20世紀化學的回顧與21世紀化學之展望

1、20世紀化學的回憶與21世紀化學之展望化學是在原子、分子層次上研究物質的組成、結構、性質及其變化規(guī)律的一門 科學，它涉及存在于自然界的物質如礦物、空氣中的氣體、海洋里的水和鹽、 動植物體內的化學成分，以及由化學家創(chuàng)造的新物質，它涉及自然界的變化如 因閃電而著火的樹木、生命過程中的化學變化，還有那些由化學家創(chuàng)造創(chuàng)造的 新變化。作為自然科學中的一門根底學科，化學是當代科學技術和人類物質文明 迅猛開展的根底和動力，是一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的科學，是一門古老而 又生機勃勃的科學。現在很多化學工作者都在預測21世紀化學學科開展的前景， 推測21世紀化學會在哪些方面取得重大突破？會遇到哪些挑戰(zhàn)和難題？

2、什么是 未來化學的新生長點？化學在整個科學體系中占有什么地位？實際上，我們只要溫故以知新，就不難看出未來化學開展的動向。1. 20世紀化學的輝煌成就20世紀人類對物質需求的日益增加以及科學技術的迅猛開展，極大的推動了 化學學科自身的開展?；瘜W不僅形成了完整的理論體系，而且在理論的指導下， 化學實踐為人類創(chuàng)造了豐富的物質。從19世紀的經典化學到20世紀的現代化學 的飛躍，從本質上說是從19世紀的道爾頓原子論、門捷列夫元素周期表等在原 子的層次上認識和研究化學，進步到 20世紀在分子的層次上認識和研究化學。 如對組成分子的化學鍵的本質、分子的強相互作用和弱相互作用、分子催化、分 子的結構與功能關系

3、的認識，以至1900多萬種化合物的發(fā)現與合成；對生物分 子的結構與功能關系的研究促進了生命科學的開展。另一方面，化學過程工業(yè)以及與化學相關的國計民生的各個領域，如糧食、能源、材料、醫(yī)藥、交通、國防 以及人類的衣食住行用等，在這100年中發(fā)生的變化是有目共睹的。過去的 100 年間化學學科的重大突破性成果可從歷屆諾貝爾化學獎獲得者的重大奉獻中獲 悉20世紀在能源利用方面一個重大突破是核能的釋放和可控利用。僅此領域就 產生了 6項諾貝爾獎。首先是居里夫婦從19世紀末到20世紀初先后發(fā)現了放射 性比鈾強400倍的釙，以及放射性比鈾強200多萬倍的鐳，這項艱巨的化學研究 翻開了 20世紀原子物理學的大

4、門，居里夫婦為此而獲得了 1903年諾貝爾物理學 獎。1906年居里不幸遇車禍身亡，居里夫人繼續(xù)專心于鐳的研究與應用，測定 了鐳的原子量，建立了鐳的放射性標準，同時制備了20克鐳存放于巴黎國際度量衡中心作為標準，并積極提倡把鐳用于醫(yī)療，使放射治療得到了廣泛應用，造 福人類。為表彰居里夫人在發(fā)現釙和鐳、開拓放射化學新領域以及開展放射性元 素的應用方面的奉獻，1911年被授予了諾貝爾化學獎。20世紀初，盧瑟福從事 關于元素衰變和放射性物質的研究，提出了原子的有核結構模型和放射性元素的 衰變理論，研究了人工核反響，因此而獲得了 1908年的諾貝爾化學獎。居里夫人 的女兒和女婿約里奧-居里夫婦用釙的&

5、#61537;射線轟擊硼、呂、鎂時發(fā)現產生 了帶有放射性的原子核，這是第一次用人工方法創(chuàng)造出放射性元素，為此約里奧-居里夫婦榮獲了 1935年的諾貝爾化學獎。在約里奧-居里夫婦的根底上，費米 用曼中子轟擊各種元素獲得了 60種新的放射性元素，并發(fā)現中子轟擊原子核后，就被原子核捕獲得到一個新原子核，且不穩(wěn)定，核中的一個中子將放出一次 衰變，生成原子序數增加1的元素。這一原理和方法的發(fā)現，使人工放 射性元素的研究迅速成為當時的熱點。 物理學介入化學，用物理方法在元素周期 表上增加新元素成為可能。費米的這一成就使他獲得了1938年的諾貝爾物理學獎。1939年哈恩發(fā)現了核裂變現象，震撼

