现代化学与应用课件

现代化学现代化学基础理论化学与农业化学与医药化学与材料化学学科的成就和地位1.化学学科的地位早在1985年，美国学者G.C.皮门特尔指出：“化学是一门中心科学，它与社会多方面的需要有关。化学的基础研究则将有助于我们的后代赖以满足演化中的需要，赖以解决许多难以预期的问题。”（1）化学是一门承上启下的中心科学。科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游，化学是中游，生命、材料、环境等朝阳科学是下游。化学是中心科学，是从上游到下游的必经之地。(2)化学又是一门社会迫切需要的中心科学，与我们的衣、食、住（建材、家具）、行（汽车、道路）都有非常紧密的联系。(3)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（sun-risesciences)都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。今天，在人类社会发展过程中迫切需要解决的几个重大问题：环境、粮食、能源、生命进化等，都需要化学的参与。诺贝尔奖：1920年H.Staudinger提出了高分子这个概念

——1953年的诺贝尔化学奖。1953年Ziegler成功地在常温下将乙烯聚合成聚乙烯，从而发现了配位聚合反应。1955年Natta实现了丙烯的定向聚合，得到了高产率、高结晶度的全同构型的聚丙烯，使合成方法-聚合物结构-性能三者联系起来，成为高分子化学发展史中一项里程碑。为此，Ziegler和Natta共获了1963年诺贝尔化学奖。

1974年Flory因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖

三大合成高分子材料：合成橡胶、合成塑料和合成纤维4.高分子科学和材料5.化学反应理论

1956年Semenov和Hinchelwood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。

1967年EigenPorter和Norrish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，对快速反应动力学研究作出了重大贡献，三人共获了诺贝尔化学奖。

1986年李远哲、Herschbach和Polany因发明了获得各种态信息的交叉分子束技术，并利用该技术研究F+H2的反应动力学，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。1999年Zewail因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝尔化学奖。

6.分析技术的发展经典的成分和组成分析方法仍在不断改进，分析灵敏度从常量发展到微量、超微量、痕量分析方法，可深入到进行结构分析，构象测定，同位素测定，各种活泼中间体如自由基、离子基、卡宾、氮宾、卡拜等的直接测定，以及对短寿命亚稳态分子的检测等分离技术也不断革新，离子交换、膜技术、色谱法等等各种分析仪器如质谱仪、极谱仪、色谱仪的应用和微机化、自动化及与其它重要谱仪的联用，得到迅速发展和完备现代航天技术的发展和对各行星成分的遥控分析，反映出分析技术的现代化水平。现代化学发展的趋势分析1.新世纪的化学科学主要研究的物质层次化学是什么？化学的传统定义：研究物质的组成、结构、性能和变化规律的科学。或者：化学是研究分子的科学。现代化学定义：研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态的合成反应、分离和分析、结构形态、物理性能和生物活性及其规律和应用的科学。新世纪化学主要研究的物质层次（1）原子层次的化学：核化学、放射化学、同位素化学、元素化学、单原子操纵和检测化学等。（2）分子片层次的化学：原子只有一百多种，但是分子数已达三千多万种，因此，在原子和分子之间引入一个新层次“分子片”。（3）分子层次的化学：三千多多万种化合物（分子），通常分为无机、有机和高分子化合物，但是近些年合成的金属有机化合物、元素有机化合物、原子簇化合物、金属酶、金属硫蛋白等等，已不能适应传统非分类方法，新世纪将研究分子结构类型和结构方式。（4）超分子层次的化学：受体和给体的化学、锁和钥匙的化学、分子间的非共价作用力、范德华引力、各种不同类型的氢键、亲水与疏水基团及其相互作用、分子的堆积、组装、位阻及包括各种空间效应等。2.新世纪化学科学的主要研究领域（1）环境相容性化学－绿色化学研究的核心问题：绿色合成技术方法和过程可再生资源的利用和转化中存在的一系列问题的研究。矿物质资源高效利用中存在的关键科学问题的研究。（2）新材料化学科学新材料的研究主要有以下几个方面：复合型材料新型能源材料可生物降解高分子材料有机物体系膜分离及膜材料的研究生物材料化学（3）化学中的生命科学生物超分子功能的研究模拟生物体系的自由基化学和物理有机化学研究无机化合物药用的研究

