结构 R.B.Woodward 合成合成 1965年获年获Nobel化学奖化学奖 有机合成有机合成 杰杰 作作 9 药物合成抗生素 N H N H S CO2H O CH2CO Penicillin G N H N H S CO2H O CHCO H2N Ampicillin N H N H S CO2H O CHCO H2N HO Amoxicillin 随即筛选随即筛选 分子设计分子设计 10 11 (4)高分子科学的建立和发展高分子科学的建立和发展 2020世纪的人类社会文明的标志之一是世纪的人类社会文明的标志之一是合成材料合成材料的出现。的出现。 p1953年年H.Sta

13、udinger因提出了高分子这个概念，创立了高分子因提出了高分子这个概念，创立了高分子 链型学说建立了高分子粘度与分子量之间的定量关系，从而获得链型学说建立了高分子粘度与分子量之间的定量关系，从而获得 了的诺贝尔化学奖。了的诺贝尔化学奖。 p1963年年Ziegler和和Natta因发现了配位聚合反应和实现了丙烯的定因发现了配位聚合反应和实现了丙烯的定 向聚合而共获了诺贝尔化学奖。向聚合而共获了诺贝尔化学奖。 p 1974年年Flory因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖。因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖。 三大传统合成材料三大传统合成材料 塑料塑料 橡胶橡胶 纤维纤维 新

14、型功能材料新型功能材料 光电材料光电材料 信息储存材料信息储存材料 光导纤维光导纤维 超导超导 1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 12 (5)化学动力学与分子反应动态学的发展化学动力学与分子反应动态学的发展 揭示揭示化学反应的历程化学反应的历程和研究和研究物质的结构与其反应能物质的结构与其反应能 力之间的关系力之间的关系，是控制化学反应过程的需要。，是控制化学反应过程的需要。19561956年由年由 前苏联的谢苗诺夫和英国的欣歇尔伍德在前苏联的谢苗诺夫和英国的欣歇尔伍德在化学反应机理化学反应机理、 反应速度反应速度和和链式反应链式反应方面的开创性研究而获

15、诺贝尔化学方面的开创性研究而获诺贝尔化学 奖。同时研究快速反应的技术得到发展，现在可以研究奖。同时研究快速反应的技术得到发展，现在可以研究 十亿分之一秒内发生的化学反应。美籍华人化学家李远十亿分之一秒内发生的化学反应。美籍华人化学家李远 哲及美国化学家赫希巴赫首先研制成功能获得各种态信哲及美国化学家赫希巴赫首先研制成功能获得各种态信 息的息的交叉分子束交叉分子束实验装置，从微观角度来认识化学反应，实验装置，从微观角度来认识化学反应， 发展了发展了分子反应动态学分子反应动态学，亦称态，亦称态- -态化学，对化学反应的态化学，对化学反应的 基本原理做出了重要突破。基本原理做出了重要突破。( (荣获

16、荣获19861986年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖) )。 1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 13 关于化学反应的历程的重要研究成果关于化学反应的历程的重要研究成果 u1956年年Semenov和和Hinchelwood在化学反应机理、反应速度和在化学反应机理、反应速度和 链式反应方面的开创性研究获得了诺贝尔化学奖。链式反应方面的开创性研究获得了诺贝尔化学奖。 u1967年年Eigen Porter和和Norrish因发展了闪光光解法技术用于因发展了闪光光解法技术用于 研究发生在十亿分之一秒内的快速化学反应，对快速反应动力研究发生在十亿分之一秒内的快速化学

17、反应，对快速反应动力 学研究作出了重大贡献，三人共获了诺贝尔化学奖。学研究作出了重大贡献，三人共获了诺贝尔化学奖。 u1986年李远哲、年李远哲、Herschbach和和Polany因发明了获得各种态信因发明了获得各种态信 息的交叉分子束技术，并利用该技术息的交叉分子束技术，并利用该技术F+H2的反应动力学（态的反应动力学（态 态化学），对化学反应的基本原理作出了重要贡献，为此共态化学），对化学反应的基本原理作出了重要贡献，为此共 获了诺贝尔化学奖。获了诺贝尔化学奖。 u1999年年Zewail因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝 尔化学奖。尔化学奖