6、了當時的科學界，成為原子能利用的 根底，為此，哈恩獲得了 1944年諾貝爾化學獎。1939年費里施在裂變現象中觀察到伴隨著碎片有巨大的能量，同時約里奧-居里夫婦和費米都測定了鈾裂變時還放出中子，這使鏈式反響成為可能。至此釋放原子能的前期根底研究已經完成。從放射性的發(fā)現開始，然后發(fā)現了人工放射性， 再后又發(fā)現了鈾裂變伴隨能量和中子的釋放， 以至核裂變的可控鏈式反響。于是， 1942年費米領導下成功的建造了第一座原子反響堆，1945年美國在日本投下了原子彈。核裂變和原子能的利用是 20世紀初至中葉化學和物理界具有里程碑意 義的重大突破。2化學鍵和現代量子化學理論在分子結構和化學鍵理論方面，鮑林L.

7、Pauling, 1901-1994的奉獻最大。他 長期從事X-射線晶體結構研究，尋求分子內部的結構信息，把量子力學應用于 分子結構，把原子價理論擴展到金屬和金屬間化合物， 提出了電負性概念和計算 方法，創(chuàng)立了價鍵學說和雜化軌道理論。1954年由于他在化學鍵本質研究和用 化學鍵理論說明物質結構方面的重大奉獻而榮獲了諾貝爾化學獎。此后，莫利肯運用量子力學方法，創(chuàng)立了原子軌道線性組合分子軌道的理論，說明了分子的共價鍵本質和電子結構，1966年榮獲諾貝爾化學獎。另外，1952年福井謙一提出 了前線軌道理論，用于研究分子動態(tài)化學反響。1965年R.B.Woodward,和R.Hoffman提出了分子軌

8、道對稱守恒原理，用于解釋和預測一系列反響的難易程 度和產物的立體構型。這些理論被認為是認識化學反響開展史上的一個里程碑， 為此，福井謙一和Hoffman共獲1981年諾貝爾化學獎。1998年科恩因開展了電 子密度泛函理論，以及波普爾因開展了量子化學計算方法而共獲了諾貝爾化學獎。 化學鍵和量子化學理論的開展足足花了半個世紀的時間，讓化學家由淺入深，認識分子的本質及其相互作用的根本原理， 從而讓人們進入分子的理性設計的高層 次領域，創(chuàng)造新的功能分子，如藥物設計、新材料設計等，這也是20世紀化學的一個重大突破。3合成化學的開展創(chuàng)造新物質是化學家的首要任務。100年來合成化學開展迅速，許多新技術被 用

9、于無機和有機化合物的合成，例如，超低溫合成、高溫合成、高壓合成、電解 合成、光合成、聲合成、微波合成、等離子體合成、固相合成、仿生合成等等； 發(fā)現和創(chuàng)造的新反響、新合成方法數不勝數。現在，幾乎所有的天然化合物 以及化學家感興趣的具有特定功能的非天然化合物都能夠通過化學合成的方法 來獲得。在人類已擁有的1900多萬種化合物中，絕大多數是化學家合成的，幾 乎又創(chuàng)造出了一個新的自然界。合成化學為滿足人類對物質的需求作出了極為重 要的奉獻?？v觀20世紀，合成化學領域共獲得10項諾貝爾化學獎。 1912年格林亞德因創(chuàng)造格氏試劑，開創(chuàng)了有機金屬在各種官能團反響中的新領 域而獲得諾貝爾化學獎。1928年狄爾

10、斯和阿爾德因發(fā)現雙烯合成反響而獲得1950年諾貝爾化學獎。1953年齊格勒和納塔發(fā)現了有機金屬催化烯烴定向聚合， 實現了乙烯的常壓聚合而榮獲1963年諾貝爾化學獎。人工合成生物分子一直是 有機合成化學的研究重點。從最早的甾體A.Windaus，1928年諾貝爾化學獎、 抗壞血酸W.N.Haworth, 1937年諾貝爾化學獎、生物堿R.Robinson,1947年 諾貝爾化學獎至V多肽V.du.Vigneand,1955年諾貝爾化學獎逐漸深入。到1965 年有機合成大師 Woodward由于其有機合成的獨創(chuàng)思維和高超技藝，先后合成了奎寧、膽固醇、可的松、葉綠素和利血平等一系列復雜有機化合物而榮

