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展望21世纪的化学(一)  
展望21世纪的化学(一)
资料类型: 暂无
关键词: 展望  世纪  化学  
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所属学科: 高分子工程
来源: 来源网络
简介:
第一篇 回顾与动向 前言第一章 20世纪化学的回顾 一、基础研究的重大突破 1.放射性和铀裂变的重大发现 2. 化学键和现代量子化学理论 3.创造新分子新结构——合成化学 4.高分子科学和材料 5.化学动力学与分子反应动态学 二、在化学基础研究推动下化学工业的大发展1.石油化工 2.三大合成材料 3.合成氨工业 4.医药工业 第二章 从20世纪末化学基础学科的动向看未来发展趋势 一、无机化学 1.现代无机合成 2.配位化学 3.原子簇化学 4.超导材料 5.无机晶体材料 6.稀土化学 7.生物无机化学 8.无机金属与药物 9.核化学和放射化学 二、有机化学 1. 有机合成化学 (1)天然复杂有机分子的全合成(2)不对称合成 2. 金属有机化学和有机催化 (1)金属有机化合物的合成、结构和性能研究(2)金属有机导向的有机反应 3. 天然有机化学 (1)天然产物的快速分离和结构分析鉴定 (2)传统中草药的现代化研究 (3)天然产物的衍生物和组合化学 (4)生物技术 4. 物理有机化学 (1)分子结构测定 (2)反应机理 (3)分子问的弱相互作用 5.生物有机化学三、物理化学 1.结构化学 2.化学热力学 3.化学动力学 4.催化 (1)多相催化 (2)均相催化 (3)光催化 (4)电催化 (5)酶催化和仿酶催化 5. 量子化学 四、高分子化学 1. 高分子合成 2. 高分子高级结构和尺度与性能的关系3. 高分子物理 4. 高分子成型 5. 功能高分子 6. 通用高分子材料及合成高分子的原料五、分析化学 1. 光谱分析 2. 电化学分析 3. 色谱分析 4. 质谱分析(MS)(1)质谱联用(2)串联质谱(3)傅立叶变换质谱FT-MS (4)整分子气化和多光子电离技术(LEIM-MUPl)5. 核磁共振(NMR) (1)提高磁体的磁场强度 (2)发展三维核磁共振技术(3D-NMR)(3)固体NMR和NMR成像技术 6.表面分析 7.放射化分析 8.单分子(原子)检测体系和仪器的研制 六、化学工程 1.化工过程的多尺度效应 2.化学反应-催化-反应器 3.非传统反应工程 (1)超临界反应工程 (2)反应-分离过程集成 (3)人为非定态反应工程 4.生化反应工程 第三章 交叉学科和热点研究领域 一、生命科学 1.生命的基础物质研究 2.遗传物质的作用 3.人类基因组计划 4.酶结构和催化功能的关系研究 5.脑科学 6.模拟生命过程和生命体系的合成 二、材料科学 1.新型导电材料 (1)半导体材料 (2)超导材料 (3)有机导体 (4)有机磁性材料2.新型光学材料 (1)非线性光学材料(2)液晶和有机电致发(3)光开关材料 3. 新型陶瓷材料 (1)工程陶瓷 (2)电气陶瓷 (3)超硬陶瓷材料 (4)热敏元件陶瓷 4. 复合材料 (1)聚合物基复合材料(2)陶瓷基复合材料(3)金属基复合材料5. 生物医学材料 6. 新型合金材料 (1)轻质合金 (2)贮氢合金 (3)超耐热合金 (4)形状记忆合金 7. 高分子材料 三、环境化学 1. 什么是环境化学 2. 环境化学的研究方向(1)环境分析化学 (2)大气环境化学 (3)水环境化学 (4)土壤环境化学 (5)元素化学循环 (6)控制污染的化学 (7)环境计算化学 四、绿色化学 1.什么是绿色化学 2.绿色化学的发展方向 (1)新的化学反应过程研究 (2)传统化学过程的绿色化学改造 (3)能源中的绿色化学问题和洁净煤化学技术(4)资源再生和循环使用技术研究 (5)综合利用的绿色生化工程 五、能源化学 1.氢能 2.燃料电池 3.生物质能源 4.太阳能电池 5.海水盐差发电 六、计算化学 1.什么是计算化学 2.计算化学的发展方向(1)研究分子结构和性能的关系 (2)研究化学反应是如何发生的 (3)预测化学反应的产物及新化合物具有什么样的化学性质(4)生物大分子的空间结构、取向和形态研究 (5)研究分子—分子体系的排列和相互作用 (6)计算机对化学过程的模拟 七、纳米化学 1.纳米化学合成 (1)纳米插层聚合 (2)相分离嵌段聚合物(3)杂化材料 (4)组装合成纳米相 2.纳米检测技术 3.纳米材料的异常行为及其用途 4.纳米化学研究动向与课题 八、手性药物和手性技术 1.什么是手性药物? 2.手性药物分类 3.如何制造手性药物? (1)手性合成 (2)手性拆分 第四章 化学工业与国民经济的关系一、农业 1.肥料2.农药 3.植物激素及生长调节剂 4.光合作用和固氮 (1)光合作用 (2)固氮 5.优良品种和基因工程 二、能源 1.煤的高效和清洁化燃烧 2.天然气的开发和利用 3.石油的开采、精炼和燃烧 4.核能利用 三、石油化工、天然气化工和煤化工1.石油化工 2.天然气化工 3.煤化工 (1)煤的拔头上艺生产液体燃料(2)煤制合成气(CO+H2) 四、健康与医药 1.基因药物 2.酶抑制剂的研究和开发 3.受体拮抗剂或阻断剂 4.手性药物 5.常见病和多发病治疗药物的研制 6.中医药现代化 五、新功能材料 1.微电子材料和器件 2.超导材料 3.新型纳米陶瓷 4.光纤通讯材料 5.聚合物结构材料 6.医用材料 六、日用化学品和精细化工第二篇 展望一、20世纪化学的回顾与未来化学学科发展的趋势 1.科技发展的基本考虑 2.20世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心科学的作用 (1)为人类进步提供物质基础 (2)在相关学科的发展中起了牵头作用 3.对20世纪末化学现状和地位的不同估计 二、未来化学的作用和地位 1.化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一 2.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 3.化学继续推动材料科学发展 4.化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障 三、21世纪化学科学发展的总趋势 1.微观与宏观相结合 2.静态与动态(过程)相结合 3.由复杂到简单,再由简单到复杂 四、未来化学研究模式 (1)从实际问题中抽出化学基本问题来研究 (2)吸收其他学科的新理论和新结果,孕育化学生长点 (3)与其他学科融合,开拓化学新领域 (4)把握动向和时机,提出新的思路和新的研究方向 (5)重视化学学科自身发展与整体科学技术的发展相结合 五、其他学科中的基本化学问题 1.生命科学中的基本化学问题 (1)生物大分子之间、生物大分子与小分子之间的各种相互作用 (2)生物功能分子的结构与功能关系的研究 (3)生命过程复杂性的研究 2.材料科学中的基本化学问题 (1)分子结构-分子聚集体高级结构-材料结构-理化性质-功能之间的关系 (2)合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法的研究 (3)分子器件的研究 (4)模拟生物材料形成过程的基础研究 3. 可持续性发展的基本化学问题——绿色化学和环境化学六、21世纪化学学科的发展方向 1.寻求结构多样性的研究与功能研究结合 (1)寻求结构复杂性和多样性的目标结构包含高级结构 (2)组合化学研究 (3)发现和寻找新合成方法 (4)结构化学与合成化学结合 2.复杂化学体系的研究 (1)复杂系统中的多层次结构研究 (2)尺度效应和多尺度问题 (3)复杂系统过程问题 3.化学信息学和高效计算机信息处理 (1)功能分子信息处理 (2)与生物衔接的化学信息学 (3)与化学反应和化学过程衔接的化学信息学 4.新实验方法的建立和方法学研究 5.