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展望21世纪的化学(二)  
展望21世纪的化学(二)
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:
七、纳米化学 物质颗粒尺寸大小与其性质有一定关联,这是人们早巳认识了的。一般把尺度在l~10 mm范围的称为微小型(Mini-); l mm~l mm范围的为微米级(Micro-),1 nm~0.l mm范围的为纳米(Nano-)级。近年来,发现物质颗粒尺寸小到纳米级时,其性质发生突变,特别是许多纳米级材料在电、光、磁、力学以至生物学等方面的性质发生了突变,这种变异开拓了一门新兴的交叉学科——纳米化学。纳米材料已成为高新技术的重要研究领域,纳米科学技术将成为21世纪关键的高新技术之一。 1.纳米化学合成 纳米材料有两大类:一是粒度在纳米级的超细材料;一是具有纳米孔、纳米通道等纳米相结构的材料。纳米物质的合成是纳米化学首先所面临的问题,要想合成超细的纳米级粉料和有纳米相结构的材料,在合成方法上则有别于一般化学合成方法。现有的纳米粉料及纳米结构材料合成方法可归纳为:气相法、固相法、液相法和纳米结构合成法。表8列示了这四类合成方法。 这些方法中,用气相法、固相法、液相法虽然可以得到不同类型的纳米微粒,但因纳米微粒有巨大的比表面,彼此很容易凝结而成毫米级、微米级的超细粒子,因此无法采用简单的混合和复合的方法将上述制备的粒子和其他物质(如聚合物)混合来制备“纳米材料”。如何防止制备的纳米粒子团聚,是一个尚待解决的难题。 采用直接合成纳米结构的方法是目前获得合成纳米材料的可行方法。这方面的工作有下述几种。 (1)纳米插层聚合 即聚合物单体渗入蒙脱土内,再聚合成蒙脱土纳米片晶分散在聚合物内的纳米材料。 (2)相分离嵌段聚合物 即选用极性不同、彼此不相容的聚合物链段,以嵌段形式聚合到一个高分子链上。这种嵌段高分子形成的聚合物将在连续相内存在相分离的纳米尺度链段,而形成纳米材料。 (3)杂化材料 采用有机物、低聚物、高分子和金属盐、原硅酸酯等无机物一起通过溶胶—凝胶法共聚合,以合成有机高分子“接枝”无机物片断的“杂化”分子。在这些“杂化”分子中,无机物片断于有机聚合物中产生纳米尺度相分离,而成纳米材料;或在溶胶—凝胶法中,无机物经还原析出,以纳米尺度的金属粒子分散在有机聚合物中,这也是一类纳米材料。 (4)组装合成纳米相 即采用分子间弱相互作用,在结构设计基础上,采取适当组装方法,把不同性质的分子一个个的有规则地组装成二维、三维结构而成为特殊的纳米材料。 除此之外,采取特殊的纺丝成纤技术,纺制直径为纳米尺度的合成纤维;采用特殊的聚合反应合成超支化或树状高分子,这类分子的结构在宏观上是一个个的纳米球团。这两个方法也是值得研究的纳米材料合成技术。当然各种新的纳米化合物的合成方法还在不断发现,特别是生物体内组装而成的具有纳米相结构物质,如象牙、贝壳、珍珠、骨等,虽都是羟基磷酸钙和碳酸钙等组成,但其强度、韧性都很特殊。因此探索仿生纳米合成亦是纳米化学研究中的新领域。2. 纳米检测技术纳米化学合成了相应的纳米颗粒和纳米结构材料,必然要发展纳米检测技术,如纳米粉体的粒度分布测定、孔径测定、界面研究等。电子显微镜虽可观测到纳米尺度,但只是形态学手段,不能满足进一步观测结构和获得更多信息的要求。为此近年宋发展了扫描探针显微技术,如扫描探针显微镜(SPM)、原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)、光学扫描隧道显微镜(PSTM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)等。这些显微镜利用探针与样品的不同的相互作用,来探测表面和界面在纳米尺度表现出来的物理性质和化学性质。它们都为纳米化学的研究提供了极为有用的工具。表8 四类纳米粉料及纳米结构材料合成的有关方法激光 蒸发、凝聚气相法 等离子体 气相化学反应电弧 气相热分解反应 液面蒸发法(VEROS)固相化学反应法低温粉碎法、超声波粉碎法热分解法(有机盐类热分解)固相法 爆炸法(利用瞬间的高温高压)高能球磨法超声空穴法直接沉淀法 非水溶剂洗涤共沉淀法 共沸蒸馏沉淀法 均相沉淀法 冷冻干燥络合沉淀法 乳浊化化学还原法 水介质中溶液中的还原法 BH4-还原 BEt3H还原 非水介质中 碱金属还原醇盐水解法水解法 金属盐水解法卤化物气相水解法液相法 喷雾热分解溶剂蒸发法 火焰干燥法冷冻干燥法热煤油法反胶团技术 溶解萃取法水热沉淀法水热结晶法液热法 水热反应法非水溶解热反应法溶胶-凝胶法(Sol-Gel)羰基法(液态羰基化合物热分解)电解法;汞合法;溶胶法熔盐热解法 快速热分解微乳液聚合电水锤法 插层聚合法相分离嵌乳共聚法纳米相结构合成法 杂化材料法超分子组装纳米纤维超支化高分子 3.纳米材料的异常行为及其用途 20世纪90年代发现纳米氧化锆陶瓷在适当温度下(即在其熔点的0.4~0.5之间)具有很大的塑性存在。不仅是纳米的离子型化合物是如此,具有共价型的纳米级氮化硅陶瓷在适当温度下也是如此,且具有比微米级氮化硅陶瓷高出1倍以上的形变能力。在室温下纳米氧化锆陶瓷具有的这种超塑性行为,引起了人们极大的兴趣。陶瓷的缺点——脆性是否能在这种具异常性能的纳米材料中找到改进的途径?纳米陶瓷所呈现的超塑性不但为陶瓷材料带来子新的应用领域,同时还发现了许多其他纳米材料的特殊性能:如材料晶粒尺寸达到纳米尺度时,其硬度大幅度增加;纳米Ni/ZrO2复合材料的比热容行为出现异常;纳米颗粒膜产生巨磁阻效应;A1203/TiO2和SiO2/Fe2O3纳米复合体系具有红外隐身和屏蔽效应;纳米粒子的光谱特性常有“蓝移”和“红移”现象;还发现合成稀土ABO3型纳米晶体的电阻率和导电活化能有异常现象;纳米级Si02,g-A12O3或稀土氧化物对紧凑节能灯的玻管作表面处理,可提高灯的光通维持率……等等。以上列举的这些例子说明纳米材料的异常行为拓展了它们在各种领域中的应用。纳米陶瓷的超塑性为陶瓷的结晶成型提供了可能;纳米的无机/有机复合材料开阔了合成材料的制备范围;纳米粉末在磁记录、阻燃剂、橡胶添加剂、功能陶瓷、结构陶瓷、涂料、隐身材料、催化剂、服装、化妆品、导电涂料、燃料电池等领域均可找到它的用途。4.纳米化学研究动向与课题 鉴于纳米化学的发展时间较短,而发现的异常行为较多,其应用前景广阔,因此必须加强基础研究,搞清楚纳米材料异常行为的原因和内在联系。下列各方面均为值得研究的课题: ①纳米粉粒和纳米相结构的化学合成新方法的研究及其物理和化学问题; ②纳米材料包括纤维、膜和体材料、多孔材料的制备技术; ③纳米材料的特异性质、尺寸效应及其机理,以及与显微结构的关系; ④局域纳米化学的研究; ⑤纳米催化的研究; ⑥纳米自组装材料及其形成机理; ⑦纳米无机/聚合物杂化材料,纳米仿生材料; ⑧纳米化学表征和检测; ⑨纳米材料的应用,工业化前景及批量生产纳米材料的途径。 纳米材料研究和应用将成为21世纪的热点研究领域,是材料科学最重要的研究方向之一。八、手性药物和手性技术1.什么是手性药物? 手性是人类赖以生存的自然界的本质属性之一。手性药物研究是当前新药研究的发展方向和热点。手性药物是指只含单一对映体的药物。有手性因素的化合物,其化学组分相同,但可因空间立体结构不同而成对映的两个异构体,称为对映体,恰姐入的左右手。生物大分子如蛋白质、多糖、核酸等全有手征性。除细菌等生物以外蛋白质都是由左旋的L-氨基酸组成;多糖和核酸中的糖则是右旋的D-构型。它们在生物体内造成手性环境。药物在进人生物体内后,其药理作用多与它和体内靶分子之间的手性匹配和分子识别能力有关。因此含手性的化学药物,其不同对映体显示了不同的药理作用。已经发现很多药物的手性异构体具有不同药理作用,举例列于表9。表9 手性药物两种不同对映体的不同药理作用举例药物名称药物的治疗作用有效对映体的构型与作用另一对映体的构型与作用反应停镇静S构型:镇静剂R构型:无镇静作用,致畸乙胺丁醇抗结核SS构型:抗结核菌,活性200×RRRR构型:导致失明普萘洛尔(心得安) propranolol心脏病S构型:b-受体阻断剂,活性100×RR构型:影响或抑制性欲作用氯霉素抗菌RR构型:抗菌,活性50~100×SSSS构型:抗菌活性低萘必洛尔Nebivolol治疗高血压(+) :b-受体阻断剂(-): 血管舒张酮基布洛芬Ketoprofen抗炎S构型:抗炎R构型:防治牙周病 * R型或S型表示单一对映体分子中所含手性因素的立体结构的本质;(+)或(-)表示单一对映体整个分子的旋光表征。 过去手性药物往往以消旋体形式(含有两个等量对映体的混合物)出售。1961年出现了外消旋的镇静剂反应停(Thalidomide)被孕妇服用后产生畸胎事件,直到1965年人们才发现反应停的S-对映体为镇静剂,而另一种R-对映体非但没有镇静作用,而且有致畸作用。以后的研究表明,这不是个别现象,很多手性药物都有类似情况。