18、。 14 飞秒化学飞秒化学 p飞秒化学是研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。这一飞秒化学是研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。这一 领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒，即领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒，即1飞秒。飞秒。 1 s(s,秒秒)=103ms(毫秒毫秒)=109ns(纳秒纳秒)1015 fs (femtosecond飞秒飞秒) p飞秒化学的技术基础飞秒化学的技术基础飞秒激光。不同波长的激光可以选择飞秒激光。不同波长的激光可以选择 性地激发和检测不同的分子，或者同一分子的不同内部能量状态，性地激发和检测不同的分子，或者同一分子的不同内部能量状态， 或量子态分布。或量子

19、态分布。 p从分子的角度来说，化学反应的本身就是分子体系的波函数随从分子的角度来说，化学反应的本身就是分子体系的波函数随 时间的变化，在势能面上运动的过程。实验上，通过观察在不同时间的变化，在势能面上运动的过程。实验上，通过观察在不同 时刻体系的性质，就可以得到这种演化的图像，从而理解反应的时刻体系的性质，就可以得到这种演化的图像，从而理解反应的 具体动力学过程。由于分子内部、化学反应过程中及凝聚相中分具体动力学过程。由于分子内部、化学反应过程中及凝聚相中分 子间相互作用过程是在非常短的时间里发生的，比如说，化学反子间相互作用过程是在非常短的时间里发生的，比如说，化学反 应过渡态的寿命一般只有

20、几十飞秒，所以必须在飞秒的时间尺度应过渡态的寿命一般只有几十飞秒，所以必须在飞秒的时间尺度 上对化学反应过程进行检测。也就是说，要象照相一样，要用足上对化学反应过程进行检测。也就是说，要象照相一样，要用足 够短的够短的“快门快门”，来捕捉分子运动和变化的瞬间行为的信息。，来捕捉分子运动和变化的瞬间行为的信息。 15 (6)分析科学的发展分析科学的发展 2020世纪世纪7070年代，生命科学、信息科学和计算机技术的发展，年代，生命科学、信息科学和计算机技术的发展， 使分析化学进入了崭新阶段，它不只限于测定物质的组成和含使分析化学进入了崭新阶段，它不只限于测定物质的组成和含 量，而要对量，而要对物

21、质的状态物质的状态( (氧化还原态、各种结合态、结晶态氧化还原态、各种结合态、结晶态) )、 结构结构( (一维、二维、三维空间分布一维、二维、三维空间分布) )、微区、薄层和表面的组成、微区、薄层和表面的组成 与结构以及与结构以及化学行为化学行为和和生物活性生物活性等做出瞬时追踪，等做出瞬时追踪，无损无损和和在线在线 监测监测等分析及过程控制，甚至要求等分析及过程控制，甚至要求直接观察原子和分子的形态直接观察原子和分子的形态 与排列与排列。分析化学成为一门仪器装置和测量的科学。分析化学成为一门仪器装置和测量的科学。 19901990年开始的人类基因组计划年开始的人类基因组计划(HGP)(HG

22、P)中，由于中，由于DNADNA测序技测序技 术不断推陈出新，从术不断推陈出新，从板凝胶板凝胶电泳到电泳到凝胶毛细管凝胶毛细管电泳、电泳、线性高分线性高分 子溶液毛细管子溶液毛细管电泳、到电泳、到阵列毛细管阵列毛细管电泳，直至电泳，直至全基因组鸟枪全基因组鸟枪测测 序技术。终于使人类基因组计划提前到序技术。终于使人类基因组计划提前到20012001年完成。分析化学年完成。分析化学 在推进人们弄清环境和生命有关的化学问题中起着关键作用。在推进人们弄清环境和生命有关的化学问题中起着关键作用。 1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 16 ( (7)生命科学生命科学

23、 生物小分子化学，蛋白质化学生物小分子化学，蛋白质化学 核酸化学，糖化学核酸化学，糖化学 蛋白质的化学 结构：一级结构结构：一级结构, 二级结构二级结构, 三级结构三级结构, 四级结构四级结构 氨基酸序列分析仪氨基酸序列分析仪 酶的化学 p酶催化的机理酶催化的机理 p化学模拟化学模拟 p生物合成与生物转化生物合成与生物转化 核酸的化学 pDNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现 （Watson-Crick获获1962年诺年诺 贝尔医学或生理学奖贝尔医学或生理学奖) p碱基配对原则碱基配对原则 pDNA的复制的复制 p基因表达基因表达 p遗传密码的发现遗传密码的发现 p中心法则中心法则 1.1 2