跟踪、分析、模拟化学反应过程 编者附话 第三篇发言汇编21世纪的高分子化学(王佛松、何天白)化学研究的空白区和未来发展的前沿(王夔) 微系统与化学(田中群) 化学的新问题:仿生自组装和开发植物能源(朱清时、阎立峰)21世纪的核化学与放射化学展望(刘元方) 充满希望的新世纪对21世纪化学学科发展一些看法(吴毓林)化工过程中的多尺度效应(李静海) 生命科学进展中的化学机遇(张礼和) 化学计量学与21世纪的化学(俞汝勤、梁逸曾) 展望21世纪的分析科学(黄本立) 后记 前言现在很多人在预测21世纪学科发展前景。推测21世纪的化学会在哪些方面有历史性突破?什么是未来化学的新生长点?它会发展成什么样的学科?它在整个科学体系中占有什么地位?从另一方面看,21世纪中化学会遇到来自哪一方面的挑战?会遇到什么难题?会陷入什么困境?绝大多数化学工作者都会思考这些问题,但是实际上谁也说不清这些问题。如果我们一个一个地来考察科学技术领域中的重要发现和创造,似乎都发生在偶然的机会之中;而且,好像计划制订得越明确、预期目标越清楚、实验方案越合理、可行,就越不大可能有重大突破。那么,是否科学研究中的创新既不可能预见,也不可能有计划地达到呢?走不是人们只能随着科学发展的潮流,等待机遇呢?实际上,我们只要温故以知新,还是可以看出发展的动向来的。在19世纪末到20世纪初,有几个重要动向决定了20世纪的化学发展方向。周期律、原予结构、放射性、人工放射性元素、量子论以至量子化学等等形成了贯穿100年的向物质的微观本质深入的一条主线。另外,从热力学到动力学,从平衡态到非平衡态,这是化学宏观研究的另一条主线l从制备到合成,从无机化合物到有机化合物,从小分子到高分子,从简单分子到复杂分子,这条合成化学发展途径也是从19世纪末发展到20世纪中去的。这说明,可以从分析目前发展动向去看未来若干年的发展方向。在这一部分中我们将给读者展示化学各个领域过去的历史和目前的动向,希望读者能够从中找到未来化学发展的方向。 学科的划分、融合和重组,恐怕是不能停止的,而且越来变化越快。化学诞生之后渐渐形成无机化学、有机化学、分析化学和物理化学等少数几个分支学科。如此发展了上百年。但是,一方面随着研究的细化,它们又分化成新的学科;另一方面又因为实际问题大多数是综合的,不能早靠一个分支学科所能解决。因此又不断交叉、融合,产生另外一些新学科。在这一部分,先讨论各个传统分支学科的动向,然后再讨论交叉学科的动向。 这一部分是根据1999年在香港由香港理工大学主办、有两岸三地主要化学家参加的“21世纪化学前景讨论会”上的发言,集思广益编写而成的。初稿又经过许多化学家提出意见,作了许多修改和补充。得奖年份获奖者国籍获奖时年龄(岁)获奖成就1999A.H.Zewail美国53飞秒激光技术研究超快化学反应过程和过渡态1998W.KohnJ.A.Pople美国英国7573发展了电子密度泛函理论发展了量子化学计算方法1997J.SkouP.BoyerJ.Walker丹麦美国英国797956发现为此细胞中钠钾浓度平衡的酶,并阐明起作用机理发现了能量分子三磷酸腺苷的形成过程1996R.F.CurlR.E.SmalleyH.W.Kroto美国美国英国585357发现C601995M.MolinaS.RowlandP.Crutzen墨西哥美国荷兰526862研究大气环境化学,特别在臭氧的形成和分解研究方面做出的贡献1994G.A.Olah美国67碳正离子化学的研究1993M.SmithK.B.Mullis加拿大美国6148寡聚核苷酸定点诱变法对基因的贡献多聚酶链式反应技术对基因的贡献1992R.A.Marcus美国69电子转移反应理论1991R.R.Ernst瑞士58高分辨核磁共振谱法的发展1990E.J.Corey美国62有机合成的逆合成分析法1989T.CechS.Altman美国美国4150Ribozyme(核糖核酸酶)的发现1988J.DeisenhogerH.MichelR.Huber德国德国德国454051测定了细菌光合反应中心膜蛋白-色素复合体的三维结构,为光化学反应做出的贡献1987C.J.PedersenD.J.CramJ.M.Lehn美国美国法国836848开创主-客体化学,超分子化学,冠醚化学等新领域1986李远哲D.R.HerschbachJ.Polanyi美籍华人美国加拿大505455发展了交叉分子束技术,红外线化学发光方法,对微观反应动力学研究做出的贡献1985H.A.HauptmanJ.Kale美国美国6867发明了X-射线衍射确定晶体结构的直接计算方法,对分子晶体结构测定方法做出的贡献1984R.B.Merrifield美国63发明了固相多肽合成法1983H.Taube加拿大68在金属配位化合物电子转移反应机理研究中做出的贡献1982A.Klug英国56创造了“象重组”技术,揭示病毒结构1981Kenich FukuiR.Hoffmann日本美国6344提出前线轨道理论提出分子轨道对称守恒原理1980P.BergF.SangerW.Gilbert美国英国美国546248DNA分裂和重组研究,确定DNA内核苷酸排列顺序的方法,开创了现代基因工程学1979H.C.BrownG.Wittig美国德国6782在有机合成中发展了有机硼、有机磷试剂和反应1978P.Mitchell英国58用化学渗透理论研究生物能的转换1977I.Prigogine比利时60研究非平衡的不可逆过程热力学,提出了耗散结构理论1976W.N.Lipscomb,Jr美国57有机硼化合物的结构研究,发展分子结构学说和有机硼化学1975J.W.CornforthV.Prelog英国瑞士5869酶催化反应的立体化学研究有机分子和反应的立体化学研究1974P.J.Flory美国64高分子物理化学理论和实验力面的基础研究1973G,WilkinsonE.O.Fischer英国德国5245研究二茂铁结构,发展了金属有机化学和配合物化学1972C.B.AnfinsenS.MooreW. H.Stein美国美国美国565961研究核糖核酸酶分子结构和催化反应活性中心1971G.Herzberg加拿大67分子光谱学和自由基电子结构的研究1970L.F.Leloir阿根廷64在糖生物合成中发现了糖核苷酸的作用1969D.H.R.BartonO.Hassel英国挪威5172发展分子空间构象概念分析及其在化学中的应用1968L.Onsager美国65不可逆过程热力学研究1967M.EigenR.G.W.NorrishG.Porter德国英国英国407047用弛豫法、闪光光解法研究快速化学反应1966R.S.Mulliken美国70创立了分子轨道理论,阐明了分子共价键本质和电子结构1965R.B.Woodward美国48在天然有机化合物的合成方面作出重大贡献1964D.C.Hodgkin英国54重要生物大分子的结构测定1963K.ZieglerG.Natta德国意大利7060发明了Ziegler-Natta催化剂,首次合成了定向有规高聚物1962M.F.PerutzJ. C. Kendrew英国英国4845研究蛋白质结构的杰出贡献1961M.Calvin美国50研究植物中CO2进行的光合作用1960W.F.Libby美国52发明了14C测定地质年代的方法1959J.Heyrovsky捷克69发明极谱分析法1958F.Sanger英国40对蛋白质结构特别是胰岛素结构的测定1957A.Todd英国50对核苷酸和核苷酸辅酶的研究1956C.N. HinchelwoodN.Sernenov英国前苏联5960对化学反应机理和链式反应的研究1955V.du Vigneand美国54对生物化学上重要含硫化合物的研究,第一次合成多肽激素1954L.Pauling美国53对化学键本质的研究并用于阐明复杂物质的结构1953H.Staudinger德国72高分子化学方面的杰出贡献1952A.J.P.Martin R.L.M.Synge英国英国 4238发明分配色层分析法1951E.M.Mcmillan G.Seaborg美国美国44 