表9的例子说明,应对每一个含手性因素的药物进行对映体的药理研究,不少药物和毒物的差别仅为两个不同立体构型的对映体。这就是要研究和发展手性药物的重要性。2.手性药物分类 手性药物按其作用可分三类。 ①异构体具有完全不同的药理作用,如S-构型是药物,R-构型是毒物或另一种药物。反应停就是一例;曲托喹酚(喘速宁,Tretoquin01)的S-异构体是支气管扩张剂,只—异构体则有抑制血小板凝聚的作用。 ②异构体具有性质类似的药理作用,如异丙嗪(Promethazine)的两个异构体具有相同的抗组织胺的活性和毒性。 ③异构体中一个有药理活性,另一个则没有活性:如抗炎镇痛药萘普生(Neproxen)其S-异构体的疗效为R-异构体的28倍,后者可认为没有活性。作为药物,只—异构体相当于杂质,而S-萘普生则作为商品药物。 目前手性药物的开发着重在①和③,特别是①类必须分为两种单一对映体供药。 推动手性药物迅速发展的直接动力是药品管理机构根据医药研究的结果而制定的新规定。1992年美国食品和药品管理局(FDA)发布了手性药物指导原则,要求所有在美国上市的消旋体类新药均要说明药物中所含的对映体各自的药理作用、毒性和临床效果。这一规定促使对映纯手性药物研究迅速发展。手性药物的世界销售额从1994年以来每年以20%以上的速度增长,预期2000年的销售额会到1000亿美元。 市场销售额的增长促进了手性药物的研究和开发。世界各国的制药公司投入大量人力和物力,纷纷开发手性药物。目前提出新药注册申请和正在开发的新药中,单一对映体占绝大多数。处于Ⅱ/Ⅲ期临床试验的化合物中,80%是手性药物。据预测到2005年全球上市的化学合成新药中约有60%为单一对映体的药物。因此21世纪将是发展手性药物大好时机。 3.如何制造手性药物? 这是化学和生物学研究的重要领域——手性技术。手性技术包括手性合成和手性拆分两个方面,均为手性药物制造技术必不可少的方法和工具。表10概括了手性技术的研究领域。表10 手性技术的研究领域手性合成化学合成手性源诱导合成;手性源不对称合成化学计量型;手性助剂,手性试剂催化计量型生物合成天然物提取酶催化发酵工程悬浮生长细胞固定化细胞工程悬浮酶固定化酶手性拆分结晶法拆分优先结晶法分步结晶法动力学拆分包结拆分酶拆分色谱分离模拟移动床色谱 (1)手性合成 包括化学合成和生物合成。 在手性化学合成(或称不对称合成)方面,20世纪后半叶不对称合成方法有了快速发展,它经历了四个阶段(即四种方法)的进展。 ①手性源方法(chiral pool) 原料为手性化合物A*,经不对称反应,得到另一手性化合物B*,即手性原料转化成反应产物。 A* ® B* ②手性助剂方法(chiral auxiliary) 利用手性助剂R*与原料A结合成AR*进行不对称诱导反应,产生B*R*,收回R*,则可得到新的手性化合物B*。A AR* ® B*R* ® B* ③手性试剂方法(chiral reagent) 利用手性试剂,直接参与不对称诱导反应,而产生新的手性化合物B*。A B* ④不对称催化方法(asymmetric catalysis) 用手性催化剂C*参与不对称催化反应,得到新的手性化合物。A B* 方法①、②、③是化学计量型的反应,而方法④是催化量的化学反应,具有手性增值的效应。如不对称催化氢化反应,用好的手性催化剂可使手性增值效应高至10万倍,即用1个手性催化剂分子可产生10万个手性产物。因此近年来不对称催化方法引人注目,吸引了世界上许多著名的有机化学研究室和各大制药公司的研究开发部从事手性催化研究,其中既有创新性的基础研究工作,又有具实际应用价值的手性药物合成。不对称催化合成已经不是纸上谈兵。表11列举了不对称催化反应的工业化实例。预期在21世纪不对称催化的研究将会有突破性进展。表11 用于工业的不对称催化反应公司名称金属反应类产物发明者Monsanto Monsanto Sumitomo Anic,Enichem T.T. Baker ARCO TakasagoMerckS. MerckTakasagORhRuCuRhTiTiRhBMnRu氢化氢化环丙烷化氢化环氧化环氧化重排羰基还原环氧化氢化L-多巴S-萘普生西司他丁(Cilastatin) L-苯丙氨酸Disuarlure缩水甘油l-薄荷醇MK-0417CremakatinCarbapenemKnowlesA.C.S. ChanAratani等Fiorini等SharplessSharplessNoyoriCorey JacobsonNoyori 在生物合成方面也有两种方法。 ①发酵(悬浮生长细胞和固定化细胞)法。利用细胞发酵合成手性化合物,如用发酵生产L-氨基酸。 ②生物酶法。可将有潜手性的化合物和前体通过酶促反应转化为单一对映体,可利用氧化还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧化酶等,直接从前体化合物不对称合成各种复杂的手性醇、酮、酸、酯、胺衍生物,以及含磷、硫、氮及金属的手性化合物。酶法合成的特点是高对映体选择性和产物光学纯度高(100%e.e.),收率高和副反应少,反应条件温和,无环境污染等,有利于工业化生产。特别是酶固定化技术,可使酶催化反应成为固定床连续生产流程,具有工业化价值。 近来英国Synopsys科学系统建立了一个由酶、微生物和催化抗体进行的生物转化数据库“Biocatalysm”。1995年收载了包括专利在内的最近文献中5000个反应,到1996年4月增加到15000个反应,数据库现以光盘发布。另一个是制备开始阶段的数据库“UM-BBD”,该数据库目的是帮助基因工程师查明在什么微生物中存在什么代谢途径,以便找到合适的工程菌。目前“UM-BBD”库存有120个反应,可在World Wide Web网上免费浏览此数据库。 用生物技术合成手性药物并使之工业化是一个热点研究方向。 (2)手性拆分(Chiral resolution) 外消旋体转化(racemlc switch)是研制手性药物最省事和低成本的方法。据几个大制药公司的估算(美国的Merck、Sepracor,英国的Chioscience等):将已经批准以消旋体形式上市的手性药物改成以单一活性对映体形式申请批准上市,这个过程平均只要化400万美元左右即可完成,与研究一个新药的投入(2亿美元以上)相比,是便宜的捷径。外消旋体转化技术的关键是拆分。表10列举了5种拆分方法:结晶法拆分、动力学拆分、包结拆分、酶拆分和色谱分离。在这些方法中已发展为较有商业规模的有以下几种。 ①模拟移动床色谱(simulated moving bed chromatography, SMBC)。SMBC方法的研究始于1960年,美国UOP与ChiralTechnologies合作共同开发应用模拟移动床工艺拆分各种外消旋体。经过30多年的努力和应用,SMBC方法在对映体选择性分离中发挥了重要作用,现已发展成吨级手性药物的制备工艺。这类手性色谱拆分可得到高光学纯度的对映体,而且成本较低。在工艺上,SMBC将手性色谱柱的首尾两端连接成为一个闭路循环,操作人员在整个循环过程中移动新鲜样品与溶剂的注入点和混合组分的移出点。每个回路中还有8~10根手性色谱柱,柱与柱之间的连接点处有4个阀门,分别注入外消旋体及溶剂并取出产品。反复注入和取出均用微机软件控制。这种装置再配以液相色谱手性分离数据库(chirbase),就可以做外消旋体分离成光学纯的手性药物了。 ②酶拆分。利用水解酶如脂肪酶、蛋白酶、酰胺酶、腈水合酶、酰化酶等对外消旋化合物进行不对称水解,以拆分制备光学纯手性药物。对于各种外消旋体,均需制成一个能水解的前体,并试验各种水解酶的立体专一性拆分,这也要做大量的基础性研究。 ③包结拆分。这是化学拆分中较新的一种方法。其原理是用非共价键体系的相互作用而使消旋体与手性拆分剂发生包结作用。它不象常规拆分中那样受酸、碱等基团的影响,可在分子-分子体系层次上进行手性匹配和选择,并通过结晶方法将两个对映体分开。如抗消化道溃疡药物Omeprazole(见28页图3)其分子结构的手性特征是S型,用一般化学拆分、酶拆分均不能成功,但用包结法却能成功地将其拆分,得到S-Omeprazole,预期这个手性药物即将上市。 在手性拆分研究方面将会出现研究热潮,再配合拆分技术和建立数据库,可为手性药物的大发展提出高选择性和低成本的方法和具有商业价值的工艺路线。总之,根据社会的需求,在日益增长的市场推动下,21世纪将成为手性药物和手性技术大发展的世纪。第四章 化学工业与国民经济的关系一、农业 1999年世界人口已达60亿,预期2025年将达到68亿。中国人口已于1995年2月15日达到12亿,据预期2000年中国人口将突破13.5亿。靠什么来养活这么多的人?增加食物生产除依靠改良品种、扩大耕种面积以外,要提高单位面积产量及食物质量更重要的是依靠科学,如肥料、农药、土壤结构和肥力的保持等,这中间都有化学问题有待研究。1. 肥料 氮、磷、钾及某些微量元素是粮食和农作物必不可少的肥料。