无机药物的手性选择问题、抗癌配合物的研究、利用微量金属离子有效地预防疾病、对无机药物跨膜运送机制、无机药物载体和靶向药物的研究、核药物及中药复方中使用矿物的问题。（5）农业化学科学粮食问题的解决，除了不断发展其他领域的农业（如海洋蓝色农业、微生物白色农业等）之外，化肥工业是支撑农业发展不可动摇的基石重要研究内容：固氮工程、光合作用、长效缓释化肥等其他重点研究领域：植物激素及生长调节物质、昆虫激素及生长调节物质、昆虫信息素、生物活性发展的分离和鉴定等。3.世纪化学科学的四大难题（1）化学反应理论建立严格的微观化学反应理论，既要从初始原理出发，又要巧妙地采取近似方法，使之能解决实际问题，包括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。（2）结构和性能的定量关系理论上说，一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质，但实际计算很困难。要优先研究的课题：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；生物大分子的结构以及与生物和生理活性的关系；分子自由基的稳定性和结构的关系；掺杂晶体的结构和性能的关系；如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？如何使宏观材料达到微观化学键的强度？了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。如何实现从生物分子到分子生命的飞跃？如何制造活的分子，跨越从化学进化到生物进化的鸿沟？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，分形现象等非线性问题（4）纳米尺度的基本规律尺度的不同，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的热力学性质如金的熔点1063℃，纳米金（5－10nm）的熔化温度为330℃。银的熔点为960.3℃，而纳米银（5－10nm）为100℃。纳米磁性量子隧穿效应、量子相干效应等纳米粒子比表面很大，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6000℃降至室温。化学与农业另一部分化学肥料氮肥磷肥钾肥复合肥微肥肥料农家肥（1）常见氮肥及其作用：（NH4）2SO4、NH4NO3、NH4Cl、NH4HCO3、NH3•H2O、CO（NH2）2硫酸铵、硝酸铵、氯化铵、碳酸氢铵、氨水、尿素②氮肥的作用①常见氮肥（3）常见的钾肥及其作用：①常见的钾肥：硫酸钾、氯化钾②钾肥的作用：钾肥能促使作物生长健壮，增强抗倒伏能力及对虫害的抵抗能力。缺钾的大豆缺钾的甘蓝（4）常见的复合肥及其作用：①复合肥的定义：②常见的复合肥：

复合肥料是含有两种或两种以上营养元素的化肥。磷酸二氢铵、硝酸钾等。一、药物化学的研究内容和任务1、药物:

对疾病具有预防、治疗或诊断作用，或可调节人体生理功能、提高生活质量、保持身体的物质。2、化学药物对疾病具有预治疗或诊断作用，或可调节机体生理功能符合药品质量标准并经政府有关部门批准的化合物。含义：具有以上功能的化合物。药物与化学3、分类：（按药物的来源）

中药和天然药物尤其以植物更为主要，例如吗啡：罂粟的浆果浓缩物即阿片中提取物紫杉醇：从紫杉树皮中分离得到治疗卵巢癌等实体瘤的。生物制品（微生物和生化药物）例如:抗生素青霉素G

HMG-COA还原酶抑制剂---洛伐他汀化学药品包括无机药物、合成药物和半合成药物无机药物：

氯化铵（NH4Cl）----祛痰药碳酸氢钠(NaCO3)----抗酸剂合成药物：（以化工原料）用化学合成方法获得的全合成和半合成的化学药物。阿司匹林、氧氟沙星、磺胺药物、卡托普利阿莫西林、地塞米松、头孢类抗生素药物化学研究的对象就是化学药物，也包括从天然药物中提取出的有效成分或单体或通过发酵方法得到的抗生素和半合成抗生素。药物化学定义：药物化学是一门化学学科，也涉及到生物学、医学和制药科学。它主要研究生物活性物质的发现、设计、确证和制备，并在分子水平上研究其代谢和作用机理，建立结构与活性的关系。5、药物化学的任务（1）、为有效利用现有化学药物提供理论基础。

为临床用药时的各个环节提供怎样保证药物质量或改进药效的化学知识。药物的使用青霉素G药物的保存VC 阿司匹林

剂型的选择

普鲁卡因青霉素G分析检验（药物分析）结构的修饰化学结构修饰---保持药物的基本结构，仅在官能团上作一些修改，以改进药物的缺点。（2）、研究化学药物的合成原理和路线，选择和设计适合国情的产业化工艺。