39发现超铀元素1950O.DielsK.Alder德国德国7448发现了双烯合成反应,即Diels- Alder反应1949W.F.Giaugue美国54对化学热力学特别是超低温下物质性质的研究1948A.W.K.Tiselius瑞典46对电泳和吸附分析的研究,发现了血清蛋白1947R.Robinson英国61对生物活性的植物成分研究,特别是生物硷研究1946J.B. SumnerJ.H.NorthropW.M.Stanley美国美国美国555942发现酵的类结晶法分离得到纯的酶和病毒蛋白1945A.J.Virtarnen荷兰50发明了饲料贮存保鲜方法,对农业化学和营养化学作出贡献1944O.Hahn德国65发现重核裂变1943G.Heresy匈牙利57利用同位素示踪研究化学反应1942无1941无1940无1939A.F.J.ButenandtL.Ruzicka德国瑞土3652性激素研究聚亚甲基多碳原子大环和多萜烯研究1938R.Kuhn德国38维生素和类胡萝卜素研究1937W.N.HaworthP.Karrer英国瑞士5448发现了糖类环状结构和合成Vc胡萝卜素、核黄素及维生素A和B2的研究1936P.Debye荷兰52提出了极性分子理论,确定了分子偶极矩的测定方法1935F.Joliot-CurieI.Joliot-Cude法国法国3538合成了新的人工放射性元素1934H.C.Urey美国 41发现重水和重氢同位素1933无1932J.Langmuir 美国51表面化学研究1931C.Bosch F.Bergius德国德国5747发明和发展了化学高压法1930H.Fischer德国49血红素和叶绿素的结构研究,合成了高铁血红素1929A.HardenH.von Euler-Chdvin英国法国6456糖的发酵和酶在发酵中作用的研究1928A.Windaus法国52甾醇的结构测定和维生素D3合成1927H.Wiehnd德国50发现胆酸及其化学结构1926 T.Svedberg瑞士42发明超迷离心机并用于高分散胶体物质研究1925R.Zsigmondy德国60对胶体化学研究的卓越贡献1924无1923F.Pregl奥地利54确定有机化学微量分析方法1922F.W.Aston英国45发明了质谱仪,发现了许多非放射性同位素及原子量的整数规则1921F.Soddv英国44对放射性化学物质的研究及对同位素起源和性质的研究1920W.Nernst德国56热化学研究1919无1918F.Haber德国50氨的合成1917无1916无1915R.Willstatter德国43对叶绿素和植物色素的研究1914Th.Richards美国46 精密测定了许多元素的原子量1913A.Wether瑞士47金属络合物的配位理论1912V.GrignardP.Sabatier法国法国4158格林尼亚试剂的发明有机化合物的催化加氢1911M.Curie波兰44发现放射性元素钋和镭1910O.Wallach德国63对脂环族化合物的开创性研究1909W.Ostwald德国56催化研究,电化学和化学反应动力学的研究1908E.Rutherford英国37元家嬗变和放射性物质的化学研究1907E.Buchner德国47发酵的生物化学研究1906H.Moissan法国54制备单质氟,发展了一种高温反射电炉1905A.von Baever德国70对有机染料和氢化芳香化合物的研究1904W.Ramsay英国52在大气中发现惰性气体,并确定它们在元素周期表中的位置1903S.Arrhenius瑞典44电离理沦1902E. Fisher德国50糖类和嘌呤化合物的合成1901J.H.van’t Hoff荷兰49溶剂中化学动力学定律和渗透压定律从上述诺贝尔化学奖得者的年龄来看,最老的是1987年C.J.Pedersen为83岁,最少的是1935年F.Joliot-Curie为35岁,91届诺贝尔化学奖获得者的平均年龄为55.5岁。当然这是获奖时的年龄,而他们的重大发现可能在10年或20年以前,其间要经过长期的考验和评价,但从平均年龄55.5岁来看,确是“冰冻三尺非一日之寒”。二、在化学基础研究推动下化学工业的大发展 化学工业在20世纪初崛起。从煤焦油衍生的染料、炸药、酚醛树脂、药物等一系列化学工业以及合成氨、酸、碱等基本化学工业为解决衣食住行问题起了重大作用。在后半个世纪化学工业趋于科学化。一方面由于化学基础研究的一些重大突破,推动了化学工业的大发展,使与化学相关的工农业务领域均相应地得到很大的进展;一方面它们又通过不断提出问题和要求,推动了化学基础研究。下面将分别列举国民经济中一些重要的化学工业的发展。1.石油化工 这是世界经济发展中占重要地位的工业领域。世界化工总产值为1万亿美元左右,其中80%以上的产品均与石油化工有关。世界石油探明储量为1.4万亿吨左右,石油炼制和加工已成为国民经济的支柱产业。 石油化工从炼油开始,到分子量较小的每一种碳氢化合物(如乙稀、丙烯等)的生产均离不开催化,催化剂已成为石油化工的核心技寐;本世纪30年代催化剂进入于石油化工的大门,原油裂化成石油费晶的催化裂解,使石油的各种馏分成为各种不同用途的化工产品。如表2所示。 第二章 从20世纪末化学基础学科的动向看未来发展趋势 力的发展。 为了较为详细的分析目前学科动向以便展望今后化学发展趋势,下面将按二级学科:无机化学,有机化学,物理化学,高分子化学,分析化学和化工科学等六个方面来叙述。事实上这些学科间的界限越来越模糊,解决实际问题必须学科综合。今后学科重组势在必然。创新和突破可能在那些新的领域中有更多的机会。一、无机化学 人们周围发生的和利用的化学过程许多是无机化学过程。人们周围的物质和所创造的物质也有很多是无机物。 无机化学是研究无机物的组成、结构、性质和无机化学反应与过程的化学。无机物种类繁多,包括在元素周期表上除碳以外的所有元素以及由这些元素生成的各种不同类型的无机物,因此无机化学的研究范围极其广阔。21世纪无机化学研究的立足点在哪里,可以从以下几个动向来探讨。1.现代无机合成 无机化合物涵盖周期表上碳以外各元素构成的物质,所以种类甚多,而且各种无机物的合成方法差别较大,无机合成化学中未经开拓的领域很多,新型无机物合成有很宽广的前途。发现一种新的合成方法或一种新型结构,将就有一系列新的无机化合物出现,如夹心式化合物、笼状、簇状、穴状化合物等;而且很多无机化合物都具有特殊的功能,如激光发射、发光、高密度信息存储、永磁性、超导性、能源、传感等,均有广泛的应用前景。 现代无机合成化学首先要创造新型结构,寻求分子多样性;同时应注意发展新合成反应、新合成路线和方法、新制备技术及对与此相关的反应机理的研究。注意复杂和特殊结构无机物的高难度合成,如团簇、层状化合物及其特定的多型体(po1ytypes)、各类层间的嵌插(intercalation)结构及多维结构的无机物。研究特殊聚集态的合成,如超微粒、纳米态、微乳与胶束、无机膜、非晶态、玻璃态、陶瓷、单晶、晶须、微孔晶体等。在极端条件下,如超高压、超高温、超高真空、超低温、强磁场、电场、激光、等离子体等,可能得到多种多样的在一般条件下无法得到的新化合物、新物相和新物态。如在高真空、无重力的宇宙空间条件下的无机合成,可能会合成出没有位错的高纯度晶体。总之现代无机合成在21世纪会有所突破。2.配位化学 A.Werner创立的配位学说是化学历史中的重要里程碑。他打破了以前的共价理论和价饱和观念的局限;建立分子间新型相互作用,展现出在这之前想不到的新领域。在Werner之后,有人研究配合物形成和它们参与的反应;有人则研究配位结合和配合物结构的本质。很快配位化学就成为无机化学研究中一个主要方向,成为无机化学与物理化学、有机化学、生物化学、固体物理和环境科学相互渗透、交叉的新兴学科。 配合物的类型迅速增加。从最初简单配合物和螯合物发展到多核配合物、聚合配合物、大环配合物;从单一配体配合物发展到混合配体配合物,从研究配合物分子到研究由多个配合物分子构筑成的配合物聚集体。在20世纪中叶,Irving,Williams,Perrin创立了溶液配位化学。而Sillen和Stumm又由溶液配位化学研究导致后来的水化学、环境配位化学,直到Perrin,Williams建立多金属多配体计算机模型。另外,对配位结构的微观研究产生了配位场理论,丰富了量子化学理论,扩大了结构化学领域。 配位化学从60年代起就与生命科学结合,成为生物无机化学产生的基础。