20世纪解决了一个大问题,合成氨的研制成功和大规模工业生产使氮肥满足了农作物的生长需要。为此两届诺贝尔化学奖授于合成氨的发明者和改进者,1918年F.Haber和1931年C.Bosch,表彰他们为人类增加粮食生产中的肥料问题作出的贡献。现在合成氨大型装置的生产规模可达50万t/a。我国的合成氨产量已达2000万t/a,居世界第二位。合成氨的原料是氮气和氢气,它们可分别从煤、石油或天然气转化成N:H为1:3的混合气,在铁系催化剂作用下合成氨。已有各种不同压力下的合成方法,见表12。 在肥料中除氮肥外,磷、钾肥料也是很重要的。目前正在发展复合肥料,以植物生长所需的最佳配比来研制肥料是增产粮食的有效途径。另外近年来,在肥料中添加稀土元素增产粮食取得初步成效。总之,在肥料这一领域里根据植物生长的内在需要,寻求各种组分的复合肥料是大幅度增产农作物的关键问题,有待21世纪的研究和开发。表12 氨合成方法名称合成压力/MPa年份开发国家哈伯-博施法克劳德法卡塞莱法佛瑟法蒙特·塞尼斯-伍德法氮气工程公司法20.3101.370.9~81.130.410.1~15.230.4191319171920192119211921德国法国意大利意大利德国美国2.农药 在农业生产中,自然界的病虫害带来的危害是十分严重的,常常可造成一个地区颗粒不收的局面。人们对付病虫害有两种手段:化学防治和生物防治。化学防治就要使用农药,包括杀虫剂、除草剂和杀真菌剂等来控制病虫害。杀死害虫的化学品较多,根据高效、低毒和安全的目标,农药的品种不断更新换代,如早期使用的滴滴涕、六六六等有机氯杀虫剂,由于高毒性和环境污染问题,现已淘汰,禁止使用。有机磷杀虫剂如马拉硫磷、敌百虫、杀螟硫磷、甲基对硫磷等品种较多,具有强烈杀虫作用且对人畜毒性较低,所以在农田中广泛使用。有机硫杀虫剂代森锌、有机砷杀菌剂、有机汞杀菌剂等现已逐渐被拟除虫菊酯杀虫剂(氯甲氰菊酯,甲氰菊酯,溴氰菊酯等),高效内吸性杀菌剂(萎锈灵、苯菌灵、硫菌灵等)和农用抗生素等新品种所取代。人们期望创制出一代又一代的新农药为增加粮食做出更大的贡献。3. 植物激素及生长调节剂 植物体内具有调节作用的内源性物质称为植物激素。植物激素包括生长因子(如植物生长素、赤霉素和细胞分裂素类)和生长抑制剂(如脱落酸和乙烯)。这类生长调节物质对植物发育的每一个时期均有影响。虽然现已知道一些植物生长调节物质的分子结构,但对其产生活性的生物—化学过程和作用了解甚少。因此研究植物生长调节物质及其作用机制是有待深入探索的领域。如果能搞清楚它们的作用机制,人们就能提出调控植物的生长和死亡的办法,对农作物增产将起到重要的作用。 已知的植物生长调节剂有数百种,如吲哚乙酸(IAA,促进植物生长),赤霉酸(GA,诱发花芽的形成),细胞分裂素(促进种子萌发、抑制衰老),乙烯(促进果实成熟),独脚金酮(诱发寄生植物种子萌发),G2因子或N-甲基烟酸内酯(影响固氮作用),Glycinoeclepin A(促进蠕虫卵孵化)等,这些化合物的结构是多种多样的,它们的衍生物及其生物活性有待进一步研究。利用各种植物生长调节剂促进农作物生长,并适时调控,以提高粮食产量是完全有可能的,也是一个值得研究的方向。4.光合作用和固氮 (1)光合作用 植物生长依靠光合作用把二氧化碳和水转变成可供植物细胞使用的原料。通过这个过程,绿色植物、藻类和光合细菌利用太阳能驱动体内的化学反应,从而合成糖类,放出氧,并进一步合成其他生物分子而使植物生长。有机化学家M.Calvin由于找到了二氧化碳通过光合作用转化为糖和其他重要化合物如氨基酸等的变化序列,获得1961年诺贝尔化学奖。在光合作用中,叶绿素是核心化合物。它吸收能量后,一个电子跃迁到高能级,这个电子再转移到光合作用中心的另一个分子上去。在电子转移过程中无机磷酸根参与合成三磷酸腺苷(ATP),形成高能键。ATP是推动很多生化过程的化学能源。光合作用中电子的传递终止于一种由烟酸衍生而成的辅酶,并用于完成其他的生物化学过程。失去电子的叶绿素最后从水中拿回电子,水则转化为氧气。这是Calvin的工作成果;而叶绿素的结构则是由H.Michel,J.Diesenhofer和R.Huber用X-射线单晶测定结构技术建立的。他们还证明在叶绿体中有序地排列着某些蛋白质和叶绿素组装成的叶绿素聚集体或叶绿素—蛋白质聚集体,并因这个开创性的研究获得了1988年诺贝尔化学奖。 每年地球上的光合作用可把10nt的碳转变成有机化合物太阳能变成化学能。这是非常吸引人的问题。若能阐明其机理,就有可能人工模拟光合作用以制造农产品。但光合作用的机理还远没有搞清楚。 (2)固氮 植物生长除了靠光合作用外,还要靠从土壤中吸收含氮的化合物。虽然空气中的氮气占80%,但单质氮不是所有生物都可吸收利用的。因此要把空气中的氮气转化为氮化合物,这个固氮过程十分重要。自然界有些细菌和藻类可把空气中的氮还原成氨。如豆科植物,包括大豆、三叶草和紫花苜蓿等根瘤菌的固氮菌株具有这种固氮作用。固氮作用与固氮酶有关。单质氮转化为氮化合物的过程涉及固氮酶及其复合物的作用。已知固氮酶由两种蛋白质组成:一种蛋白质(二氮酶)的相对分子质量约为220000,含2个钼原子、32个铁原子和32个活性硫原子;另一种蛋白质(二氮还原酶)是由2个相对分子质量为29000的相同亚基构成的,每个亚基含4个铁原子和4个硫原子。要全部搞清楚固氮酶的结构和作用机制是一项甚为复杂的研究工作,但固氮酶的蛋白质及其固氮活性中心的结构信息可启发化学模拟固氮的催化研究。蛋白质与钼和铁的配合物及钼、铁、硫的原子簇化合物均被认为是可以模拟固氮酶的活性部位。无论是生物固氮或是化学模拟固氮,将都是21世纪的热点研究领域。5.优良品种和基因工程农作物的优良品种的培育是一个长期而艰巨的研究过程,但也是增产粮食的重要研究领域。近年来基因工程的进展促使优良品种的培育采用基因工程方式来进行,研究把高产植物的基因转人粮食作物的种子中。目前已有一些研究成果,如抗病高产小麦,害虫不吃的棉花、低芥酸的油菜等等。这是一个新兴的研究领域,亦是解决人类食物的最有成效的途径之一。二、能源 经济增长与能源消费增长是紧密联系的,目前人类利用的能源有:煤、天然气、石油、核能、水力、太阳能、生物原料等。世界能源结构比例列于表13中。表13 世界能源结构分析(%)范围年代煤石油天然气水力、核能国际195019832020(预计)61.532.2~3027.041.520.09.822.0451.74.2-国内198779.617.71.61.1其总的趋势要看资源情况。国际上以石油为主,而我国仍以煤为主。再过20~30年,天然气将逐渐成为能源的主力,石油将退居第三位,因此在煤、天然气、石油三大能源支柱中,化学在满足国家能源需求方面,将仍起中心科学的作用。 我国能源资源探明的储量:煤6000亿t、石油34亿t、天然气2万亿m3。目前年产量:煤12亿t、石油1.5亿t、天然气150亿m3。按此速度开发石油,只有23年左右的可供开采资源。因此在能源开发和利用上,要实施近期和远期开发相结合的策略,及早做好准备。一方面寻找新资源;一方面寻找新能源;另一方面则是合理使用现有资源。 1. 煤的高效和清洁化燃烧目前煤是主要能源,特别是在发电能源方面76%靠煤炭,应向高效率和洁净化燃烧的方向研究和发展。若提高效率5%一10%,则每年就能节煤0.5~1亿t,相当于几个大型煤矿的煤产量。燃烧过程是包括流体流动、传质过程、传热过程及化学动力学在内的一种系统工程,要综合考虑。既要高效燃烧,又能清洁而不污染环境。如图14所示,以分区脱硫、分级送风解耦等方法,使煤燃烧后排放的是N2、O2、H20和CaS04,而不再污染环境。一次空气脱硫剂(CaO) 热原煤 半焦 (CO2、NOx、CaSO4) (C、H、N、S) (C、N、S) 加热(无氧) 挥发物 洁净燃烧:(NH3、HCN、CO、CH4) 二次空气 NH3 + NO ® N2 + H20N20 ® N2 + 02S02 + CaO ® CaS04图14 煤的洁净燃烧2. 天然气的开发和利用 从我国天然气的储量及可开采量来看,可开发130年之久,为石油的6倍以上。因此要大力推广使用天然气能源。特别是作为家用燃料,天然气优于煤和石油。天然气中甲烷的燃烧值和发热量高,再加上管道传输方便,宜于家家户户使用。关键是在天然气产地要先做好脱硫和去除一些含氮杂质。3.石油的开采、精炼和燃烧 石油开采中,初级开采如靠天然压力,只能开采10~20%;二级注水、气等开采,可开采出35%。二者相加,只能开采出储量的50%左右。近年来用化学方法进三次采油,即利用表面活性剂和高聚物溶液进行强化采油,以期又可得到另一半储量的石油(当然不可能全部开采)。这是石油开采急待解决的重大问题,经济意义很大。 汽油的燃烧效率用辛烷值表示。从石油制造的汽油,其碳链数和异构化程度均有一定的幅度。现已有的催化裂解和重整炼油技术,可使得到的汽油碳链长较为整齐(8个碳),异构化程度高(异辛烷成分高)。这样得到的汽油其辛烷值高,汽车使用时可大量节约用油。