24、0世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 17 p20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 p1955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； p1960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； p1980年P.Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在DNA分裂和重组、 DNA测序以及现代基因工程学方面的杰出贡献而共获诺贝尔化学 奖。 p1982年A.Klug因发明“象重组“技术和揭示病毒和细胞内遗传 物质的结构而获得诺贝尔化学奖。 p 1993

25、年M.Smith因发明寡核苷酸定点诱变法以及K.B.Mullis因 发明多聚酶链式反应技术对基因工程的贡献而共获诺贝尔化学奖。 化学在生命科学领域的重要研究成果化学在生命科学领域的重要研究成果 18 DNA 19 蛋白酶的一种蛋白酶的一种 胰蛋白酶的结构和胰蛋白酶的结构和 排列顺序示意图排列顺序示意图 20 1965年年9月，我国科学家汪猷帅月，我国科学家汪猷帅上百位化学工作者经过上百位化学工作者经过6年多坚持不懈的努力年多坚持不懈的努力 ，获得了人工全合成牛胰岛素晶体。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。，获得了人工全合成牛胰岛素晶体。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。 两条肽链两条肽链:A:

26、A链链2121个氨基酸残基个氨基酸残基,B,B链链3030个残基个残基, , 分子量分子量57005700道尔顿道尔顿,1953,1953年确定全部化学结构年确定全部化学结构. . 人工合成牛胰岛素 21 1.2 20世纪化学工业的大发展世纪化学工业的大发展 (1)(1)石油化工成为支柱产业石油化工成为支柱产业 2020世纪世纪3030年代催化剂进入石油化工，年代催化剂进入石油化工，催化动力学催化动力学的的 发展及发展及催化剂催化剂的作用使石油的的作用使石油的各种馏分各种馏分成为各种不同用成为各种不同用 途的化工产品，石油化工迅速发展，已成为世界经济发途的化工产品，石油化工迅速发展，已成为世界

27、经济发 展中占重要地位的工业领域。展中占重要地位的工业领域。世界化工总产值中世界化工总产值中8080以以 上的产品与石油化工有关上的产品与石油化工有关。 22 (2)(2)三大合成材料时代三大合成材料时代 2020世纪前半叶，由于基础化学中的高分子化学的兴世纪前半叶，由于基础化学中的高分子化学的兴 起和发展，逐步形成了起和发展，逐步形成了塑料、纤维、橡胶塑料、纤维、橡胶三大合成材料三大合成材料 工业。到工业。到2020世纪末，世界年产合成橡胶能力已世纪末，世界年产合成橡胶能力已12001200万吨，万吨， 合成纤维达合成纤维达15001500万吨，合成塑料已超过万吨，合成塑料已超过600060

28、00万吨。以塑料万吨。以塑料 为主体的三大合成材料，以体积计算其世界总产量已超为主体的三大合成材料，以体积计算其世界总产量已超 过全部金属的产量，所以有人称过全部金属的产量，所以有人称2020世纪为聚合物时代。世纪为聚合物时代。 1.2 20世纪化学工业的大发展世纪化学工业的大发展 23 (3)(3)化肥（农药）工业的巨大作用化肥（农药）工业的巨大作用 2020世纪面临人口大幅度增长和粮食需求迅速增加的世纪面临人口大幅度增长和粮食需求迅速增加的 局面。在解决这一困难中，化肥起了重要作用。其中局面。在解决这一困难中，化肥起了重要作用。其中氮氮 肥肥的生产关键问题是如何利用大气中的氮大规模合成肥的

29、生产关键问题是如何利用大气中的氮大规模合成肥 料。料。19091909年德国化学家哈伯用锇作催化剂成功地建立了年德国化学家哈伯用锇作催化剂成功地建立了 每小时产生每小时产生8080克氨的实验装置。哈伯因此而荣获克氨的实验装置。哈伯因此而荣获19181918年诺年诺 贝尔化学奖。贝尔化学奖。19311931年德国博施建成第一个用铁催化剂的年德国博施建成第一个用铁催化剂的 合成氨合成氨工厂日产量为工厂日产量为3030吨。吨。( (荣获荣获19311931年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖) )。 6060多年来，不断对合成氨工艺进行改进并引入现代化工多年来，不断对合成氨工艺进行改进并引入现代化工 技术。