陆续发现配合物的良好催化作用在有机合成、高分子合成中发挥了极大作用。 配位化学的另一个具有发展前景的领域是对具有特殊功能(如光、电、磁、超导、信息存储等)配合物的研究。3.原子簇化学金属原子簇化合物的发现开拓了又一个新领域,其后逐渐形成了一门新兴的化学分支学科——金属原子簇化学。20世纪70年代后由于化学模拟生物固氮、金属原子簇化合物的催化功能、生物金属原子簇、超导及新型材料等方面的研究需要,促使金属原子簇化学快速发展。建立了一些合成方法,并且用结构化学和谱学等实验手段了解了一些金属簇合物结构与性能的关联。在此基础上探求成簇机理,从理论上研究其成键能力和结构规律。目前已有多种学说,如Lipscomb的硼烷三中心键模型,Sidgwick等的有效原子数(EAN)规则,Wade的多面体骨架成键电子对理论,Cotton的金属—金属多重键理论,Lauher的金属原子簇的簇价轨道(CVMO)理论,Mingos的多面体簇骼电子对理论,张文卿的金属原子簇拓扑电子计算理论,唐敖庆的成键与非键轨道数的(9n—L)规则,卢嘉锡的类立方烷结构规则,徐光宪的n×cp结构和成键规则及张乾二的多面体分子轨道理论等,从不同角度论述了金属原子簇的内在结构规律。但这些规律均存在一定的局限性,尚没有一个较为完善的理论来概括和解释金属原子簇化合物的实验结果。在这一领域内,仅1976年W.N.Lipscomb因其有机硼化合物结构研究而获诺贝尔化学奖;挑战和机遇并存,有待化学家们继续去努力和解决。4.超导材料 众所周知,超导现象是1911年H.K.Onnes发现的。当汞冷却到4 K时,其电阻突然消失。这种超导现象提供了十分诱惑的工业前景,但4K的低温让人们失去了应用的信心。直到1986年IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的J.G.Bednorz和K.A.Mueller报道了一种铜、氧、钡和镧组成的陶瓷材料具有超导性能,转变温度为30 K,这是一种完全与过去已知超导体不同的新型材料,才激起了当时世界的超导热。世界各国不少科学家相继投入到研制超导材料的热潮中,而后美国休斯顿大学的朱经武等很快研制成功一种含钇和钡的铜氧化物YBa2Cu307,其转变温度在90 K,进入了液氮温度区(氮在77K变为液体,所以可用液氮作为致冷剂使材料呈现超导性能)。1988年又研制出了转变温度为125 K的新型超导材料T12Ca2Ba2Cu3010。至今又是10多年过去了,与室温超导材料的前景尚有很大距离,21世纪能否在室温超导材料上有重大突破?这是对化学家和物理学家提出的挑战! 关键在于这些混合氧化物的超导机理至今尚未被科学家们认识和理解。混合氧化物的超导性一直是物理学家研究的课题,其现在所得到的一些认识和规律没有充分注意到化学结构基础。因而人们不能解释混合氧化物超导体为什么离不开Cu、Ba、Y和Bi这些元素;不能解释它们的组成为什么和超导性有关;也不能解释电子在这类材料结构中的运动和超导性的关系。简单地说20世纪是以室温超导的物理学研究为主;21世纪室温超导化学必然发展。5.无机晶体材料 20世纪60年代出现了激光技术,由于其在方向性、相干性、单色性和高储能性质等方面的突出优点引起了工业、农业、信息、军事等方面的极大兴趣。然而激光技术本身需要对激光光源进行变频、调幅、调相、调偏等处理后才能起到信息传递的媒介和能源的作用。这与晶体的非线性光学效应有关,要依靠非线性光学晶体来完成这一处理过程。这就给无机化学提供了一个研究具有非线性光学性质的无机晶体的极好机遇。目前已有优质紫外倍频材料低温偏硼酸钡(BBO)晶体,其空间群为R3c。这是目前输出相干光波长短、倍频效应大、抗光损伤能力高、调谐温度半宽度较宽的紫外非线性光学晶体。类似性能的晶体还有LBO、NAB等。 另一类无机晶体是闪烁晶体,可作为高能粒子如电子、g-射线等的探测器。如BGO晶体(锗酸铋、Bi4Ge3012)具有发光性质。当一定能量的电子、g-射线、重带电粒子进入BGO时,它能发出蓝绿色的荧光。记录荧光的强度和位置,就能计算出入射粒子的能量和位置。现已广泛应用在高能物理、核物理、核医学、核工业、地质勘探筹方面。这类具有特殊功能的无机晶体的合成和生长是固体无机化学研究的一个生长点。其他如人造水晶、金刚石、氟金云母晶体等各种无机功能晶体也是目前的几个发展动向。这一领域会研究出更多、更好的具有特殊功能的晶体材料,将会是21世纪无机化学发展的重要方面。 6.稀土化学 稀土是中国的丰产元素,世界稀土资源的80%在中国,稀土包括原子序数57~71的15个元素,再加元素周期表同属Ⅲ副族的钪和钇,共计17个元素。稀土元素外层电子结构基本相同;而内层电子结构4f电子能级相近。20世纪经过大量的研究工作,发现稀土在光、电、磁、催化等方面具有独特的功能。如含稀土的分子筛在石油催化裂化中可使汽油产率大大提高;硫氧钇铕在电子轰击下产生鲜艳的红色荧光,可使彩电的亮度提高1倍;稀土永磁材料用于电机制造,可缩小体积,做到微型化和高效化;在高温超导材料中也缺不了稀土元素;稀土元素在农业生产上有增产粮食的作用等。因此研究稀土元素的性质和功能在21世纪将具有重大的科学意义和应用前景。 稀土元素由于外层电子结构基本相同,使分离单一稀土元素就相当困难。目前虽有离子交换法、络合萃取法等分离方法,但生产单一稀土元素的成本是很高的,因此稀土元素本身的化学工作还需深入研究,有待获得单一稀土元素的快速简易的好方法。同时稀土元素作为材料研究,在激光、发光、信息、永磁、超导、能源、催化、传感、生物等领域将会作为主攻方向。7.生物无机化学 生物无机化学酝酿于20世纪50年代,诞生于60年代。在短短的半个世纪有了很大发展。回顾这段历史对于人们今后如何开展生命科学中的化学问题研究颇有启发。早在化学与生物学融合而又分化出生物化学的时候,就孕育着从生物化学中再分化的问题。生物化学研究的对象是各种生物功能分子,生物学家多注意功能,但是化学进入这个领域之后,更注意结构与功能的关系。当时最为直接的结构测定方法是X-射线晶体结构分析,而获得生物大分子单晶是一个难题。当Perutz因其对肌红蛋白和血红蛋白的结构和作用机理研究而获得诺贝尔化学奖时生物无机化学就开始萌芽。于是在生物化学和结构化学之间开始结合,产生了一个以测定生物功能分子结构和阐明作用机理为内容的新领域。与此同时,在生物化学深入到涉及金属离子的生物过程时,必然地与当时正在迅速发展起来的配位化学结合。原来研究溶液配位化学的主要学者均纷纷研究生物配体和金属离子的溶液化学。R.J.P.Williams,D. D.Perrin,K.B.Yatzimirskii,D.R.Williams等等先后进入这个领域,使之成为生物无机化学的另外一个分支。到后来人们认为,晶体结构与生物介质中的结构未必相同,应该研究溶液中的结构和构象。恰在此时,核磁共振技术大发展,为研究生物大分子的溶液结构创造了条件。于是开拓了结构化学和溶液化学结合、探索含金属生物大分子结构与功能关系的新领域。生物无机化学的另外一个分支是通过合成模型化合物或结构修饰研究结构—机理关系,它是合成化学介入生物无机化学的结果。这三个分支构成了延续30多年的生物无机化学的主流。虽然研究思路和方法有所改变,但是这些研究都是以认识含无机元素的生物功能分子的结构和功能关系为目的,大都采取分离出单一生物分子,测定其结构,研究有关反应机理以及结构与功能关系的研究模式。虽然这样的研究取得了许多重要成果,使人们对必需元素和含它们的生物分子认识更加深入。但是近年来,这种传统生物无机化学研究受到一系列实际问题的挑战。归结起来,这些实际问题大都涉及无机物的生物效应,或者说生物体对无机物的应答问题。例如无机药物的作用机理,无机物中毒机理、环境物质和能损伤生物体的机理等。在这类问题的研究中,共同的核心问题是从分子、细胞到整体三个层次回答构成药理、毒理作用的基本化学反应和这些反应引起的生物事件。这类研究促使人们把生物无机化学提高到细胞层次,去研究细胞和无机物作用时细胞内外发生的化学变化。这些化学变化是生物效应的基础。 不可忽视生物无机化学半个世纪的发展对无机化学的启发和推动作用。