11、獲諾貝爾 化學獎。獲獎后他又提出了分子軌道對稱守恒原理，并合成了維生素B12等。文檔收集自網絡，僅用于個人學習此外，Wilk in son和Fischer合成了過渡金屬二茂夾心式化合物，確定了這種特殊結構，對金屬有機化學和配位化學的開展起了重大推動作用，榮獲1973年諾貝爾化學獎。1979年Brown和Wittig因分別開展了有機硼和 Wittig反響而共獲 諾貝爾化學獎。1984年Merrifield因創(chuàng)造了固相多肽合成法對有機合成方法學和 生命化學起了巨大推動作用而獲得諾貝爾化學獎。1990年Corey在大量天然產物的全合成工作中總結并提出了逆合成分析法，極大的促進了有機合成化學的開展，因

12、此而獲得諾貝爾化學獎?，F代合成化學是經歷了近百年的努力研究、探索和積累才開展到今天可以合成像海葵毒素這樣復雜的分子分子式為 C129H223N3O54,分子量為2689道爾頓，有64個不對稱碳和7個骨架內雙鍵，異 構體數目多達271個。?？舅匚臋n收集自網絡，僅用于個人學習4高分子科學和材料20世紀人類文明的標志之一是合成材料的出現。合成橡膠、合成塑料和合成纖 維這三大合成高分子材料化學中具有突破性的成就，也是化學工業(yè)的驕傲。在此 領域曾有3項諾貝爾化學獎。1920年H.Staud in ger提出了高分子這個概念，創(chuàng)立 了高分子鏈型學說，以后又建立了高分子粘度與分子量之間的定量關系，為此而獲

13、得了 1953年的諾貝爾化學獎。1953年Ziegler成功地在常溫下用C2H5 3AITiCI4作催化劑將乙烯聚合成聚乙烯，從而發(fā)現了配位聚合反響。1955年Natta 將Ziegler催化劑改良為-TiCI3和烷基鋁體系，實現了丙烯的定向聚合， 得到了高產率、高結晶度的全同構型的聚丙烯，使合成方法-聚合物結構-性能三者聯(lián)系起來，成為高分子化學開展史中一項里程碑。為此，Ziegler和Natta共獲了 1963年諾貝爾化學獎。1974年Flory因在高分子性質方面的成就也獲得了諾 貝爾化學獎。5化學動力學與分子反響動態(tài)學研究化學反響是如何進行的，揭示化學反響的歷程和研究物質的

14、結構與其反響 能力之間的關系，是控制化學反響過程的需要。在這一領域相繼獲得過3次諾貝 爾化學獎。1956年Semenov和Hinchelwood在化學反響機理、反響速度和鏈式 反響方面的開創(chuàng)性研究獲得了諾貝爾化學獎。另外，Eigen提出了研究發(fā)生在千分之一秒內的快速化學反響的方法和技術，Porter和Norrish提出和開展了閃光光解法技術用于研究發(fā)生在十億分之一秒內的快速化學反響，對快速反響動力學研究作出了重大奉獻，他們三人共獲了 1967年諾貝爾化學獎。分子反響動態(tài)學，亦稱態(tài)-態(tài)化學，從微觀層次出發(fā)，深入到原子、分子的結構和內部運動、分子 間相互作用和碰撞過程來研究化學反響的速率和機理。李

15、遠哲和Herschbach首先創(chuàng)造了獲得各種態(tài)信息的交叉分子束技術， 并利用該技術F+H2的反響動力學， 對化學反響的根本原理作出了重要奉獻，被稱為分子反響動力學開展中的里程碑， 為此李遠哲、Herschbach和Polany共獲了 1986年諾貝爾化學獎。1999年Zewail 因利用飛秒光譜技術研究過渡態(tài)的成就獲諾貝爾化學獎。6對現代生命科學和生物技術的重大奉獻研究生命現象和生命過程、揭示生命的起源和本質是當代自然科學的重大研究 課題。20世紀生命化學的崛起給古老的生物學注入了新的活力，人們在分子水 平上向生命的奧秘翻開了一個又一個通道。蛋白質、核酸、糖等生物大分子和激素、神經遞質、細胞因