为化学药物提供生产路线，研究制造化学药物的新原料，新工艺，新技术，新方法和新试剂是主要内容。提高产品的质量和产量，改进合成的路线和工艺，降低生产成本是其中环节。（3）、创制新药、发现具有进一步研究开发前景的先导化合物。新药的研究与开发是药物化学的主要任务。新药的研究与开发过程可分为两个阶段：研究阶段和开发阶段。新药的研究阶段也称新药的发现，这一阶段主要是为了发现可能成为药物的化合物，也称新化合物实体（NCE）。新药的开发则是在得到NCE后，通过一系列研究与评价使其成为上市新药。二、药物化学的发展及现状1、药物的起源（利用天然药物的经验时期）

19世纪前的几千年前，药物起源于人类的生存和在大自然中进行竞争的需要。同样，我国中草药在药物发展史上对中华民族的健康昌盛做出了重要的贡献。2、19世纪天然药物和有机化学相互促进了药物化学的形成1805年从阿片中提纯了吗啡，后又从古柯碱叶中得到可卡因，从此人类开始了长达200年的从天然产物中寻找新药并试图改造其结构的药物化学研究。同时人类也从有机化合物中寻找活性物质，1869年发现了具镇静作用的水合氯醛（应用到20世纪60年代），1899年发现解热镇痛药阿司匹林（应用至今），于是药物化学作为一门学科也开始形成。19世纪前半世纪，化学家开始研究天然药物的有效成分。例如：1805年，分离出吗啡1832年，分离出可待因1833年得到阿托品1855年，分离得到可卡因3、20世纪药物化学百年发展史A、新的生物筛选模型和结构测定仪器为20世纪里程碑发展奠定了基础B、天然产物结构改造的第一成功例子“普鲁卡因”C、从染料到磺胺药的发展和抗代谢学说D、青霉素的发现以及当今抗生素的发展E、从阿司匹林到心脑血管疾病药物的发展

1964年最早上市的β-受体阻断剂1975年最早上市的钙通道阻滞剂硝苯地平1977年最早上市的ACEI卡托普利1978年筛选微生物发酵产物对HMG-COA还原酶具明显抑制作用的洛伐他汀，治疗高胆固醇症-冠心病，开辟了一个微生物不仅仅是抗菌、抗原虫或抗肿瘤药，而且可以是酶抑制剂或心脑血管疾病药物的新时代

80年代最早应用溶栓药物及小剂量阿司匹林（环氧化COX-2抑制剂）作为抗血小板药物。

90年代起心脑血管疾病新药研究占全世界新药研制的30%以上。

β-受体阻断剂钙通道阻滞剂血管紧张素转换酶抑制剂(ACEI)羟甲戊乙酰辅酶A还原酶抑制剂（HMG-CoA还原酶抑制剂）F、从水合氯醛、巴比妥类、苯并二氮杂卓到非苯并二氮杂卓类中枢抑制药物的发展

G、从肾上腺素分离到内源性活性物质的应用H、肿瘤---“世纪病”和抗肿瘤和抗爱滋病药物的发展一、无机非金属材料材料与化学[特别提醒]石膏的作用是调节水泥的硬化速度．二、金属材料1．金属的冶炼(1)冶炼方法①热分解法可用于热分解法冶炼的金属，其元素的金属性

，原子

失电子，离子

得电子，化合物的稳定性

．在金属活动性顺序的右端区域(如Hg、Ag)．如2HgO2Hg＋O2↑.②热还原法可用热还原法冶炼的金属，其金属性比较强，在金属活动性顺序中居于中间区域．很弱难较弱易活泼炼铁高炉Al2O32．金属材料的表面处理(1)金属的腐蚀类型化学腐蚀电化学腐蚀条件金属与其表面接触物质(如O2、Cl2等)直接发生化学反应不同金属或不纯金属与电解质溶液接触现象

电流产生

电流产生本质金属被氧化的过程较活泼的金属被氧化的过程影响化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生，但电化学腐蚀更具普遍性，危害更严重无有(2)钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性较强阳极反应Fe―→Fe2＋＋2e－阴极反应O2＋2H2O＋4e－―→2H＋＋2e－―→H2溶液反应Fe2＋＋2OH－―→Fe(OH)2↓4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)34OH－三、功能高分子材料和复合材料1．功能高分子