例如,混合配体配合物化学、多金属多配体体系的化学、金属的异常价态、金属-硫簇化学、分子内和分子间电子传递、自由基化学等等。显然生物无机化学在未来既可以推动生物学发展,也可以促进化学向新的层次开拓。 8.无机金属与药物 古代医药大都取材于自然界,不仅取自植物,动物,矿物也常被药用。但由于重金属砷、汞、锑等无机化合物的毒性较大而逐渐被合成有机药物所替代。近年来,随着科技发展、认识深化和新的发现,对以金属为基础的药物有了新层次的认识。1965年美国Rosenberg在研究电场对大肠杆菌生长速度的影响时,发现所用的铂电极与营养液中的成分形成的六氯合铂和一些顺式的含铂络合物能够抑制大肠杆菌的细胞分裂,但对细菌生长的影响却很小。这一偶然的发现引起了广泛的关注,美国癌症研究所立即组织对这些络合物进行广泛的研究和临床试验。结果表明,含铂络合物抑制癌细胞的分裂有显著疗效。现已证实多种顺铂([Pt(NH3)2C12])及其一些类似物对子宫癌、肺癌、睾丸癌有明显疗效。在中药复方中有使用金属金的经验,但不知其机理。最近发现含金化合物的代谢产物[Au(CN)2]-有抗病毒作用,而且金化合物可以抑制NADPH氧化酶,从而阻断自由基链传递,有助于终止炎症反应。另外中药复方中使用砒霜和雄黄,最近发现三氧化二砷促进细胞凋亡,使现代医学接受了用砷化合物做治疗用的可能性。目前用钒化合物治疗糖尿病、用锌化合物预防治疗流感,都已成功的在临床试用。人们处在无机药物的复兴时期。 这些金属化合物被发现具有药物的治疗作用,说明人们对无机金属及其化合物的药理作用已在深化和逐步认识。特别是我国含矿物的中药复方,其治疗效果是肯定的,但其中的药理作用和化学问题尚须不断研究和进一步深入,这一领域在21世纪将会成为医药研究的一个重要发展方向。 9.核化学和放射化学 20世纪上半叶,从发现放射性元素、核裂变、人工放射性,到核反应堆的建立,核爆炸的毁灭性破坏等,核化学和放射化学一直是十分活跃和开创性的前沿领域。但到了后半个世纪,由于核电站和核武器发展的需要,核化学和放射化学转向以生产和处理核燃料为中心,自身的科学研究和新的发现相对减少。放射性同位素和核技术在分析化学、生命科学、环境科学、医学等方面紧密结合,使其应用和交叉研究蓬勃发展起来。从目前的动向看,核化学和放射化学的发展主线大体有如下几方面。 (1)超重元素“稳定岛”能找到吗? 20世纪60年,Myers和Nilsson等核物理学家从核内存在着核子壳层和幻数的理论模型出发,提出了超重元素存在“稳定岛”的学说,即在核质子数Z=114和中子数N=186的幻数附近,有一些超重原子核特别稳定,其寿命可能长达若干年甚至1015年,这些长寿命的超重元素构成了一个“稳定岛”。在这一学说吸引下,近30多年来无数核科学家通过各种方法从自然界和核反应中去寻找这个梦寐以求的境地——稳定岛。至1999年6月,世界上三个大实验室,美国的Lawrence Berkeley实验室(LBL),德国的Darmstadt重离子研究会(GSI)和位于俄罗斯的Dubna联合核子研究所(JINR),分别用重粒子轰击的方法合成了超重元素114、116和118,但由于加速器流强不够和反应截面在10-12靶,所以只获得了极少几个原子,有关证实研究已在重覆进行。这意味超重元素“稳定岛”将有可能存在。可以设想21世纪重粒子加速器的流强增大,使产生超重元素的原子数目大增,再加上分离、探测仪器的改进,超重元素的化学研究将有现实性了,有人预言“稳定岛”的发现者将会荣获诺贝尔化学奖或物理奖。 (2)核医学和放射性药物 现代核医学的重要支柱是放射性药物,主要用于多种疾病的体外诊断和体内治疗,还可在分子水平上研究体内的功能和代谢。21世纪将在单光子断层扫描仪(SPECT)药物方面有新的突破;将会用放射性标记的放免活性和专一性极强的“人抗人”单克隆抗体作为“生物导弹”,定向杀死癌细胞;而中枢神经系统显像将推动脑化学和脑科学的发展。(3)核分析技术将以其高灵敏度等优点向纵深发展 放射性示踪技术和核分析技术始终因其灵敏度很高的优点在各个领域中得到广泛 这是有机化学中最重要的基础学科之一,它是创造新有机分子的主要手段和工具,发现新反应、新试剂、新方法和新理论是有机合成的创新所在。有机合成的基础是各类基本合成反应,不论合成多么复的应用。核分析方法未来将在分析化学中大有作为,如物种分析 (speciation),分子活化分析,生物-加速器质谱学(bio-accelerator mass spectrometry,Bio-AMS),粒子激发X-射线发射(particle induced X-ray emission,PIXE)包括扫描质子微探针(scanning proton microprobe,SPM)、a-粒子质子X-射线谱仪(alpha proton X-ray spectrometer,APXS)等各种新型结构和功能的分析仪器水为未来人类认识大自然提供有利的武器。 综上所述,无机化学的研究范围极其广阔,在21世纪的展望畔只能重点列举这九个方面,不可能面面俱到。最关键的是创新和甚现,一旦有了新的发现和突破,就又可能发展成为一个新的研究和应用领域。二、有机化学 20世纪的有机化学,从实验方法到基础理论都有了巨大的进展,显示出蓬勃发展的强劲势头和活力。世界上每年合成的近百万个新化合物中约70%以上是有机化合物。其中有些因其所具有的特殊功能而用于材料、能源、医药、生命科学、农业、营养、石油化工、交通、环境科学等与人类生活密切相关的各行各业中,直接或间接地为人类提供大量的必需品。与此同时,人们也面对天然的和合成的大量有机物对生态、环境、人体的影响问题。展望未来,有机化学将使人们优化使用有机物和有机反应过程。 有机化学的迅速发展产生了不少分支学科(三级或四级学科),包括有机合成、金属有机、元素有机、天然有机、物理有机、有机催化、有机分析、有机立体化学等,下面将选择其中的一部分分支学利分别概述和展望。1.有机合成化学 ②多种构象分析方法的研究,如NMR多维谱、X-射线衍射激光拉曼光谱及荧光圆二色散等手段在构象分析中的应用。 ③从构象分析和分子力学计算出发的结构与功能关系的研究以及设计合成类似物的研究。 ④生物大分子的合成及应用研究,包括合成方法,模拟和改造天然活性肽,创造新功能的蛋白质分子,合成具有特殊生物功能的寡糖,合成反义寡核苷酸及其多肽,与共轭物,并开发这些合成物质在医学和农业上的应用研究。 ⑤生物膜化学和信息传递的分子基础的化学研究。 ⑥生物催化体系及其模拟研究,包括催化性抗体和催化性核酸的研究。 ⑦生物体中含量微少而活性很强的多肽、蛋白质、核酸、多糖的研究,包括分离、结构、功能和合成等。 ⑧光合作用中的化学问题。三、物理化学 现代物理化学是研究所有物质体系的化学行为的原理、规律和方法的学科。涵盖从微观到宏观对结构与性质的关系规律、化学过程机理及其控制的研究。它是化学以及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础。在物理化学发展过程中,逐步形成了若干分支学科:结构化学,化学热力学,化学动力学,液体界面化学,催化,电化学,量子化学等。20世纪的物理化学随着物理科学发展的总趋势偏重于微观的和理论的研究,取得不少起里程碑作用的成就,如化学键本质、分子间相互作用、分子结构的测定、表面形态与结构的精细观察等等。目前看来有三个方面的问题:一是宏观和介观研究应该加强;二是微观结构研究要由静态、稳态向动态、瞬态发展,包括反应机理研究中的过渡态问题,催化反应机理与微观反应动力学问题等;三是应该参与到复杂性研究中去,在物质体系中化学复杂性是直接关系人类生存与进步的,也是可以用实验方法研究的。总之,留给21世纪物理化学家的问题甚多。1.结构化学 结构化学研究从单纯为了阐明分子结构已发展到研究物质的表面结构、内部结构、动态结构等。结构分析可借助于现代波谱技术和衍射分析来进行,最直接的测定是晶体结构分析,它可分为两类,即X-射线衍射分析和显微成像方法。能“看到”原子的原子层次分辨的各种显微技术将会给结构化学家提供有力的武器,来探索生物大分子、细胞、固体表面等的结构和变化。1982年诺贝尔化学奖得主A.Klug开创了“晶体电子显微学”,并用于揭示核酸—蛋白质复合物的结构。