16、子等生物小分子是構成生命的根本物質。從20世紀初開始生物小分子如糖、血紅素、葉綠素、維生素等的化學結構與合成研究就多 次獲得諾貝爾化學獎，這是化學向生命科學進軍的第一步。1955年Vigneand因首次合成多肽激素催產素和加壓素而榮獲了諾貝爾化學獎。1958年San ger因對蛋白質特別是牛胰島素分子結構測定的奉獻而獲得諾貝爾化學獎。1953年和提出了 DNA分子雙螺旋結構模型，這項重大成果對于 生命科學具有劃時代的奉獻，它為分子生物學和生物工程的開展奠定了根底，為整個生命科學帶來了一場深刻的革命。Watson和Crick因此而榮獲了 1962年諾貝爾醫(yī)學獎。1960年和利用X-射線衍射成功地

17、測定了 鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的空間結構，揭示了蛋白質分子的肽鏈螺旋區(qū)和非螺旋 區(qū)之間還存在三維空間的不同排布方式，說明了二硫鍵在形成這種三維排布方式 中所起的作用，為此，他們二人共獲了1962年諾貝爾化學獎。1965年我國化學家人工合成結晶牛胰島素獲得成功，標志著人類在揭示生命奧秘的歷程中邁進了 一大步。此外,1980年 P.Berg F.Sanger和 W.Gilbert 因在 DNA 分裂和重組、DNA 測序以及現代基因工程學方面的杰出奉獻而共獲諾貝爾化學獎。1982年A.Klug因創(chuàng)造 象重組 技術和揭示病毒和細胞內遺傳物質的結構而獲得諾貝爾化學獎。 1984年因創(chuàng)造多肽固相合成技術而

18、榮獲諾貝爾化學獎。1989年T.Cech和S.Altman因發(fā)現核酶Ribozyme而獲得諾貝爾化學獎。1993年M.Smith 因創(chuàng)造寡核苷酸定點誘變法以及 因創(chuàng)造多聚酶鏈式反響技術對基因 工程的奉獻而共獲諾貝爾化學獎。1997年J.Skou因發(fā)現了維持細胞中Na離子 和K離子濃度平衡的酶及有關機理、P.Boyer和J.Walker因揭示能量分子ATP的形成過程而共獲諾貝爾化學獎。20世紀化學與生命科學相結合產生了一系列在分子層次上研究生命問題的新學 科，如生物化學、分子生物學、化學生物學、生物有機化學、生物無機化學、生 物分析化學等。在研究生命現象的領域里，化學不僅提供了技術和方法，而且還

19、 提供了理論。7對人類健康的奉獻利用藥物治療疾病是人類文明的重要標志之一。20世紀初，由于對分子結構和藥理作用的深入研究，藥物化學迅速開展，并成為化學學科一個重要領域。1909 年德國化學家艾里希合成出了治療梅毒的特效藥物胂凡納明。20世紀30年代以 來化學家從染料出發(fā)，創(chuàng)造出了一系列磺胺藥，使許多細菌性傳染病特別是肺炎、 流行性腦炎、細菌性痢疾等長期危害人類健康和生命的疾病得到控制。青霉素、 鏈霉素、金霉素、氯霉素、頭抱菌素等類型抗生素的創(chuàng)造，為人類的健康做出了 巨大奉獻。具不完全統(tǒng)計，20世紀化學家通過合成、半合成或從動植物、微生 物中提取而得到的臨床有效的化學藥物超過 2萬種，常用的就有