30、我国是农业大国，肥料是增产的关键措施。目前技术。我国是农业大国，肥料是增产的关键措施。目前 已达年产已达年产20002000万吨的规模，占世界第二位。万吨的规模，占世界第二位。 1.2 20世纪化学工业的大发展世纪化学工业的大发展 24 (4)(4)医药工业的大发展医药工业的大发展 2020世纪人类寿命显著延长，世纪人类寿命显著延长，7070岁以上的老人比例显岁以上的老人比例显 著提高，估计著提高，估计2020世纪人类平均寿命增加世纪人类平均寿命增加3030岁左右。人类岁左右。人类 寿命延长的原因之一是医疗条件的改善，其中针对人类寿命延长的原因之一是医疗条件的改善，其中针对人类 常见病、多发病

31、的新药的研制成功是关键因素。医药工常见病、多发病的新药的研制成功是关键因素。医药工 业的发展与化学紧密相关。化学合成药在医学工业中占业的发展与化学紧密相关。化学合成药在医学工业中占 主导地位。磺胺药是第二次世界大战前惟一有效的抗细主导地位。磺胺药是第二次世界大战前惟一有效的抗细 菌感染的药物。菌感染的药物。DomagkDomagk因此而在因此而在19391939年荣获诺贝尔生理年荣获诺贝尔生理 及医药奖。及医药奖。磺胺类药物的问世标志着化学疗法方面的一磺胺类药物的问世标志着化学疗法方面的一 大突破大突破。第二次世界大战后，磺胺药逐渐让位于治疗效。第二次世界大战后，磺胺药逐渐让位于治疗效 果更好

32、的抗生素类药，如青霉素、四环素、红霉素、氯果更好的抗生素类药，如青霉素、四环素、红霉素、氯 霉素、头孢菌素等。目前世界药物市场的年销售量约为霉素、头孢菌素等。目前世界药物市场的年销售量约为 30003000亿美元，在世界经济发展中有举足轻重的作用。亿美元，在世界经济发展中有举足轻重的作用。 1.2 20世纪化学工业的大发展世纪化学工业的大发展 25 美国美国9090年代化学工业产值约占年代化学工业产值约占3030，化学品出口占总出，化学品出口占总出 口的口的3030，位居世界第二位。，位居世界第二位。 美国的调查报告美国的调查报告“化学中的机会化学中的机会”指出，化学工业在国指出，化学工业在国

33、 际市场上要保持竞争力，主要看作为基础学科的化学能否保际市场上要保持竞争力，主要看作为基础学科的化学能否保 持领先地位。可见，没有基础学科的发展为后盾，国民经济、持领先地位。可见，没有基础学科的发展为后盾，国民经济、 高新技术的发展是不可能的。高新技术的发展是不可能的。 化学工业已成为某些国家的支柱产业化学工业已成为某些国家的支柱产业 26 u化学从原子分子水平研究物质的组成、结构、性质及应化学从原子分子水平研究物质的组成、结构、性质及应 用的科学。用的科学。 化学教科书化学教科书 2 化学学科的内涵及地位作用化学学科的内涵及地位作用 u化学为总管物质在原子、分子层次上变化之科学。化学为总管物

34、质在原子、分子层次上变化之科学。 唐有祺唐有祺 u化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学，它化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学，它 涉及存在于自然界的物质（如地球上的矿物、空气中的气体、涉及存在于自然界的物质（如地球上的矿物、空气中的气体、 海洋里的水和盐、动物体内的化学物质），以及由人类创造海洋里的水和盐、动物体内的化学物质），以及由人类创造 的新物质，它涉及自然界的变化（如因闪电而着火的树木、的新物质，它涉及自然界的变化（如因闪电而着火的树木、 与生命有关的化学变化），还有那些由化学家发明和创造的与生命有关的化学变化），还有那些由化学家发明和创造的 新变化。新变化。

35、 Ronald Breslow 2.1 化学学科的定义与内涵化学学科的定义与内涵 27 徐光宪徐光宪.化学学科进展化学学科进展M,北京北京:化工出版社化工出版社,2005:12 一维定义一维定义X定义定义 化学是研究化学是研究X对象的科学对象的科学 X泛分子，包括泛分子，包括10个层次：个层次：原子原子;分子片分子片; 分子分子; 超分子超分子; 高分子高分子; 生物分子生物分子; 纳米纳米 分子分子; 原子和分子的宏观聚集体原子和分子的宏观聚集体; 复杂分子体复杂分子体 系和自组装分子系和自组装分子 二维定义二维定义XY定义定义 化学是研究化学是研究X对象的对象的Y内容的内容的 科学科学 Y