这种三维重构技术使电子显微镜的视野从二维空间发展到三维空间。A.M.Cormack发明了X-射线断层诊断仪(CT)用于医学诊断,获得1979年诺贝尔生理学或医学奖。总之在结构化学领域随着分析仪器和测定精度的日新月异,新型结构分析仪器的不断推陈出新,结构化学在21世纪将会大展宏图。生物大分子的结构研究过去主要依赖X—晶体结构分析做静态研究。由于实际上它们都是在溶液中发挥功能,而且它们的结构是易变的,所以20世纪后期用核磁共振谱法研究大分子在溶液中的动态结构引起人们重视(R.Ernst,1991年诺贝尔化学奖)。催化剂研究推动了表面结构研究,用STM或AFM以及其它谱学方法研究催化表面的结构以及催化过程,也都有重要成果。2.化学热力学 这是物理化学中较早发展起来的一个学科。它用热力学原理研究物质体系中的化学现象和规律,根据物质体系的宏观可测性质和热力学函数关系来判断体系的稳定性、变化方向和变化的程度。1968年L. Onsager因研究不可逆过程热力学理论和1977年I.Prigogine因创立非平衡热力学提出耗散结构理论而分别获得诺贝尔化学奖,这标志着非平衡态热力学研究取得了突破性的进展。热力学第一、二、三定律虽是现代物理化学的基础,但它们只能描述静止状态,在化学上只适用于可逆平衡态体系,而自然界所发生的大部分化学过程是不可逆过程。因此对于大自然发生的化学现象,应从非平衡态和不可逆过程来研究。21世纪的热点研究领域有生物热力学和热化学研究,如细胞生长过程的热化学研究、蛋白质的定点切割反应热力学研究、生物膜分子的热力学研究等;另外,非线性和非平衡态的化学热力学与化学统计学研究,分子-分子体系的热化学研究(包括分子力场、分子与分子的相互作用)等也是重要方面。3.化学动力学 化学动力学是研究化学反应速率和机理的学科。其主要目的是阐明化学反应进行的条件对化学反应过程速率的影响,了解化学反应机理,探索物质结构与反应能之间的关联。20世纪化学动力学有两大突破:一是N.Semenov的化学链式反应理论,获1956年诺贝尔化学奖;另一个是D.R.Herschbach与李远哲的微观反应动力学的研究,发展了交叉束方法,并应用于化学反应研究,获1986年诺贝尔化学奖。再则是A.H.Zewail用飞秒激光技术研究超快过程和过渡态。由于这一贡献,Zewail获1999年诺贝尔化学奖。化学动力学作为化学的基础研究学科将会在21世纪有新的发展,如利用分子束技术与激光相结合研究态-态反应动力学,用立体化学动力学研究反应过程中反应物分子的大小、形状和空间取向对反应活性以及速率的影响,以及用飞秒激光研究化学反应和控制化学反应过程等。4.催化 催化剂是化学研究中的永久的主题。催化是自然界存在的促进化学反应速度的特殊作用,生物体内产生的化学反应均藉助于酶催化。生物催化如此定向、如此精确地进行着,至今人们还难于模拟酶催化反应。催化剂是一种加速化学反应而在其过程中自身不被消耗掉的物质,它可使化学反应速度增大几个到十几个数量级。只要有化学反应,就有如何加快反应速度的问题,就会有催化剂的研究。在化工生产(如石油化工、天然气化工、煤化工等)、能源、农业(光合作用等)、生命科学、医药等领域均有催化剂的作用和贡献。 根据催化剂的物理和化学性质,可将其分为以下几类。 (1)多相催化 这类催化剂是固体材料如分子筛、金属、金属氧化物、硫化物等。催化反应发生在固-气相的界面上,大部分化学工业流程均为多相催化,如合成氨、石油催化裂化等。 (2)均相催化 这类催化剂通常是含有金属的复杂分子,催化反应在气相或液相中进行,催化剂和反应物均溶解于气相或液相中,如烃烯聚合,茂金属催化等。 (3)光催化 吸收光能促进化学反应,如光合作用。 (4)电催化 利用化学方法使电极表面具有催化活性。 (5)酶催化和仿酶催化 酶在生物体内起着重要的催化作用,同时酶也可用于工业生产,如用酒曲造酒。酶是一种高分子量的蛋白质,天然酶的结构测定以及催化活性与机理研究是21世纪催化研究的前沿领域,也是一项十分复杂和棘手的工作,有待各个学科交叉(化学、物理和生物)配合研究和仪器与方法的创造。 模拟金属酶是模仿酶的活性中心,即模拟其中某些活性氨基酸与金属的配位设计合成配合物,形成配位催化,以简化和模仿酶催化过程。由于酶的结构十分复杂,搞清楚酶催化过程,决非短期研究能解决。但酶活性中心的结构信息引起人们的关注,企图仿照天然酶人工制造化学酶。这是设计和合成新催化剂的一个新途径。如不对称催化氢化的手性催化剂就是利用铑或钉的手性配合物,使脱氢氨基酸催化氢化成光学活性的a-氨基酸,其对映选择性与酶催化的结果可相比美。模拟酶催化领域在21世纪将会有重大突破。 在20世纪,尽管化学家们研制成功了无数种催化剂,并应用于。但对催化剂的奥妙所在,即作用原理和反应机理还是没有楚。因此科学家们还不能完全随心所欲地设计某一特定反应的高效催化剂,而要靠实验工作去探索,以比较多种催化剂的性能,筛选出较好的催化剂。所以研究催化剂及其催化过程的科学,还将进一步深入和发展。用组合化学法快速筛选催化剂将是21世纪的重要研究课题。5.量子化学 20世纪量子力学和化学相结合,对化学键理论和物质结构的认识起着十分重要的作用,量子化学已经发展成为化学以及有关的其他学科在解释和预测分子结构和化学行为的通用手段。20世纪中量子化学曾经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。如从1928年L.C.Pauling提出的价键理论,R.S.Mulliken的分子轨道理论,到H.A.Bethe的配位场理论,R.B.Woodward和R.Hoffmann的分子轨道对称守恒原理,福井谦一的前线轨道理论,一直到1998年诺贝尔化学奖得主W. Kohn的电子密度泛函理论和J.A.Pople的量子化学计算方法和模型化学(Model Chemistry)。这一发展过程整整化了70年的时间。纵观量子化学发展的历史过程,不难看出,只有量子力学基本原理和化学实验密切结合,量子化学的理论研究才能不断出现新的突破和开创新局面。现在根据量子化学计算可以进行分子的合理设计,如药物设计、材料设计、物性预测等。20世纪中有人预见以量子化学为基础可以解决和认识化学实验中的所有问题。但是目前尚未形成研究分子层次的统一的理论,对许多化学现象和问题还不能用统一的理论来归纳、理解和认识。如分子的平衡性质和非平衡态,反应的过渡态和反应途径,分子-分子体系的相互作用等,都有待于从化学实验结果提高到理性认识。能否出现化学的统一理论,将有待于化学家们的创造和努力。四、高分子化学 高分子化学(其中包括高分子物理和高分子成型)研究链状大分子的合成、大分子的链结构和聚集态结构,以及大分子聚合物作为高分子材料的成型及应用。20世纪高分子化学从无到有、到学科形成乃至推动高分子工业的形成和发展,其发展速度十分快速,发展周期相对较短。在20世纪,高分子材料已是人类社会文明的标志之一。塑料、纤维、橡胶的世界年产量已达1.3亿t,在整个材料工业中已占据重要地位。 研究和强调化学反应的原子经济性、高选择性、高反应活性和环境友好性。在化学反应的设计上去解决和控制污染问题,这是根治的办法(详见下节绿色化学中的叙述),并要研究如何用这些方法去改造老的化学过程和企业。另一方面对现有工业的三废处理亦不能放松,如石油化工、煤化工、天然气化工及皮革、造纸、塑胶等工业,要努力做到化学生产过程和环境治理相结合,这也是控制污染化学的一个重要研究内容。 (7)环境计算化学 环境计算化学和数学、物理有关学科相结合,使以经验、实验为基础的环境化学研究趋于更加科学化和理论化,并解决了一些过去难以进行数值求解的问题,扩展了环境化学的应用范围,这是一个应该重视的新兴领域。环境计算化学研究主要包括多组分体系定量分析,数据处理中将随机变量引入多元统计分析方法,遗传算法等。大气、水体、土壤环境过程模拟和模式得到进一步发展,如模拟水稻田释放甲烷,小麦释放N02,高密度有毒气体扩散过程模拟等。人工智能在环境化学中的应用包括神经元网络、专家系统和模糊数学等方面。环境化学过程(工艺)的模糊控制在不久将来可望获得成功。 四、绿色化学(Green Chemistry) 传统化学工业给人类环境带来的污染已十分严重,引起了社会各界的关注,而且物质经化学变化而转化为对人类有用的产品。