20、1000余種，而 且這個數目還在快速增加。8對國民經濟和人類日常生活的奉獻化學在改善人類生活方面是最有成效、最實用的學科之一。利用化學反響和 過程來制造產品的化學過程工業(yè)包括化學工業(yè)、精細化工、石油化工、制藥工 業(yè)、日用化工、橡膠工業(yè)、造紙工業(yè)、玻璃和建材工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、紡織工業(yè)、 皮革工業(yè)、飲食工業(yè)等在興旺國家中占有最大的份額。這個數字在美國超過 30%,而且還不包括諸如電子、汽車、農業(yè)等要用到化工產品的相關工業(yè)的產值。 興旺國家從事研究與開發(fā)的科技人員中， 化學、化工專家占一半左右。世界專利 創(chuàng)造中有20%與化學有關。人類之衣、食、住、行、用無不與化學所掌管之成百 化學元素及其所組成之萬千

21、化合物和無數的制劑、材料有關。房子是用水泥、玻 璃、油漆等化學產品建造的，肥皂和牙膏是日用化學品，衣服是合成纖維制成并 由合成染料上色的。飲用水必須經過化學檢驗以保證質量， 食品那么是由用化肥和 農藥生產的糧食制成的。維生素和藥物也是由化學家合成的。 交通工具更離不開 化學。車輛的金屬部件和油漆顯然是化學品， 車廂內的裝潢通常是特種塑料或經 化學制劑處理過的皮革制品，汽車的輪胎是由合成橡膠制成的，燃油和潤滑油是 含化學添加劑的石油化學產品，蓄電池是化學電源，尾氣排放系統(tǒng)中用來降低污 染的催化轉化器裝有用鉑、銠和其他一些物質組成的催化劑，它可將汽車尾氣中 的氧化氮、一氧化碳和未燃盡的碳氫化合物轉

22、化成低毒害的物質。飛機那么需要用 質強量輕的鋁合金來制造，還需要特種塑料和特種燃油。書刊、報紙是用化學家 所創(chuàng)造的油墨和經化學方法生產出的紙張印制而成的。攝影膠片是涂有感光化學品的塑料片，它們能被光所敏化，所以在暴光時和在用顯影藥劑沖洗時， 它們就 會發(fā)生特定的化學反響。彩電和電腦顯示器的顯象管是由玻璃和熒光材料制成的， 這些材料在電子束轟擊時可發(fā)出不同顏色的光。VCD光盤是由特殊的信息存儲材料制成的。甚至參加體育活動時穿的跑步鞋、溜冰鞋、運動服、乒乓球、羽毛 球排等也都離不開現代合成材料和涂料。文檔收集自網絡，僅用于個人學習2. 21世紀化學學科的開展趨勢預計21世紀學科開展的特點是各學科縱

23、橫交叉解決實際問題。對于化學學科，其自身的繼續(xù)開展和與相關學科融合開展相結合； 化學學科內部的傳統(tǒng)分支的繼 續(xù)開展和作為整體開展相結合；研究科學根本問題和解決實際問題相結合。1 尋求結構多樣性的研究與功能研究相結合面對日益增長的各種功能分子和材料 的需要，合成化學在研究內容、目標和思路上要有大的改變。未來合成化學要能 夠根據需要功能去設計、合成新結構。合成化學要不僅研究傳統(tǒng)的分子合成 化學，也應研究高級結構分子以上層次，特別是高級有序結構的構筑學Tecto nics。組合化學是基于與傳統(tǒng)的合成思路相反的反向思維，加上固相合 成技術，并受生物學大規(guī)模平行操作啟發(fā)而產生的，它在新藥物、新農藥、新催

24、化劑的研究等領域已初步顯示出強大的生命力， 這方面的研究將是一個新的生長 點。此外，發(fā)現和尋找新的合成方法是一個永久課題。2復雜化學體系的研究目前，數學、物理、生物學以至金融、社會學都在研究復雜性問題。復雜性具 有多組分、多反響和多物種的特征；結構復雜性的特征主要是多層次的有序高級 結構；而過程復雜性主要是復雜系統(tǒng)參與化學反響時所表現的過程，它由時空有序的受控的一系列事件構成；狀態(tài)變化的復雜性又是過程復雜性的表現。這些特 點在生物和無生物系統(tǒng)中廣泛存在，在工農業(yè)生產和醫(yī)療、環(huán)境等領域中也是無 處不在的，所以研究復雜系統(tǒng)的化學過程具有普遍意義。未來化學要在研究分子 層次的結構的根底上，說明分子以