36、合成和反应、制备、剪裁和组装、分离和合成和反应、制备、剪裁和组装、分离和 分析、结构和构象、粒度和形貌、物理和化学性分析、结构和构象、粒度和形貌、物理和化学性 质、生理和生物活性、运输和调控作用机制等个质、生理和生物活性、运输和调控作用机制等个 方面的规律、相互关系和应用方面的规律、相互关系和应用 三维定义三维定义XYZ定义定义 化学是用化学是用Z方法研究方法研究X对象的对象的Y 内容的科学内容的科学 Z实验，理论和计算机模拟实验，理论和计算机模拟 四维定义四维定义XYZW定义定义 化学是用化学是用Z方法研究方法研究X对象的对象的Y 内容以达到内容以达到W目的的科学目的的科学 W认识世界，改造

37、自然和保护世界认识世界，改造自然和保护世界 分子片是 指组成分 子的碎片 28 2.2 化学学科在科学发展中的地位化学学科在科学发展中的地位 R.Breslow (1997) Chemistry Today and TomorrowThe Central,Useful and Creative Science 化学的今天和明天化学是一门中心的、实用的和创造性的科学 29 从早晨开始，我们在用化学品建造的住宅中醒来，家具是部分从早晨开始，我们在用化学品建造的住宅中醒来，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

38、 皂和牙膏并穿上由合成纤维和合成染料制成的衣服，即使天然纤维皂和牙膏并穿上由合成纤维和合成染料制成的衣服，即使天然纤维 （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（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。们的性能。 为了保鲜起见，食品要被包装和冷藏起来，而这些食品要么用化为了保鲜起见，食品要被包装和冷藏起来，而这些食品要么用化 肥、除草剂和农药使之生长；要么家畜类需兽医药来防病；要么需肥、除草剂和农药使之生长；要么家畜类需兽医药来防病；要么需 加入维生素后食用；甚至我们购买的天然食品，如牛奶，也必须经加入维生素后食用；甚至我们购买的天然食品，如牛奶，

39、也必须经 过化学检验后方可食用。过化学检验后方可食用。 我们的交通工具我们的交通工具汽车、火车、飞机汽车、火车、飞机在很大程度上依靠化在很大程度上依靠化 学工业的产品；晨报是用化学家们制造的油墨在用化学方法制造的学工业的产品；晨报是用化学家们制造的油墨在用化学方法制造的 纸上印刷的；用于说明事物的照片要用化学家们制造的胶卷和胶片；纸上印刷的；用于说明事物的照片要用化学家们制造的胶卷和胶片； 日常生活中的金属制品都是用经过以化学为基础的冶炼转化为金属日常生活中的金属制品都是用经过以化学为基础的冶炼转化为金属 或合金后制造的，为了保护它们还要涂上油漆。或合金后制造的，为了保护它们还要涂上油漆。 化

40、妆品是由化学家制造和检验过的；警察和军人用的武器也都依化妆品是由化学家制造和检验过的；警察和军人用的武器也都依 靠化学。事实上，在我们的日常生活中很难找出一种不依靠化学和靠化学。事实上，在我们的日常生活中很难找出一种不依靠化学和 化学家帮助而制造出来的产品。化学家帮助而制造出来的产品。 30 第第1 1章章 化学是一门中心的、实用的和创造性的科学化学是一门中心的、实用的和创造性的科学 1111什么是化学什么是化学 2 2化学家做什么化学家做什么 1313早期的化学有些什么早期的化学有些什么 1414为什么化学家成这门学科为为什么化学家成这门学科为“中心科学中心科学” 1515是什么是化学成为是

41、什么是化学成为“使用的科学使用的科学”和创造性的科学和创造性的科学 1616那些是化学的基本原理那些是化学的基本原理 1717化学领域有多大化学领域有多大 关于未来关于未来 第第2 2章章 健康和生命的化学健康和生命的化学 2121药物化学在过去对人类健康有哪些贡献药物化学在过去对人类健康有哪些贡献 2222药物化学家是怎样设计或发现新药的药物化学家是怎样设计或发现新药的 2323药物化学家现在忙于什么药物化学家现在忙于什么 2424化学家对了解生命的本质有什么贡献？光和作用化学化学家对了解生命的本质有什么贡献？光和作用化学 简介简介 2525化学在分子生物学和生物技术中的作用是什么化学在分子