因此催化研究是至关重要的,所以石油作为能源仍有许多化学问题有待研究和解决。4.核能利用 核能在20世纪发展很快。发达国家已建立了核电厂,核电在整个能源结构中占5~10%。核能在经济上与煤、石油、天然气是可以竞争的。我国的核电工业开发不久,目前只有大亚湾和秦山两个核电厂,在能源结构中比例甚小。但从发展来看,我国的核电工业将会在21世纪有较大发展。 核能作为能源是应该发展的,它是人类利用自然资源的一个重要方面。但安全和放射性废物问题给核电工业蒙上了一层阴影。要想减少核电工业带来的风险,很大程度上取决于化学和化学工程师们的智慧和能力。核化学研究涉及到核能生产的各方面,从铀矿勘探,核燃料的提炼、浓缩,裂变产物的分离,核堆安全棒的制造,直到放射性废物的处理。综合分析世界上核电工业的安全事故,并不是核电工业本身的技术安全问题,而是核电工业中的人为事故。所以发展核电工业必须加强人材培训和安全制度,使人为事故消灭在发生之前。 核能中另一个重要的研究领域是可控热核反应,即核聚变反应。两个较轻的原子核聚变成一个较重的原子核,同时释放出巨大的能量。氢弹爆炸就属于这种核反应。不过这一过程是在极短的瞬时完成的,目前人们尚无法控制。这在物理学、核工程和材料科学方面需要有深入研究和创新突破。使超高温下产生的热核反应在聚变反应器中成为可控和能量可利用,21世纪可望在可控核聚变领域有新的进展。 其他能量如太阳能、氢能源、过氧化氢能源、生物质能源等均应加强基础研究和应用开发,为21世纪大规模利用新能源开辟新途径。三、石油化工、天然气化工和煤化工 20世纪作为化工产品的源头,石油、天然气、煤的化学工业得到了很大的发展。特别是石油化工,由于市场经济和技术竞争因素,促使其发展更加快速和广泛。 1.石油化工 21世纪石油化工产品仍为化工产品的主流。石油资源在21世纪尚能供给人类消费的需求,但作为石油资源开采和利用方面,三次采油技术和相关化学品的研制将是一个重要的研究领域。石油化工方面将出现两个重要倾向。一个是石油化工装置的大型化,国际各大化学公司相继建立大型炼油装置和深加工的化工装置。这是资源利用和经济成本所驱动的。另一个是绿色化工方向,要研究和开发新的化学反应过程,以原子经济性为前提,设计新流程和改进原有的化工装置,以增加石油化工原料的利用率,创造更高的经济效益,同时减少和根治环境污染问题。2.天然气化工 世界天然气储量较石油更为丰富,在能源结构上,天然气在21世纪将逐渐替代石油成为能源的主力。但在化工利用方面,由于石油化工产品的经济成本低于天然气化工产品,因此长期以来,天然气化工只在合成氨工业和甲醇工业中占主导地位。这也很容易从化学原理来解释,石油是多碳烷烃,在加工时是将高碳烷烃裂解成低碳烷烃和烯烃;而天然气是以甲烷为主的,其化学加工是将一个碳的甲烷转化成两个或三个碳及以上的烷烃和烯烃。用一个比喻来讲,石油加工是拆房子;而天然气化工是建房子。所以从能量角度来讲对生产同一种产品,石油化工的成本要比天然气化工低一些。一般C-H键平均键能为99 kcal/mol,而甲烷中CH3-H的离解能高达104 kcal/mol。因此如何对甲烷进行有效的化学转化,并且要能与石油化工产品相竞争,一直是化学家们的难题。关键问题在于高选择性和高催化活性的新型催化剂的研究。20世纪70年代两次石油危机导致了天然气化工发展。尤其在寻找替代能源,即以天然气或煤转化为液体燃料和化工产品以替代石油资源方面,已经开发出一些有工业前景的新化工过程。 天然气化学转化主要有两个途径:一是直接化学转化,如氧化偶联、选择性氧化等可制成烯烃、甲醇、二甲醚等,进而合成液体燃料;另一途径是由天然气制造合成气(一氧化碳和氢气),在不同配比情况下可合成氨和各种含氧有机化合物(醇、醛和醚类化合物)。 甲烷转化的其他方法如甲烷生物氧化、甲烷电催化氧化、甲烷芳构化直接合成芳烃等也正在开发中。天然气化学转化的方法不少,但是达到工业化水平并在经济上有竞争力的化学反应过程并不多。因此21世纪对天然气化工的发展带来了很好的机遇,同时亦带来了对科学技术难题的挑战。 3.煤化工 煤多油少是我国能源资源的现状。中国煤炭地质储量约占世界总量的20%,可开采储量1400亿t,年产量达12亿t,占世界产量的25%左右。煤炭占一次能源总消耗量的74.9%,它提供了76%的发电能源和75%的工业燃料和动力。但在煤化工利用方面,由十段不和经济尚不如石油化工和天然气化工,所以相对来讲发展较慢,只有一些煤焦油化工,而且规模不大,在化工领域所占份额很小。 煤化工主要应从以下两个方面开发: (1)煤的拔头工艺生产液体燃料 在较年轻的煤种中具有较高的挥发性组分,一般可从中提出20%左右的气体和液体产物,而其中2%为汽油,10%为柴油,15%为高热值煤气和化工原料,剩下的半焦仍可作固体燃料。若我国将10亿t煤采用拔头工艺生产,将可得到2亿t气体和液体燃料,其中400万t为汽油,2000万t柴油,这是一个不小的数字,将可解决我国一部分液体能源问题。煤拔头提抽技术正在开发,快速裂解和快速冷凝技术是拔头工艺的关键。此工艺不仅可得到可观的液体燃料,还可得到洁净半焦。后者用作固体燃料可进行洁净燃烧,有利于环境保护。这一领域的研究对我国能源利用十分重要,在21世纪将大有发展前景。 (2)煤制合成气(CO+H2) 其工艺和天然气化工中制合成气工艺相似,由制成的合成气也可合成液体燃料和化工产品。目前,由于煤化学转化为合成气的工艺过程所需设备投资太大,技术经济尚不如石油化工和天然气化工,所以难于大规模生产;只有小规模的生产合成氨和甲醇的装置。在技术上还有待进行创新的研究。四、健康与医药 世界各国政府均把人的健康列为社会发展计划的首位。社会发展是由生产力所决定的,而生产力的最重要最活跃的因素是人。研究如何保护人的健康和安全,充分发挥人的积极因素和能力是当今世界的头等大事。人类健康与医药工业的发展密切相关,世界各国在医药工业上均有巨额投资用以发展新药。在国外开发一个新药,平均需要投资近2亿美元,约需10年左右的时间;而严格的知识产权保护,保证了投入的收益。世界各大制药公司几乎每年都有新药上市,利润十分丰厚,世界药物的年销售额达3000亿美元。 我国医药工业总体来讲还处于急待发展的阶段。过去我国生产和使用的绝大多数药品均系仿制国外创制的药品,自行设计和开发的新药仅有100余种,但能大量生产供应市场的药品甚少。迄今为止还没有一个新药在国外注册和销售,出口国际市场的药品每年仅为3亿美元左右(一般均为国外专利已过期的药品)。我国特有的中草药,由于尚未建立现代药物的质量检测标准,而难于进入国际市场。因此在即将到来的21世纪应着重于新药设计和开发,发展我国具有自主知识产权的新药。尤应注意下列几个动向。1.基因药物 21世纪医学、生物学的一个重大进展是人类基因组计划的实施和完成。从发现癌基因开始,人们逐渐认识到人类可能发生的疾病都与基因直接和间接的有关。至今对癌症产生的起因、过程和治疗仍处于一种只知其一、不知其二的似懂非懂阶段。很多生命现象尚不清楚。研制基因药物的思路是在发现基因变异的基础上,利用向细胞释放DNA片段的方法,来修复或替代基因有缺损的部分,从而达到治疗的效果。对这一领域,目前世界各国在进行人类基因组计划的同时均已开始研究,预期该领域将成为药物研究的前沿和新热点。2.酶抑制剂的研究和开发 酶是一种生物催化剂,体内所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行的。例如,血液中胆固醇过多是产生心血管病的危险因子之一,近年来发现产生胆固醇是肝脏中3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A (HMGCoA)还原酶起重要作用。因此HMGCoA酶抑制剂有抑制胆固醇的生成、治疗高胆固醇引起的动脉粥样硬化症的潜在药理作用。 如前所述,血管紧张素转化酶(ACE)抑制剂是治疗高血压的有效药物,如美国Merck制药公司的依那普利(Enalapril),瑞士Ciba-Geigy公司的苯那普利(Benazepril)等都是研究酶抑制剂而开发成功的血心管病的有效药物。ACE酶抑制剂目前上市的有17种之多,年销售额达60亿美元。因此研究酶抑制剂是药物开发的重要趋势之一,与人体不同功能有关的酶抑制剂将不断问世。寻找一种酶的抑制剂并不困难,难的是要求它能够有效地选择性很高地作用于靶酶的特定部位。这就要使抑制剂分子的结构与结合部位的结构在空间上匹配,在结合强度上合适。为此就要从分离各种酶的亚型,测定其空间结构,然后对酶抑制剂进行三维结构设计。随着酶分子结构研究进展,以及计算机分子设计技术的提高,这种研究将有更快发展。3.受体拮抗剂或阻断剂 受体是对底物有特异性结合能力的蛋白质。内源性的激素或神经递质在极低浓度下就能和有关受体相互作用,生成可逆性复合物,启动功能性变化,如开启离子通道或激活有关的酶,最终导致生理变化。若药物作用于某受体,与受体结合,但并不能产生生理作用,反而阻碍了激素、递质等物质与受体结合。这种物质称为拮抗剂或阻断剂。