25、上層次結構和結構變化的化學根底，以及結構、 性質與功能的關系。物理學從納米材料的研究結果得到啟發(fā)提出了介觀尺度概念， 并發(fā)現當物體分割到納米尺寸時微粒的性質有突變，進一步提出了量子尺寸效應。 多少年來化學家認為性質就是由原子結構的分子結構所決定的，事實上很多現象早已說明化學性質也有尺度效應，在化學性質和尺度之間也有一個飛躍， 所以未 來還要注意復雜系統(tǒng)的多尺度問題。 此外，復雜系統(tǒng)中的化學過程是研究復雜系 統(tǒng)的核心問題，因為人類所面對的生物、環(huán)境、山川、湖泊等都在變化中，未來 化學還需研究寬時間范圍的化學行為， 建立跟蹤分析方法，開展過程理論。3 新實驗方法的建立和方法學研究未來化學研究要首先

26、開展先進的研究思路、研究方法以及相關技術，以便從各 個層次研究分子的結構和性質的變化。分析儀器的微型化如生物芯片技術和 智能化是應該注意的方向。此外，要注意建立時間、空間的動態(tài)、原位、實時跟 蹤監(jiān)測技術，建立方法和儀器去研究微小尺寸復雜體系中的化學過程如掃描顯微技術 文檔收集自網絡，僅用于個人學習3. 21世紀化學的熱點研究領域1生命科學中的根本化學問題預計未來對生命體系的研究越深入，化學根本問題會越突出。這些根本問題主 要包括：生物大分子之間、生物大分子與小分子之間的各種相互作用；生物功能 分子的結構與功能關系；生命過程的復雜性等。2材料科學中的根本化學問 題材料是人類賴以生存的物質根底，每

27、種材料的特定結構決定它的特定功能和用 途，所以未了化學要研究分子結構-分子聚集體高級結構-材料結構-理化性質-功 能之間的關系，開展合成功能分子與構筑高級結構的理論與方法，模擬生物材料 形成過程。此外，分子器件的研究也是一個相當重要的領域。3可持續(xù)開展的根本化學問題一一綠色化學和環(huán)境化學綠色化學是從源頭上杜絕不平安因素， 其主導思想是在工業(yè)中采用無毒、無害的原料和溶劑，采用高選擇性的化學反響， 生產環(huán)境友好的產品；在農業(yè)中減少農藥、有害化肥、污水灌溉以及有害于環(huán)境 土壤結構和肥力的材料如塑料；在生活中減少使用有害環(huán)境的材料和過度消 耗能源。這就要求未來化學改變現有生產的化學合成路線和工藝，使其

28、成為能夠保證人類可持續(xù)開展、并與生態(tài)環(huán)境協(xié)調開展的潔凈、節(jié)能和節(jié)約的生產方式，要用新的化學品取代現在使用的有害化學品， 用新的工作方法代替現在的有害工 作方法。文檔收集自網絡，僅用于個人學習4. 未來化學的作用和地位未來化學在人類生存、生存質量和平安方面將以新的思路、觀念和方式繼續(xù)發(fā) 揮核心科學的作用。應該說，20世紀的化學科學在保證人類衣食住行需求、提 高人類生活水平和健康狀態(tài)等方面起了重大作用，21世紀人類所面臨的糧食、人口、環(huán)境、資源和能源等問題更加嚴重，雖然這些難題的解決要依賴各個學科， 但無論如何總是要依靠研究物質根底的化學學科。1化學仍然是解決食品問 題的主要學科之一化學將在設計、合成功能分子和結構材料以及從分子層次說明 和控制生物過程如光合作用、動植物生長的機理等方面，為研究開發(fā)高效安 全肥料、飼料和肥料/飼料添加劑、農藥、農用材料如生物可降解的農用薄膜、 生物肥料、生物農藥等打下根底。利用化學和生物的方法增加動植物食品的防病 有效成分，提供平安的有防病作用的食物和食物添加劑， 改良食品儲存加工方法， 以減少不平安因素等，都是化學研究的重要內容。2化學在能源和資源的合 理開發(fā)和高效平安利用中起關鍵作用在能源和資源方面，未來化學要研究高效潔凈的轉化技術和控制低品位燃料的 化學反響；新能源如太陽能以及高效潔凈的化學電源與燃料電池等都