42、生物学和生物技术中的作用是什么 关于未来关于未来 第第3 3章章 再谈化学是一门使用的科学再谈化学是一门使用的科学 3131化学在住房和陈设品方面起什么作用化学在住房和陈设品方面起什么作用 3232化学在穿着方面起什么作用化学在穿着方面起什么作用 3333化学和运输的关系怎样化学和运输的关系怎样 3434哈是如何改进事物供应的哈是如何改进事物供应的 3535化学和国防的关系怎样化学和国防的关系怎样 3636化学和执法方面的关系怎样化学和执法方面的关系怎样 3737化学对生活的质量作出了哪些贡献化学对生活的质量作出了哪些贡献 关于未来关于未来 第第4 4章化学与环境章化学与环境 4141我们能否

43、有一个建立在先进技术上的现代社会，而这我们能否有一个建立在先进技术上的现代社会，而这 些技术不会无休止地污染地球些技术不会无休止地污染地球 4242工业能否干净地制造化学产品工业能否干净地制造化学产品 4343在解决从核能发电厂排放出放射性废弃物的问题上，在解决从核能发电厂排放出放射性废弃物的问题上， 化学家们能作什么贡献化学家们能作什么贡献 44人类日常生活回造成什么样的污染人类日常生活回造成什么样的污染 4545我们能否控制虫害而不危害有用的动物我们能否控制虫害而不危害有用的动物 4646我们则样能保证新合成的哈制品不会破坏环境，或没有我们则样能保证新合成的哈制品不会破坏环境，或没有 不良

44、的生物效应不良的生物效应 不是所有的不良化学效应都是致命的不是所有的不良化学效应都是致命的 关于未来关于未来 第第5 5章章 计算机与化学计算机与化学电子学的革命电子学的革命 5151现代的电子学革命诞生了计算机，化学对此有和贡献现代的电子学革命诞生了计算机，化学对此有和贡献 5252什么是计算化学什么是计算化学 5353计算化学则样帮助我们测定蛋白质的形成计算化学则样帮助我们测定蛋白质的形成 关于未来关于未来 电子材料电子材料 计算化学计算化学 第第6 6章章 在生物体和工业中的催化作用在生物体和工业中的催化作用 6161催化剂能扮演什么样的角色催化剂能扮演什么样的角色 6262作为生命催化

45、剂的酶是何物作为生命催化剂的酶是何物 6363酶催化生物反映时，能加速多少？又如何进行选择酶催化生物反映时，能加速多少？又如何进行选择 6464维生素能起生物催化作用吗维生素能起生物催化作用吗 6565酶的作用知多少酶的作用知多少 6666对酶的认识是否有住与新药的设计对酶的认识是否有住与新药的设计 6767汽车用的故态金属催化剂是则样起作用的汽车用的故态金属催化剂是则样起作用的 6868为什么工业界常用的固体催化剂并不具有金属特性？为什么工业界常用的固体催化剂并不具有金属特性？ 关于未来关于未来 第第7 7章章 化学家怎样创造新分子化学家怎样创造新分子 7171化学家如何决定应该研制什么新分

46、子化学家如何决定应该研制什么新分子? ? 7272化学家如何计划未知分子的成功合成化学家如何计划未知分子的成功合成? ? 7373在哪里进行合成实验在哪里进行合成实验? ? 7474新化学物质一旦被创造还要做些什么新化学物质一旦被创造还要做些什么 关于未来关于未来 第第8 8章章 认识分子结构和化学变化认识分子结构和化学变化 8181化学家怎样测定新分子的结构化学家怎样测定新分子的结构? ? 8282分子的精细结构与它们的性质之间存在什么关系分子的精细结构与它们的性质之间存在什么关系? ? 8383化学家如何测定化学反应的历程化学家如何测定化学反应的历程? ? 8484在哪里进行分子结构与性质