世界化学化工产品已达到7万种之多,化工总产值约1万亿美元(中国约5000亿人民币)。化学品极大地丰富了人类的物质生活,提高了生活质量,并在控制疾病、延长寿命,增加农作物品种和产量,在食物的储存和防腐等方面起到了重要作用。但在生产、使用这些化学产品的过程中也产生了大量的废物,污染了环境,全世界目前每年产生的3亿~4亿吨危险废物(中国化学工业排放的废水,废气和固体废物分别占全国工业排放总量的22.5%,7.82%,5.03%),给人类带来了灾难,解决污染已成为21世纪人类环境问题的科学挑战。1.什么是绿色化学 化学工业能否洁净地生产化学品?绿色化学也就是面对这样的问题下产生的。其核心是要利用化学原理从源头消除污染。绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则,即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子,实现“零排放”。不仅充分利用资源,而且不产生污染;并采用无毒、无害的溶剂、助剂和催化剂,生产有利于环境保护、社区安全和人身健康的环境友好产品。绿色化学化工的目标是寻找充分利用原材料和能源,且在各个环节都洁净和无污染的反应途径和工艺。对生产过程来说,绿色化学包括:节约原材料和能源,淘汰有毒原材料,在生产过程排放废物之前减降废物的数量和毒性;对产品来说,绿色化学旨在减少从原料的加工到产品的最终处置的全周期的不利影响。绿色化学不仅将为传统化学工业带来革命性的变化,而且必将推进绿色能源工业及绿色农业的建立与发展。因此绿色化学是更高层次的化学,化学家不仅要研究化学品生产的可行性和现实用途,还要考虑和设计符合绿色化学要求、不产生或减少污染的化学过程。这是一个难题,也是化学家面临的一项新挑战。国际上对此很重视,1996年美国设立了“总统绿色化学挑战奖”,并首次授予Monsanto公司(变更合成路线奖),Dow化学公司(改变溶剂版应条件奖),Rohm & Haas公司(设计更安全化学品奖),Donlar公司(小企业奖)和Taxas A & M大学的M.Holtapple教授(学术奖),以表彰他们在绿色化学领域中的杰出成就。绿色化学将使化学工业改变面貌,这一趋势将在21世纪更加强劲,并将出现崭新的局面。 我国的乡镇企业,特别是化工、染料、造纸、皮革等污染较严重的工厂应从环境保护大局出发,一方面研究和改革工艺流程,采用符合绿色化学要求的化学过程,减少和消除污染;另一面要重视现有的废物处理,要严格控制排放标准,解决三废治理问题。做好环境保护,为子孙后代造福。这是对人类负责和关心的态度。2. 绿色化学的发展方向 从绿色化学的目标来看有两方面必须重视:一是开发以“原子经济性”为基本原则的新化学反应过程;另一个是改进现有化学工业,减少和消除污染。 (1)新的化学反应过程研究 在原子经济性和可持续发展的基础上研究合成化学和催化的基础问题,即绿色合成和绿色催化问题。如美国Monsanto公司不用剧毒的氢氰酸和氨、甲醛为原料,从无毒无害的二乙醇胺出发,开发了催化脱氢安全生产氨基二乙酸钠的技术,从而获得了1996美国总统绿色化学挑战奖中的变更合成路线奖。美国Dow化学公司用C02代替对生态环境有害的氟氯烃作苯乙烯泡沫塑料的发泡剂,因而得到美国总统绿色化学挑战奖中的改变溶剂/反应条件奖。在有机化学品的生产中,有许多新的化学流程正在研究开发。如以新型钛硅分子筛为催化剂,开发烃类氧化反应;用过氧化氢氧化丙烯制环氧丙烷;用过氧化氢氨氧化环己酮合成环己酮肟;用催化剂的晶格氧作烃类选择性氧化反应,如用晶格氧氧化丁烷制顺酐,用晶格氧氧化邻二甲苯制苯酐等,这些新流程的开发是绿色化学领域中的新进展。 (2)传统化学过程的绿色化学改造 这是一个很大的开发领域。如在烯烃的烷基化反应生产乙苯和异丙苯生产过程中需要用酸催化反应,过去用液体酸HF催化剂,而现在可以用固体酸——分子筛催化合成,并配合固定床烷基化工艺,解决了环境污染问题。在异氰酸酯的生产过程,过去一直是用剧毒的光气作为合成原料,而现可用C02和胺催化合成异氰酸酯,成为环境友好的化学工艺。 (3)能源中的绿色化学问题和洁净煤化学技术 我国现今能源结构中,煤是主要能源。由于煤含硫量高和燃烧不完全,造成S02和大量烟尘排出,使大气污染。我国每年由燃煤排放的S02达1600万t,烟尘达1300万t。由S02而产生的酸雨对生态环境的破坏十分严重。因此研究和开发洁净煤化学技术是当务之急,这方面要重视研究催化燃烧技术,等离子除硫除尘,生物化学除硫等新技术。严格控制排放标准和监察大气的质量,这是大气净化中的首要任务。 (4)资源再生和循环使用技术研究 自然界的资源有限,因此人类生产的各种化学品能否回收、再生和循环使用也是绿色化学研究的一个重要领域。世界塑料的年产量已达1亿t,大部分是由石油裂解成成乙烯、丙烯,经催化聚合而成的。而这1亿t中约有5%经使用后当年就作为废弃物排放,如包装袋、地膜、饭盒、汽车垃圾等。我国推广地膜覆盖面积达7000万亩,塑料用量高达30万t,“白色污染”和石油资源浪费十分严重。西欧各国提出三R原则:首先是降低(reduce)塑料制品的用量,第二是提高塑料的稳定性,倡导推行塑料制品特别是塑料包装袋的再利用(reuse),第三是重视塑料的再资源化(recycle)。回收废弃塑料,再生或再生产其他化学品、燃料油或焚烧发电供气等。同时在矿物资源方面亦有三R原则的问题。开矿提炼和制造金属材料亦是大量消耗能源和劳动力的工业,如铝材现已广泛用于建材、飞机和日用品等方面,而纯铝要电解法制备,是一个大量耗电的工业,应该做好铝废弃物的回收和再生技术研究。 (5)综合利用的绿色生化工程 如用现代生物技术进行煤的脱硫、微生物造纸以及生物质能源等的研究。 综上所述,绿色化学是近年来才被人们认识和开展研究的一门新兴学科,是实用背景强、国计民生急需解决的热点研究领域。在21世纪中它必将大展宏图,为人类可持续发展作出贡献。五、能源化学 国家的经济发展中能源是先行。能源供应水平标志着一个国家的发达程度。现在我国人口12亿,每年能源需求量为10亿t标准煤,仍是发展中国家的工业水平。到21世纪中叶,我国经济将达到中等发达国家水平时,对能源的需求量也将达到40~50亿t标准煤。目前,能源结构主要是煤,还有石油、天然气、核能等,研究和开发清洁而又用之不竭的能源将是21世纪发展的首要任务。1.氢能这是未来最理想的能源。氢作为水的组成,用之不竭;而且氢燃烧后唯一的产物是水,无环境污染问题。氢作为能源放出的能量还远大于煤、石油、天然气等能源,1g氢燃烧能释放出142kJ的热量,是汽油发热量的3倍。目前世界上氢的年产量为3600万t,但绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取;水电解制氢因消耗电能太多,经济上不合算,只占4%份额。对化学家来讲,研究新的经济上合理的制氢方法是一项具有战略性的研究课题。理想的氢能源如图12所示。 太阳能光分解催化剂2H2O 电能 2H2 + O2 氢发电机燃料电池图12 氢能源图12是一种最理想的氢能源循环体系,太阳能和H20是用之不竭的,而且价格低廉。极需化学家研究的是寻找合适的光分解催化剂,它能在光照下促使水的分解速度加快。当然氢发电机的反应器和燃料电池也是化学家的工作领域。实现这一良性循环,将使人类永远可以各取所需地消耗电能。 光分解水制氢的研究已有一段历史。目前也找到一些好的催化剂,如钙和联吡啶形成的配合物,它所吸收的阳光正好近似于水分解成氢和氧所需的能量。另外,二氧化钛和某些含钙的化合物也是较适用作催化剂。酶催化水解制氢亦是一种途径。已经发现一些微生物,通过氢化酶诱发电子与水中氢离子结合起来,生成氢气。总之,光分解水制氢方面还应加强基础研究,寻求新的方法和催化剂。一旦有所突破,这将能使人类在能源问题上一劳永逸。这是一个可能获得诺贝尔化学奖的研究课题。2.燃料电池与干电池和蓄电池不同,这种电池的化学燃料不是装在电池内部,而是储存在电池外部。可以按电池的需要,源源不断地提供化学燃料,就像在燃气锅炉中添加煤和油一样。燃料所具有的化学能连续而直接地转变成电能。