许多药物是受体的拮抗剂,如组胺通过结合到称为H1的受体上,促成变态性反应,并通过活化所谓的H2受体,促使胃酸分泌。去甲肾上腺素是肾上腺素类的神经系统化学信息物。已经证明它结合于至少4种亚型的受体上,通过不同的途径促成各种类型的生物学反应。它们对心血管病、癌症、中枢神经系统紊乱、内分泌失调等疾病具有很好的治疗作用,这是一类很有发展前景的药物。 与酶抑制剂相同,要对各受体亚型做结构研究,在此基础上设计拮抗剂或阻断剂。4.手性药物自1992年美国FDA发布了手性药物指导性原则后,直接开发单对映体药物的比例已越来越高。1990年世界范围新批准上市的47种新药中手性药物仅有26种(占55%);1995年39种新药中有23种手性药物(占59%)。1996年51种新药中有29种手性药物(占57%)。总体发展趋势是手性药物越来越多。因此21世纪的新药创制中,手性药物将占主导地位。5.常见病和多发病治疗药物的研制 在人类的众多疾病中有一些常见和多发的疾病,特别是慢性疾病。如神经系统的帕金森病、早老性痴呆症、中风、精神分裂症、癫痫等,据报导美国有5000万患者,每年在医疗保健方面的费用多达3050亿美元。肠胃道疾病胃溃疡、十二指肠溃疡等,仅奥美拉唑一种药,1997年世界销售额就为29亿美元。糖尿病在美国的患者达1000万人,而且还以每年6%的速度递增。心血管病、病毒感染、骨质疏松、关节炎等疾病,都属常见病和多发病,并难于根治,因此,针对这些疾病研制的新药是重点研究对象,它们一方面具有科学意义,另一方面亦是商业驱动的必然结果。21世纪将会更重视防治这些疾病的药物研究。 6. 中医药现代化 中医药是中华民族智慧结晶的重要组成部分。其历史悠久,实践经验丰富。中药的现代化和国际化离不开中医药学的现代化和国际化,二者结合将对形成具有中国特色的中医药理论起重要作用,也将是中华民族对世界医药发展的一大贡献。中医药现代化的关键包括探明中医药药效的物质基础,如中药成分化学与药理作用、中药质量控制等。21世纪是推进中医药现代化的很好机遇。由于我国在合成药方面具有知识产权的市场畅销药物甚少,所以从战略上考虑,发展中医药是在医药领域得到自主知识产权的一条重要途径。其发展思路有如下几点。①中成药生产的成分与质量控制。在中国药典中有上百种中成药,这些中成药在民间已经使用了数百年,药效比较肯定,安全系数比较高。应当组织研究力量,选择几种药效明显、又能明确成分和控制质量的中成药,进行GLP标准药理试验,建立GMP生产车间,实行现代化生产,并将其推向国际市场。 ②收集和整理民间药方。将几千年累积的中医药宝库进行现代化医药研究,并用专利保护其研究成果,以形成我国自主的知识产权。没有自主知识产权的保护,医药工业就不能发展壮大,也没有人敢投入去研究,更无法形成上百亿元销售额的规模产业。 ③充分挖掘中草药资源。从中草药中寻找先导化合物,以创制具有自主知识产权的新药。这是中草药现代化的一条出路。 20世纪中化学合成药物有了很大的发展,但由于从合成的新化合物中筛选药物的命中率愈来愈低,成本愈来愈高,人们又回到了从天然产物中寻找新药的老路上。我国的天然资源丰富,理应集中力量,加强投入,为迎接21世纪中医药的大发展做出贡献。五、新功能材料 21世纪被称是高新技术时代。信息产业、航天、生物工程、材料、能源、微电子和光纤等新一代科学技术成为现代文明的重要支柱,而其中材料是最根本的物质基础。由于一种新材料的出现和使用可能导致许多产业面貌焕然一新。最使人们直接的感受是计算机的更新换代。众所周知,最早出台的老一代计算机是用电子管装配的,一个50 m2的房间只能放一台计算机;80年代半导体产业的兴起,很快就使计算机小型化,苹果机、286、386、486、586、P-MMX、PⅡ-166、266、300、450、PⅢ-300、450、500,基本上是一年一个型号,这是计算芯片不断更新,光刻技术不断升级,使计算机越来越小,计算速度越来越快的结果。因此各种新功能材料的研制和应用已成为推动高新技术发展的动力之一。美国商业部预测2000年的美国新技术市场将达到3660亿美元的销售额,其中先进材料为1500亿美元(占42%)。从全世界来看新技术市场的销售额为10000亿美元,先进材料占44%。从中可看到新材料在高新技术中所占的份额及其重要性。对21世纪新材料产业,作如下展望。 1.微电子材料和器件 微电子学的发展已对世界工业革命产生了巨大影响。以计算机为基础的信息产业已经把世界变得越来越小,地球上任何一个地方发生的事情,倾刻在世界各地传播。Internet网络把世界各地每一个办公室联系起来。这都依靠一块微小的芯片。几十万个晶体管或其他部件都可以光刻在2~3 mm见方的硅片上,光刻的细度可小至0.1 mm,即100 nm。这要依靠光刻胶材料(光敏聚合物的有机薄膜)和光刻技术。其技术涉及到有机化学、光化学、高分子化学和工程学。近年来正在研究和开发的DNA生物芯片是一种三维空间的分子电路元件,其包容密度可比目前的硅芯片高100万倍,其运行速度将会更快。这将又会引起计算机和信息产业的巨大变革。 2.超导材料 21世纪超导材料的研究目标是室温超导,这将是能源工业的一次革命。目前能源消耗在输送过程中所占的份额颇大。电阻为零的导线将使电力得以最高效率的传输,这对能源和电子工业的贡献将是难以想像的。各种超导原件的出现,将使各行各业产生新的变革。 3.新型纳米陶瓷 其目标是解决陶瓷的脆性,并使其成为燃气发动机的理想材料。这对汽车工业、航空和航天工业和电力工业将会引发一次重大革新。用纳米陶瓷做成的发动机的工作温度将比现有合金材料的发动机提高200~300℃,热效率提高20%左右。 4.光纤通讯材料 现代信息社会中通讯联系是家喻户晓,几乎人人都要用到它。过去用铜线联结的电话电讯已经不能满足城市通讯的需要,近年来研制成功了光导纤维,利用透明的光纤传输光脉冲信号进行通讯。光速比电子流动快得多,加快了通讯的速度;而且光纤可做成直径约为人头发1/10的细丝,一根光纤电缆可以容纳上千个通道。多通道增加了通讯的容量、提高了效率。另外光纤传输的光损失小,约为0.2 dB/km,因此失真度小,通讯质量高。光缆的敷设使全世界通讯进行了一次革新。现在不仅是电话电讯用光纤,高清晰电视传送也用光纤,计算机联网也是光纤,一根光缆可做多种用途,对现代信息社会作出了巨大的贡献。我国光缆实际敷设量已达120~150万公里,1998年生产光纤250万公里,光纤通信市场每年以20%速度递增,光纤通讯产品的销售额约为200亿元/年左右。 目前光纤通讯材料主要用高透明度的二氧化硅材料,可用化学蒸汽沉积法(CVD)制成纯二氧化硅。近年来还有新的光纤材料,如ZrF4、LaF4和BaF2三元混合体的氟玻璃,其性能优于二氧化硅,光损失更小,上万公里光信号传输不需要任何中继站。当然21世纪将会推出更多种类、更优性能的光纤通讯材料。5.聚合物结构材料 过去钢铁是主要的结构材料,造房子、汽车、架桥等均离不了钢铁。主要因为其他材料的强度和综合性能不如钢铁。但是20世纪后半叶高强度高分子材料的工业化生产使其逐步在替代金属,而成为结构材料。聚(对苯二甲酰对苯二胺)的比强度已略高于钢铁,其强度—质量比为钢铁的6倍。21世纪将会有一批聚合物结构材料替代钢铁用于各种不同需要的场合。用聚合物替代钢铁作为结构材料已为期不远了。 6.医用材料 随着生命科学研究的不断深入和开拓,人体的奥秘逐渐被人们所了解,模拟和合成与人体生物相容性强的医用材料将会高速发展。替代骨骼和牙齿并能被人身所接受的新材料会在临床使用;替代皮肤的聚氨酯材料可用于植皮,替代血管的高弹性、抗凝血新材料可植人人体……等。总之人体器官有如机器的零配件那样,可以用合成材料替换。这是新功能材料中的前沿领域。六、日用化学品和精细化工 迄今为止,人类发现和创造的1200多万个化合物各自有其性质和功能。在20世纪人类发展过程中,很多化合物都被用于人类社会的各个方面,农轻重、吃穿用、衣食住行无不紧密地依赖化学品,应该讲化学对人类社会和物质文明作出了重大贡献。 精细化工和日用化学工业可以提供人们生活所需要的各种各样的化学品。以下按其功能和用途进行分类。 (1)衣 人们的衣着原料有毛、丝、棉、麻、人造纤维、合成纤维、皮革等,在其制造和纺织过程中都用了大量的化学品,如染料、软化剂、整理剂、洗涤剂、干洗剂、鞣剂、加脂剂、光亮剂、漂白剂……等各种助剂。 (2)食 粮食、酒、饮料、瓜果、蔬菜、肉类等,在其种植、饲养、酿造过程中都用了大量的化学品,如肥料、农药、发酵剂、碳酸气、保鲜剂、饲料添加剂……等。 (3)住 住房、装修和家庭陈设晶等材料中,除了天然的木材、沙子、石子外、钢铁、水泥、玻璃、陶瓷产品、地毯、空调机、灯具、电源、卫生用品等也都用了大量的化学品,如钢铁冶炼用的助剂,水泥的不同化学组分,烧结陶瓷的二氧化硅、三氧化铝,制造玻璃的不同配料,地毯的原料,塑料和橡胶制品……等。 (4)行 汽车、飞机、火车、摩托车、自行车等交通工具需要钢铁、铝合金、塑料、橡胶、合成纤维、皮革制品……等,以及在整个制造过程中所使用的各种助剂均为精细化工产品。 (5)看 人们生活中所观察到的各种文化用品及电视摄像所用的器具和材料,如纸、印刷晶、电视机、照相机、胶卷、眼镜、望远镜等在其制造过程中均需用大量化学品。 (6)听 收音机、随身听、乐器、唱片、录音/录像带等用品,是用化学品为原料制造出来的,也使用了大量的化学助剂。 在衣、食、住、行、看、听过程中所用的各种原料、器具,在其制造过程中用了上万种助剂,并用高新技术组合和制造出来,而每一种助剂均为一个精细化工行业。因此精细化学品的品种繁多,技术复杂,质量要求高。如染料有上千种,用于不同的材料就有不同品种的染料;毛织品的染整剂和丝、棉的不同,用于皮革的更另有品种。因此精细化工行业是人类日用化学品中最不起眼和最常用,但亦是技术要求很高的一类高新技术产业。 在本书第一篇中重点介绍了20世纪末在化学各分支学科以及与化学交叉的学科中出现的动向。在这一篇中将介绍化学界对21世纪化学发展前景的展望。显然,未来发展要有根基,而根基来自眼前的动向。不过,尽管可以从动向谈21世纪的化学可能在哪些方面突破,我们应该在哪些方面努力;但是科学上的重大突破往往出自不可预见的问题。而且科学是一个整体,化学一个学科的发展还受整个科学体系发展的牵制和影响;并且科学的发展还由当时技术条件所决定。因此,我们不可能现在就准确预见未来100年化学的发展方向,也不可能制定未来100年的研究规划。可是,如果现在不去从现今的动向分析未来的发展趋势,那就不知道应本着什么思路,掌握什么方向和从何处着手;也就只能简单地跟在人家后面,从别人已经打开的大门、进入别人已经开拓的领域里去,作些拾遗补缺,填平补齐的工作。现在摆在我们眼前的,有一个个已经打开大门的领域,但是也有别人正在试着打开还没能打开的大门,甚至还有一些问题不得其门而入。我们要争取比别人更早发现新的大门;至少比别人早些打开大门。所以在此次大范围的讨论中,许多化学家高屋建瓴地探讨了通向未来化学的门;提出一些研究方向的建议。这些建议目标有宽有窄,有远有近;有的仅属一个学科,有的需要与其他学科交叉融合。考虑到学科交叉融合是今后发展的大势,在这里从整个化学出发,探讨化学的整体发展方向和从其他学科中抽出的化学的基础问题,并进一步阐述这些问题中近期研究的重点问题。的确,我们只能讨论今后较短期间的发展趋势。或许在10—20年后,还有新的发现、新的技术和新的问题使我们重新考虑发展方向问题。正象赵翼在一首诗中所说的:“满眼生机转化钧,天工人巧日争新;预支五百年新意,到了千年又觉陈”(《瓯北集.论诗》卷28)。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 在人类发展史中,贯穿着一条推动人类进步的主线,即对物质世界的认识不断深化;改造、创造和利用物质的能力不断提高。依靠这两方面,20世纪成为人类社会高速发展的100年。不过,反思之余人们不得不想到同时发生的一个问题,过去人类过于自信自己的创造力一定能够无限地战胜自然,忽视了自然的和自己创造的物质对人类的反作用。只有认识了这种反作用,才能全面地规划科技发展。回顾人类认识和利用物质的历史,可以看出认识提高的三个阶段。这三个阶段是决定科技发展能否与人类进步同步的三个组成部分:在第一阶段,人类活动只为满足生存的基本需要;后来就进一步要求满足日益增长的生存质量的需要;再后来,到20世纪后期才认识到要在保证生存安全的前提下提高生存质量。既要保证现今地球上的人,也要保证未来子孙后代,因此提出了可持续性发展的战略思想。现在大家都知道可持续性发展要依赖科技进步;但也要知道并非一切科技进步都支持可持续性发展。只有满足人类生存、生存质量和生存安全三方面的要求,科技进步才能够成为人类不断进步的推动力。 从20世纪初,人类就致力于满足迅速增长的衣食住行的基本需求。在这方面,化学所提供的肥料(合成氨,1918年Nobel化学奖)、合成纤维和其他高分子材料(Staudinger,1953年Nobel化学奖;Ziegler-Natta催化剂,1963年Nobel化学奖;金属茂化合物催化剂,1973年Nobel化学奖)、石油化工产品等作出了贡献。其后为满足不断提高生存质量的需要,化学又创造子许多种饲料和肥料的添加剂,食品添加剂,生产了更多、更可口的食物;化学还创造了许多功能材料,用以制造各种服装材料、高速交通工具、高效计算机和通讯设备以及生活用具。化学创造了药物和诊断方法,使人类在20世纪战胜和消灭某些疾病,如此等等。可以说没有化学品,现代生活便难以想象。有人会觉得化学的贡献无非是提供了这些化学品,但实际上,每种适用的化学品的创造、生产和使用,都需要掌握有关物质结构与性质的关系以及对有关化学反应过程的认识。另外,化学使人们认识了物质的变化规律,成为了解不断变化中的环境、生物和人类自我的基础,也成为驾御物质世界的基础。在这方面,化学更是无所不在。 化学的创造力的确给人们营造了一个全新的物质环境。这些成果一度使人们乐而忘忧,先发达国家的人们毫无顾虑地改变着和影响着自然。但是经过100多年的工业大发展之后,人们才渐渐明白了一件事实:生产和生活上的不当会反过来影响人类的安全。其中最引人注意的是天然资源的滥采和化学品的滥用所引起的负面作用。因此,合理使用化学品成为20世纪末提给科学技术界极其重要的问题。一时之间合成化学品被当作“定时炸弹”,或者当作污染物的代名词。 事实上,任何物质和能量以至于生物,对人类来说都有两面性。天然化合物也有其两面性,甚至其中有的毒性非常强。不论化学创造的新物质和自然界原有的物质,都要合理使用。化学能够帮助人们了解化学物质的性质和变化规律,了解它们两面性的本质,这就是合理使用它们的科学基础。化学也能帮助人们认识自然界发生的各种化学过程,使之能够正确地使用它们和控制它们。例如,通过化学的研究,使人们发现,破坏臭氧层的是氟里昂之类的化学物质。但是,破坏臭氧层的化学物质并非只有氟里昂;而且影响臭氧层的也并非都是化学品。反而是靠化学才解决了臭氧层的形成和破坏的机理,才找到了保护臭氧层的途径。Molina,Rowland和Crutzen就是因为他们在研究大气层化学,特别是臭氧层的形成和破坏方面所取得的成果而获得了1997年Nobel化学奖。化学不仅对于解决化学品滥用问题上起到关键作用,而且在处理物理的和生物的危险因素方面也能够发挥主要作用。例如,对受到放射性、紫外线等辐照的人的处理与治疗就是利用螯合清除金属,或者用自由基清除剂、抑制剂以及细胞保护剂等化学物质去阻止对人体的损伤。 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 化学的研究对象是物质,研究物质组成与结构和性能的关系,研究物质转化的规律和控制手段。在此基础上,实现物质的人工转化和合成;并且对生活、生命和生产中的化学过程实现按需调控。 (1)为人类进步提供物质基础 进入20世纪以来,人类开始遇到人口增长、资源匮乏,环境恶化等问题的威胁。不过在过去100多年中,化学以其理论和方法通过分析、合成和控制化学过程等手段,在解决这些问题时起到了核心和基础作用。 化学之所以在20世纪中成为解决人类进步的物质基础的核心科学,主要有三个原因。 ①化学不但能够大量制造各种自然界已有的物质,而且能够根据人类需要创造出自然界本不存在的物质。最初还认为生物体内的生物物质不可能人工制造,但是1928年尿素的合成打破了不能人工合成生物物质的思想禁锢,在这以后合成化学获得了大发展。最为突出的成果是模拟天然高分子的合成高分子材料(如合成橡胶、合成纤维和塑料)。它们不但为人类吃穿用提供丁大量适用的材料,而且使化学家能够在认识聚合反应和聚合物结构与性质关系的基础上迈向蛋白质、核酸等大分子的合成。这为研究后者的结构—功能关系打下基础。目前这些生物大分子的合成已经在一定程度上“自动化”,并与生物学中的PCR技术一起构成制造和创造生物大分子的核心技术。 ②化学能够提供组成分析和结构分析手段,使人们能够在分于层次上认识天然的和合成的物质与材料的组成和结构,掌握和解释结构-性质-功能的关系,并且能够预测某种结构的分子是否可以存在?在什么条件下存在?有了这些基础,化学就能针对需要“裁剪”和设计分子。 ③化学掌握了决定化学过程的热力学、动力学理论,并用于解决生产和生活问题;而且能从理论上指导新物质(如催化剂)和反应新条件(如高压、高温、超临界状态)的设计和创造,从而能够达到大自然所不能达到的目标。 (2)在相关学科的发展中起了牵头作用 ①牵动其他学科向分子层次发展。在20世纪,整个自然科学领域中出现过一个大变化,即所有物质科学都向分子层次发展。最为明显的是生物学。在20世纪50~60年代,生命科学各个领域出现了一系列在分子层次研究问题的新学科:分子生物学,分子遗传学,分子病理学,分子免疫学等等,不一而足。这不是偶然的。从20~30年代起生物小分子的化学结构研究(在糖、血红素、叶绿素、维生素等方面)就多次获得Nobel化学奖,这是有机化学向生命科学逼近的第一步。