47、及反应历程的研究在哪里进行分子结构与性质及反应历程的研究? ? 31 化学是承上启下的中心学科(central science) 科学按照其研究对象由简单到复杂分为科学按照其研究对象由简单到复杂分为： 上游：数学、物理学上游：数学、物理学研究对象简单，研究程度很深研究对象简单，研究程度很深 中游：化学中游：化学 下游：生命、材料、环境下游：生命、材料、环境研究对象复杂研究对象复杂 化学是中心科学，是从上游到下游的必经之地，永远不会象有 些人估计的那样将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡！ 化学是一门中心科学化学是一门中心科学 徐光宪徐光宪.今日化学的何去何从今日化学的何去何从J,大学化学大学化

48、学,2003,18(1):1 化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间 和核科学等八大朝阳科学都有密切的联系、交叉和渗透的中和核科学等八大朝阳科学都有密切的联系、交叉和渗透的中 心科学。心科学。 32 化学是一门实用的科学化学是一门实用的科学 人类之衣、食、住、行和娱乐无不与化学有关。人类之衣、食、住、行和娱乐无不与化学有关。 当前一些重大的工业过程基本上都基于化学过程。当前一些重大的工业过程基本上都基于化学过程。 世界专利发明中有世界专利发明中有20%与化学有关。与化学有关。 发达国家从事研究与开发的科研人员中，化学与化工专家发达国家从

49、事研究与开发的科研人员中，化学与化工专家 占一半左右。占一半左右。 化工企业产品的更新换代依靠化学的进步，而化工产品的化工企业产品的更新换代依靠化学的进步，而化工产品的 产值和出口比例在国民经济中一直保持着领先地位产值和出口比例在国民经济中一直保持着领先地位。 33 化学是一门创造性的科学化学是一门创造性的科学 化学家辛勤的耕耘着元素周期体系中的百余个化化学家辛勤的耕耘着元素周期体系中的百余个化 学元素并整理着天然产物，所发现的新化合物几乎学元素并整理着天然产物，所发现的新化合物几乎 每每10年约翻一番。随着化学反应基础理论及合成方年约翻一番。随着化学反应基础理论及合成方 法的不断发展和完善，

50、新化合物的增加速率已快于法的不断发展和完善，新化合物的增加速率已快于 指数表达方式，指数表达方式，90年代以来每年新增的化合物约有年代以来每年新增的化合物约有 60余万种。迄今化学家已经拥有余万种。迄今化学家已经拥有1900多万种化合物，多万种化合物， 其中绝大多数是由化学家合成的。其中绝大多数是由化学家合成的。 化学在旧的自然界旁又建起了一个新的自然界。化学在旧的自然界旁又建起了一个新的自然界。 R. B. Woodward 34 化学思想化学思想科学哲学思想的重要组成部分科学哲学思想的重要组成部分 l实验验证思想实验方法来验证和探究化学知识的思想 l守恒思想：能量守恒;质量守恒;电荷守恒/

51、得失电子守恒 l动态平衡思想用平衡移动的原理来分析粒子之间相互反应, 系统了解阐释溶解平衡、化学平衡、电离平衡、水解平衡、氧化 还原平衡等多种平衡体系的本质。 l量变质变思想质量互变规律在化学学科的应用。例如：温 度改变，物质状态的改变；元素原子个数或排列方式不同，产生 了不同的物质（同素异形体和同分异构体）；反应物之间物质的 量的比例不同，产物不同；反应条件的不同，产物不同；随原子 序数递增，原子结构呈现周期性的变化，元素的性质也呈周期性 的变化；定性实验和定量实验的相互关系等。 l结构决定性质思想物质结构决定物质性质，物质性质反映 了物质的结构 35 化学与生物学的不同化学与生物学的不同

52、p“生物学家致力于阐明自然生命的过程，而化学家生物学家致力于阐明自然生命的过程，而化学家 则习惯于如何去调控这一过程则习惯于如何去调控这一过程”。 Doyle and Coray,Chemistry & Biology,1998,5,157-160) p生物学家注意认识世界，而化学家则想改造世界生物学家注意认识世界，而化学家则想改造世界。 “化学家看起来比较审慎化学家看起来比较审慎,善于分析并较多的在本学科内独善其身。他善于分析并较多的在本学科内独善其身。他 们将注意力集中在分子上面，他们醉心于一个多手心的中心、具有很大们将注意力集中在分子上面，他们醉心于一个多手心的中心、具有很大 合成难度的