其发电效率比现在应用的火力发电还高,并在发电的同时还可得到优质水蒸气,达到发电又供热的需要,其总热效率可达到80%。 燃料电池在结构上与蓄电池相似,也是由正极、负极和电解质组成。正极和负极大都是用铁和镍等惰性微孔材料制成。这些电极既不参与化学反应,又有利于气体燃料及空气或氧气的通过。从电池正极把空气或氧输送进去,而从负极将氢气或碳氢化合物、甲醇、甲烷、一氧化碳等气体输送进去。这时,在电池内部气体燃料和氧发生电化学反应,于是燃料的化学能就直接转变成了电能。目前已有一些处于研制阶段的新型高效燃料电池。它们由片状陶瓷制成,工作温度高达800~1000℃,足以将所有的轻质烃燃料分解成氢气和一氧化碳。预期21世纪初燃料电池将会在汽车、军舰、通讯电源等方面得到实际应用。3.生物质能源 光合作用创造的绿色植物是取之不竭的生物资源。它们主要由碳氢化合物组成,也是一种可供人们利用的能源。绿色植物生长的过程是二氧化碳和水通过光合作用合成单糖,并把太阳能储存在其中;然后又把单糖聚合成淀粉、纤维和其他大分子生物质。其中占绝大多数的纤维构成细胞壁的主体,它们的主要成分是纤维素(50~55%)、半纤维素(15~25%)和木质素(20~30%)等。纤维素是由葡萄糖基组成的线型大分子;半纤维素是一群复合聚糖的总称,不同植物的复合聚糖的组分也不同;木质素是自然界最复杂的天然聚合物之一,它的结构中重复单元之间缺乏规则性和有序性。木质素是可再生的植物纤维资源和组分中蕴藏太阳能最高的部分,也是地球上最丰富的可再生资源(估计全世界每年可产生600万亿t)。以纤维素微纤的形式作为“骨骼”,其周围是由半纤维素和具有三元网状结构的木质素巨大分子粘结成的天然增强结构体,是一种不熔、不溶的天然复合材料。 作为长期进化的结果,木质素在植物体内的存在就是为了保护植物体不受生物和化学环境的降解,因此木质素和纤维素、半纤维素的分离是十分困难的工作。至今仍没有办法(包括化学和生物酶法)把木质素分离出来,其根本原因是人们对植物细胞壁中木质素和纤维素等各种化学组分的排列顺序和联结方式了解甚少;对自然界中广泛存在的酶降解等生物过程的机理仍不完全清楚。因此要加强基础研究,研究植物细胞壁的结构、化学组分及结构与组分的关系,为开发生物质能源提供重要的新信息,以推动生物质利用,最终将为人类打开一个丰富而且可再生的粮食、能源和有机化合物的宝库。4.太阳能电池 太阳能电池是一种能把光能转变为电能的能量转换器。这种电池是利用“光生伏打效应”原理制成,即当物体受到光照射时,物体内就会产生电动势或电流的现象。 太阳能电池主要靠半导体的作用。当阳光照射在半导体的p-n结时,就会在p-n结的两端出现电压,如果将p-n结两端用导线连接起来,就会产生电流。当阳光照射时,太阳能电池产生的电流不仅能满足当时的供电需求,而且还能将部分电能储存于蓄电池中,可用作汽车、飞机、宇航、电视、航标灯等的电源。太阳能电池的关键是半导体材料,如何研制和选择适用于太阳能电池的半导体,是化学家们研究的领域。目前各种半导体材料中以单晶硅太阳能电池的性能较好,光电转换效率高,性能稳定可靠,使用寿命长。这是利用太阳能的一个重要方向。5.海水盐差发电 利用海水盐差能发电也是一种获得能源的途径。盐差能是以化学能形态出现的一种海洋能。众所周知,地球上的水有二类:淡水和咸水,其中咸水占97.2%,而2.15%的淡水储存在南极和北极的冰川或高山冰川中,这其中只有2.65%的淡水可供人类直接利用。海洋中的咸水盐含量很高,每立方千米的海水里溶有3500万t食盐,含盐浓度高的海水以较大的渗透压力向淡水扩散,这种渗透压力差所产生的能量称为海水盐差能。 海水盐差能发电的原理很简单,只要用一层多孔质隔膜置于海水和淡水之间,两边插入电极,由于渗透压力差而产生电动势。较理想的放电场是在江河入海口处,大量淡水不停地流向大海,在交界处形成盐浓度差。这项技术的关键在于多孔隔膜如何能将淡水和海水隔开而又要形成渗透压。这种海水盐差发电技术和装置将是21世纪发展能源的一个研究方面。 当然,目前常规能源(煤、石油、天然气)和核能发电在技术上已经成熟,大型化的发展趋势使其经济成本降低。关于可控热核反应的研究仍是新能源的一个重要开发方向,这个方向需要物理学和材料科学的新进展和突破。有关洁净燃烧和核能放射性废物的处理,从环境保护的角度还有不少研究工作可做。然而21世纪能源化学的发展方向应注重新能源的开发,特别是清洁而又取之不竭的能源,将有大量的化学研究课题等待着人们去努力开发。六、计算化学 信息科学的堀起是与电子计算机迅速发展分不开的。化学家们在研究中所需要获得的各种信息也逐渐通过电子计算机进行。如分子结构的测定可以通过计算机计算分子体系的能量和过渡态来判断;未知化合物的性能可通过计算机按结构和性能的关系进行预测,如药物设计、材料设计等;化学键及分子稳定性可通过量子化学计算得到确切的信息。总之,电子计算机的发展已经深入到化学的各个领域。成千上万的化学家都在使用计算机从事各种化学研究。特别是化学理论研究,离开了计算机将寸步难行,大量的计算工作很难想像用手工劳动。因此化学和计算相结合,逐渐形成了计算化学这个新兴交叉学科。1.什么是计算化学计算化学是用量子化学理论和计算数学来认识、理解、预言和发现新的化学现象的科学。化学的两大支柱——实验和形式理论——都是化学发展的重要研究领域。过去对化学实验的重视远超过理论计算。这是因为量子化学理论还不完善,许多化学现象还不能用理论来理解和归纳。由于电子计算机的发展突飞猛进,给计算化学创造了很好的研究条件,在开展实验研究工作之前,化学家就可在计算机上根据现有化学数据库的信息和量子化学理论来计算和预测一下实验工作的结果;在实验工作中,可用计算机记录所有的实验现象和数据;在实验后再用计算机来处理数据和得出结论。这一工作方式将会越来越被化学家们所接受和利用,成为化学研究工作中很重要的一个工作程序。2.计算化学的发展方向 (1)研究分子结构和性能的关系 目前已经发现的化合物有1200万种以上。虽然化学家们给化合物进行了分类,并了解它们的性质和用途,但目前尚没有一个完整的化学数据库把它们的结构和性能联系起来。这是一个工作量很大的工作,不仅是要做一个数据库,而且要研究总结各种化合物结构和性能的关系,并深入到为什么某种结构会产生某种性能的内在联系。这是物质结构化学的基本要求,要靠计算化学通过计算机的逻辑思维和运算把二者结合起来。 (2)研究化学反应是如何发生的 至今人们尚不能直接观察化学反应是如何发生的。只能是通过间接的办法,如反应中间体、产物及反应的能态等信息来推测化学反应的途径和机制。计算化学可以通过化学反应速率以及温度等对反应速率的影响等问题的计算来预测反应结果。 (3)预测化学反应的产物及新化合物具有什么样的化学性质 一个化学反应发生后,可根据反应物质的结构预测其反应产物,也可经过各种参数的综合运算预测最可能生成的反应产物。若反应后得到的是新化合物,通过计算化学还可以预测其化学性质及可能的用途。 (4)生物大分子的空间结构、取向和形态研究 以共价键结合的生物大分子(如蛋白质、糖、核酸等)除了一级结构外,还有空间结构和取向,如DNA的空间结构是双螺旋型。这种分子的形态是靠什么力量决定的?每个分子都有其稳定态,这种稳定态的形状又是什么样的?计算化学如能对分子的形状进行可靠的计算,对了解分子结构会提供更多的信息。 (5)研究分子-分子体系的排列和相互作用 一群分子在一起是以什么形式排列组合起来的?它们是靠什么力场相互作用的?分子与分子之间的排列组合是非共价键体系的,那么各种分子与分子之间的排列顺序的稳定态是否可用计算化学来确定或预测?这种分子以上层次的化学研究有否可能在计算机屏幕作出各种可能的排列组合的演示,是一个十分有意义和新兴的化学研究领域。 (6)计算机对化学过程的模拟 计算化学希望参于物质分子内部和分子与分子之间变化的研究,从而预见化合物的性质、发生化学反应的方向和可能生成的产物等。这样可以减轻实验工作量,告诉人们那些可做,那些不可做,让理性认识来指导化学实验工作的进行。这在21世纪将会被更多的化学家所接受。来源:互联网
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