其后化学家在研究生物大分子结构上又有了突破,首先是在分离纯化方法上为进一步研究生物大分子结构作好准备:如蛋白质的结晶(Sumner等1946年Nobel化学奖)、层析法分离(Tiselius 1948年Nobel化学奖,Martin等1952年Nobel化学奖)。新的领域打开以后,生物化学作为化学的一个分支成为热点,吸引了许多研究者,包括化学家和物理学家。关心结构问题的化学家开始用研究小分子结构的理论和方法去研究生物大分子的结构,这一力量使生物大分子结构研究从50年代起出现一系列重大突破(Pauling,Sanger,Perutz/Kendrew,Watson/Crick等分别因此获Nobel奖)。与此同时,复杂的活性生物大分子合成也成为攻关对象。Woodward因所完成的艰巨复杂的合成维生素B12的工作获得了1965年Nobel奖,是当时有机合成最高水平的标志;但这距离生物大分子合成还有一定距离。不久,由北京大学和中国科学院上海有机化学研究所联合合成胰岛素成功,成为人工合成蛋白质的最早成果之一。蛋白质(包括酶)和核酸的研究成果不仅使生物化学迅速独立发展,而且由此诞生了结构生物学和分子生物学,引出后来的围绕基因的研究。可以说20世纪中期因化学和生物学一起攻克遗传信息分子结构—功能关系问题,才使生命科学的研究轨迹进入以基因组成、结构、功能为核心的新阶段。现在无论农业、畜牧业、医药学、优生学无不想在基因基础上重新考虑。回顾这100多年,生物学从描述性科学发展成为20世纪末的前沿学科,在很大程度上是依靠化学所提供的理论、概念、方法,甚至试剂和材料。但是,当人们随着世界范围的大趋势在分子生物学所牵头的领域中寻找基本化学问题的时候,必须估计到在21世纪的生命科学中基因之外的研究必将兴起,因为生物系统的复杂性不仅仅在于基因。整个生命过程的研究还将更全面的开展。实际上,信号已经出现过。Prigogine在非平衡态热力学方面的研究(1977年Nobel化学奖)、Mitchell在生物能转换方面的研究(1978年Nobel化学奖),特别是Williams提出从系统论的角度研究生命过程的观点至今还没有开花结果。 与生物学一样,经典天文学与化学的互动在科学史中起过极其重要的作用。如氦的发现,太阳和星体光谱的分析,以至原子分子结构理论的建立和发展,既是化学的、也是天文学的重要里程碑。在化学和天文学相互促进下,天文学进入分子水平,并且从研究天体扩展到星际空间,诞生了宇宙化学。 ②化学研究带动其他学科的过程研究。化学研究使人们逐渐掌握了物质变化的规律和各类化学反应的机理;也使人们能够在掌握化学反应的时空变化规律的基础上认识化学过程,揭示自然界物质变化的本质。这方面的研究是工业、农业、环境保护、能源等方面科学研究的推动力。在各个方面,化学与其他学科融合之后分化出许多研究各种化学过程的学科。例如,化学引用化学热力学、化学动力学的概念和方法与土壤学融合,研究土壤中物质转化和迁移规律,发展了土壤化学;同样,引用化学热力学、化学动力学概念和方法,研究水体中物质转化和迁移规律诞生了水化学。接着,水化学和土壤化学又进一步在解决水体、土壤中有害物质的转化和迁移问题上发挥其重要作用,成为环境化学的基础。再如,石油之所以从作为燃料发展到成为化工原料,依赖许多化学的基础研究。从仅仅了解石油的组成和燃烧性质的石油化学到石油加工、以至石油化工的成熟和发达,几乎每一步都需要研究如何控制化学过程。由于几乎每一步都需要催化剂加速和控制反应过程,所以石油化工几乎与催化化学和表面化学同步进展。河流和港湾的泥砂淤积过程从用惰性微粒加惰性流体的物理模型发展成为活性微粒加活性流体的物理化学模型;光化学雾形成和大气臭氧层消失从单纯现象的观察、宏观测量以及来源的寻找,发展到认识机理,跟踪、模拟和控制过程,如此等等,都是化学推动的结果。可以说,化学过程无所不在。今后还要用化学研究解决过程控制的问题。例如,所有材料(从天然材料如皮肤、骨、橡胶等到合成材料如塑料、合成纤维等)的老化和降解是极其普遍的自由基参与的氧化过程,需要用化学研究过程的本质,设法阻止和推迟其进程。 ③化学带动了材料科学的发展。从利用天然材料到创造和利用合成材料是人类历史中的一大关键性进步,是化学发展的里程碑。从萌芽时期起,化学家就积累了不少制备与合成化学物质的经验,而后总结这些经验形成了化学合成理论和技术,发展成为合成化学。到40年代以后,以模仿生物材料(如橡胶、蚕丝等)为目标的高分子合成以及作为它的基础的聚合反应研究蓬勃发展,成为现代材料科学建立和发展的第一步。Ziegler-Natta催化剂是一个突破(1963年Nobel化学奖),它实现了定向有规高分子的合成,是有序结构研究的极其重要的提示。做到控制聚合过程和聚合物结构就引起了后来的一系列重要进展,其中最为突出的是作为控制条件的催化剂研究。20世纪早期的材料研究大部分针对结构材料和基本材料。后来,功能材料成为热点,电子、航天、高速运输工具、快速通信等进展主要起端于象高纯单晶硅、光导纤维、耐极端条件的材料、各种能量转化材料和敏感材料等。在这些无机和有机功能材料研究中,化学是原始创新的龙头。只有掌握结构…睦质—功能的关系以及合成和组装的化学过程,才能设计合成新的功能材料。半导体、液晶、分子筛等就是突出的例子。目前的智能材料研究方兴未艾,从传感器开始,进而研究仿生材料、仿生器件、能够工作的芯片,以及微流体技术(microfluidic technique)。在这里需要化学的不仅在于化学合成所提供的分子和材料,更重要的是依靠化学弄清工作原理以及功能和结构的关系。化学创立了研究物质结构和形态的理论、方法和实验手段,认识了物质的结构与性能之间的关系和规律,为设计具有各种特殊功能的化学品提供了有效的方法和手段。 ④化学实验方法学推动其他学科在分子层次上观察和测定物质的变化过程。化学不断研究和建立各种分析和检测方法,检测物质组成、形态、结构、理化性质的原理、方法和技术,推动了各个学科的发展。例如,20世纪40年代因为光学分析技术的发达而发展起来的有机试剂的构-效关系研究(如Feigl和Tananaev的开拓性工作),竟然成为20年后推出能够动态监测活细胞内游离钙离子浓度变化的试剂的基础;而且因此造就了围绕钙离子的细胞信号转导过程的研究,开拓了以钙离子为主要角色的细胞乃至整体的调控系统的新研究领域。这已成为生物学和医药学发展的强大推动力,推出了一系列以调控钙离子浓度为基础的药物。实际上,新测试原理和新测试技术往往是打开新领域的钥匙。例如,开始时环境检测不过是分析化学的应用,后来发展到基于热力学平衡的形态分布(speclatlon)分析和理论估计。而后,又针对环境的开放系统不可能建立和维持平衡的特征,进一步研究建立动态检测方法与计算机估算和模拟形态变化的方法。3.对20世纪宋化学现状和地位的不同估计 沉浸在20世纪化学所创造的辉煌之中的化学家,自信在合成制备新分子、新材料、控制反应过程以及获取物质的组成结构信息和结构-性质-功效关系方面有无限的潜力。但是,就在化学家继续抱着创造新物质、新材料为人类生存和生存质量的提高作出新的贡献的时候,他们却感觉到化学的作用和地位似乎被淡化了;似乎化学从认识、控制和改变客观世界的核心科学以及引导其他学科前进的牵头学科退后了。这里有客观和主观两方面的原因。 从客观上讲,首先是化学学科和技术的进步使一部分化学研究方法自动化和计算机化。各种合成仪和分析用、结构测定用的仪器以及各种计算机软件的出现,使人误认为分析与合成化学这两大手段已经不是科学而是技术了。其次,19世纪末、20世纪初物质科学的一系列研究成果(从1900年发表量子理论起)决定了的物质科学的大方向和基础理论研究的主流——寻求物质世界的微观、基本、统一解。使物理学成为20世纪前期的带头学科,也使化学研究的理论、观点和方法趋于物理化,期望在量子化学基础上寻求所有化学过程的统一理论。其后,生物科学从化学获取关于物质结构和性质关系的概念和研究方法,在分子层次突破后有了两大进展:一是进入基因为中心的研究领域,二是从原来研究生物和生物分子变成创造新生物和新生物分子的科学。众所周知,在科学的历史中,创造决定进步。因此20世纪后期的生物科学理所当然地成为带头学科。这时化学的一部分分化成为生物化学,而化学没有抓住时机推动生命体系中的研究而有所突破。还有一个客观原因是在创造新的肥料、农药、医药、材料方面以及解决工农业生产和环境中的问题时,化学研究的原理、机理和方法,处于上游。必须经过其他科学技术才能转化为可资利用的物质和可运作的方法。从功能分子到功能材料,从有药理作用的分子到临床可用的药物,从具有某些光、电、磁性质的化合物到功能材料,都还需要一段开发性的研究。以往化学不去做这方面研究,需要材料学、药学去研究,它们处于下游,由它们推出实际应用的产品。近年来,人们才感到没有化学研究做墓础,这一段工作也不能很好的完成。例如,把有药理作用的化合物变成制剂,需要化学去研究诸如制剂的高级结构与制剂的稳定性和活性的关系,有效成分的释放动力学和代谢动力学等等。 从主观原因看,首先是迄今为止化学研究的主流仍以创造新分子、新材料为目标;因而过多地注意建立新合成方法和获得新型结构,而不够重视分子的功能研究。