53、分子带来的挑战，并力图用最短的路线和最高的产率来得到合成难度的分子带来的挑战，并力图用最短的路线和最高的产率来得到 目标分子，通过用相对较少但巧妙的技术以获得精确的资料。对他们来目标分子，通过用相对较少但巧妙的技术以获得精确的资料。对他们来 讲注重蛋白质和核酸的化学更甚于它们的生理重要性。另一方面。生物讲注重蛋白质和核酸的化学更甚于它们的生理重要性。另一方面。生物 学家似乎较具有艺术性、调和性和主要用右脑思考。他们喜欢使用种类学家似乎较具有艺术性、调和性和主要用右脑思考。他们喜欢使用种类 繁多却不太精密的技术来研究细胞和器官内的复杂现象。他们喜欢神秘繁多却不太精密的技术来研究细胞和器官内的复杂

54、现象。他们喜欢神秘 和复杂，当揭去面纱，显露出分子本质时，他们中有些人则会感到失和复杂，当揭去面纱，显露出分子本质时，他们中有些人则会感到失 望望”。 Kornberg,Chemistry & Biology,1996,3,3-5 36 报刊上提及报刊上提及20世纪发明的六大技术世纪发明的六大技术应为七大技术！应为七大技术！ 信息技术（无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、信息技术（无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、 通讯和网络）通讯和网络） 生物技术（基因重组、克隆和生物芯片）生物技术（基因重组、克隆和生物芯片） 核科学和核武器技术核科学和核武器技术 航空航天和导弹技术航空航天和导弹

55、技术 激光技术激光技术 纳米技术纳米技术 化学合成技术（新药物、新材料、高分子、化学和农药）化学合成技术（新药物、新材料、高分子、化学和农药） 化学家缺少品牌意识，没有在社会上树立化学的美好品牌，化学家缺少品牌意识，没有在社会上树立化学的美好品牌， 甚至化学成为有毒、有害、高污染的代名词！甚至化学成为有毒、有害、高污染的代名词！ 化学家太谦虚! 37 从人类对七大技术发明的需要迫切性来排序： 按20世纪的七大技术发明衍生的产业规模及其对世界 经济的影响来排序： 38 未来化学所面临的重大挑战未来化学所面临的重大挑战 p环境问题环境问题 p人口控制与健康人口控制与健康 p食品问题食品问题 p资源

56、与可持续发展资源与可持续发展 3 21世纪化学学科的发展趋势世纪化学学科的发展趋势 39 （1 1）化学的第一根本规律）化学的第一根本规律化学反应理论和定律化学反应理论和定律 建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论。 （2 2）化学的第二根本规律）化学的第二根本规律分子结构及其性能的定量关系分子结构及其性能的定量关系 分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律；超分子结构的类型，生成和 调控的规律；给体-受体作用原理；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；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？ 。 （3 3）活

57、分子运动的基本规律）活分子运动的基本规律 充分认识和彻底了解人类和生物体内分子的运动规律。如在地球元素的 生态循环中，植物界做了两件伟大的事：光合作用活分子催化剂叶绿素是怎样 作用的？生物固氮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。 （4 4）纳米尺度的基本规律）纳米尺度的基本规律 当尺度在十分之几到10nm的量级，正处于量子尺度和经典尺度的模糊边 界中，有许多新的奇异特性和新的效应，新的规律和重要应用，值得理论化 学家去探索研究。 21世纪化学的四大难题世纪化学的四大难题 40 2121世纪物理学提出了五大理论难题世纪物理学提出了五大理论

58、难题 （1）4种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。 2121世纪的生物学也有重大难题和奋斗目标：世纪的生物学也有重大难题和奋斗目标： （1）后基因组学和人类疾病的消除。 （2）蛋白质组学。 （3）脑科学。 （4）生物如何进化？生命如何起源等。 21世纪物理学和生物学的难题世纪物理学和生物学的难题 41 3 21世纪化学学科的发展趋势世纪化学学科的发展趋势 3.1 3.1 人类社会的发展对化学的需求人类社会的发展对化学的需求 (1)(1)化学仍是解决食物和健康问

59、题的主要学科之一化学仍是解决食物和健康问题的主要学科之一 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 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 (2)(2)化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用起关键作用化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用起关键作用 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

60、，降 低成本） 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 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 42 (3)(3)化学将继续推动材料科学发展化学将继续推动材料科学发展 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、纳米材料都要从分子以上层次研 究材料的结构 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 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，