现在已经知道,材料的功能并不只由分子的结构决定,在很大程度上是由这些功能分子组装起来的高级结构决定。而高级结构又由构筑它的单元分子和构筑条件决定。唯有化学参与这些问题的研究,找到设计和实现受控组装的方法,才能摆脱偶然性,有目的地产生功能材料。另外,受大趋势影响,20世纪的化学理论重点由宏观转向微观。过多重视细微的结构的本质的微观研究,很少注意快速发展的科学技术对化学理论、观点和方法提出的大量新问题。使化学理论研究没能跟上需要。上述原因都是国际性的。不过,在我国还有另一些原因。一是化学工业不够发达,创造有自主知识产权的产品的意识不够强;二是在学科交叉融合中,化学先是没有抓住机会,其后又没有能够找到起主导作用的研究方向和领域;第三,化学作为精细学科,在研究生物、环境、材料等现实问题时缺少必要的想象力。 不过现在正蕴酿着化学学科走出这种状态的契机:化学已经在理论和方法上有了极为丰富的成果积累(如结构研究、过程研究等);生物和材料等学科也已与化学在大量问题上相遇,化学家开始发现其中的化学基础问题,而相关学科的科学家也意识到了需要解决的化学问题;可持续发展的战略向化学科学提出了大量化学基础问题;国民经济的需求和化学学科自身发展的需求已经结合成为推动21世纪化学学科发展的动力。二、未来化学的作用和地位 未来化学在人类生存、生存质量和安全方面将以新的思路、观念和方式发挥核心科学的作用。应该说,20世纪的化学科学在保证人们衣食住行需求、提高人民生活水平和健康状态等方面起了重大作用。展望未来,人口、环境、资源、能源问题更趋严重,人类的生存会不会成问题,生存质量是会再提高,还是要下降?虽然这些难题的解决要依赖各个学科,但是无论如何总是要依靠物质基础。那就要优化资源利用、更有效地控制自然的和人为的过程、提供更有效、更安全的化学品等等。在这些方面未来化学将仍然是提供解决人类赖以进步的物质基础这一难题的核心科学。1.化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一 食物问题是涉及人类生存和生存质量的最大问题。以我国人口来说,预期在本世纪上半叶将达到16亿。今后任务的严重性在于:既要增加食物产量保证人类生存;又要保证质量以保证人类安全;还要保护耕地草原,改善农牧业生态环境,以保持农牧业可持续发展;生物学将在提供优良物种、提供转基因生物等方面作出贡献。但是这一切必须得到化学的支撑。化学将在设计、合成功能分子和结构材料以及从分子层次阐明和控制生物过程(如光合作用、动植物生长)的机理等方面,为研究开发高效安全肥料、饲料和肥料饲料添加剂、农药、农用材料(如生物可降解的农用薄膜)、环境友好的生物肥料、生物农药等打下基础。 再进一步看,未来的食品将不只满足人类生存的需要,还要在提高人类生存质量、提高健康水平和身体素质方面起作用。因此将从仅仅维持生命到加强营养,并将进一步要求能发挥预防疾病的作用。已经看到利用食品保健是大势所趋,不能因目前保健食品的泛滥无度和虚夸不实而忽视这一趋势。除确定可食性动植物的营养价值外、用化学方法研究有预防性药理作用的成分,包括无营养价值但有活性的成分,显然是重要的。利用化学和生物的方法增加动植物食品的防病有效成分,提供安全有疾病预防作用的食物和食物添加剂(特别是抗氧化剂),改进食品储存加工方法,以减少不安全因素,保持有益成分等,都是化学研究的重要内容。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 经过20世纪竭泽而渔的开采以后,人们开始醒悟到能源的开采和利用必须基于国情,贯彻可持续性发展的原则。虽然在21世纪初期,我国重点能源仍然为煤炭(包括煤层气转化)、天然气和石油等化石能源。但上述这些不可再生的能源将在100年后变得稀缺,必须提早节约和保存,并为后代作好利用新能源的准备。况且它们已经成为20世纪人类影响环境的主要因素。因此,必须建立适合我国国情的、有步骤的开发利用能源的计划。第一,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,使之既能保护环境又能降低能源的成本。这不仅是化工问题,也有基础化学问题。例如,要解决煤、天然气、石油的高效洁净转化,就要研究它们的组成和结构、转化过程中的反应,研究高效催化剂,以及如何优化反应条件以控制过程等等。第二,要开发新能源,新能源必须满足高效、洁净、经济、安全的要求。利用太阳能以及新型的高效、洁净化学电源与燃料电池都将成为21世纪的重要能源。除去已经有研究基础和生产经历的上述能源以外,从基本上寻找更新型的能源(例如天然气水合物)的工作不可忽视。而这些研究大多数要从化学基本问题作起,研究有关的理论与技术。 矿产资源也是不可再生的。如何合理使用同样事关重大。例如,稀土是战略物资。我国稀土矿物储量丰富,为世界瞩目。但是我们面临稀土资源的浪费:一方面出口原料和粗制品,进口产品和精制品;另一方面在国内仍然停留在“粗用”水平,把粗加工的混合稀土加人肥料,大量撒在耕地、林区中,造成资源浪费。保护稀土矿藏和精细加工利用势所必然。这要靠深入研究稀土的分离和深加工,研究稀土的精细利用,研究开拓各种稀土化合物的特种功能和应用等等。在其他矿产资源中,盐湖资源和土资源等都应该做更深的基础研究,寻找发挥更高层次的作用。例如,法国用天然膨润土制作成为药物(国内商品名思密达),顿时身价百倍。3.化学继续推动材料科学发展 各种结构材料和功能材料与粮食一样永远是人类赖以生存和发展的物质基础。在满足人类衣食住行基本需求之后,为提高生存质量和安全,为可持续性发展,不断提出新材料的要求。新功能材料研究已经是物质科学研究重点,未来会更加发展扩大。化学是新材料的“源泉”。任何功能材料都是以功能分子为基础。发现具有某种功能的新型结构会引起重要突破。回顾以往卟啉、茂金属化合物、冠醚以及后来的富勒烯的研究都是如此。但还要看到以往功能材料化学研究的历史特点,往往新型功能结构的发现是偶然的。但一经发现,再扩展研究,比较有章可循,容易变成为大家争先恐后(研究)的热点。于是在高潮之中,不可避免盲目性、重复性以及低水平工作。总结经验,今后的研究必须减少盲目性和低水平重复,要重视通过总结结构-性质-功能关系设计和寻找新材料。 最初化学家研究材料主要是用合成-筛选模式寻找功能分子。后来,利用构磁关系在寻找新药和新农药方面有了较大的进展。基于化合物物理性质的定量构-效关系一时引人人胜,很快量子化学和分子力学又借高功能计算机进入分子设计,于是计算机辅助设计一步一步地使分子设计更加合理。但是药物和农药是主要以活性分子的结构为基础的,设计的仅仅是分子的结构。而对于大多数功能材料来说,一个分子即便具有某种性质和功能,还不是材料。作为材料必须有三个层次的结构因素:分子结构决定它有潜在的功能;分子以上的有序结构决定它具有可表现的功能;而构筑成的材料的外形决定它具有某种特定的有效的功能。例如,贝壳的基本性质由构成它的文石(碳酸钙)和多糖基质的结构决定,但是二者通过有序组装构成的复合材料决定了它的基本材料性质。而且只有当这种材料构成一定形状的壳状结构时,它才能起贝壳的作用。同样是碳酸钙和多糖基质构成的蛋壳就因为有不同组装方式和不同外形而有不同功能。与之相似,有催化活性的化合物还不是催化剂;有非线性光学性质的物质还不是非线性光学材料。作为材料必须有分子结构和性能的基础,但是还要重视由功能分子组装成具有特定功能的材料这重要的一步。过去的功能材料研究,物理学和生物学只重视研究功能,而化学只做到合成有功能的分子。两方面都很少考虑材料的结构。从超导体、半导体、到催化剂载体、药物控释载体,都需要从根本上研究材料的结构。化学可以从分子结构和高级结构两个层次上研究结构与功能的关系,提出分子设计和材料设计的指导思想。除多层次结构决定材料功能以外,还将注意到材料的超微尺度问题。超微尺度的化学包括:超微尺寸的凝聚态和分散系的特殊行为、以及宏观物体中的超微结构与功能的关系。过去化学已注意到分散系中的纳米级分散相和细微分散颗粒的化学性质不同于宏观物体。近年来,物理学提出的纳米尺度介观效应,并从理论上加以诠释。超微尺度的化学会有更宽的内涵。 探求特定结构的形成规律和方法,包括合成、组装和构筑是今天一个广阔的研究领域。以往合成的材料自然也有高级结构,不过那是自发形成的。如何按照要求设计高级结构?这是要求化学家们深入探索的问题。生物材料具有独特的分子组成和高级结构,因此有独特的性能。模仿天然材料的高级结构是一条目前可以探索的途径。例如,人们已经在模拟沸石结构合成分子筛方面取得很大成就,开发了许多催化剂载体。未来化学在研究仿生功能材料中将越来越重要。值得注意的是,仿生材料研究已经经历了两个阶段。如以模拟骨的生物矿物材料为例,首先是模仿组成,如磷灰石生物陶瓷以及磷灰石加胶原蛋白的复合材料;后来注意到复合材料不是混合材料,必须模拟其结构,于是用材料学方法制备有复合结构的材料。直到最近,开始意识到更重要的是模拟生物材料形成过程。预期今后生物矿化的模拟会有所突破。 象酶这样的生物催化剂也会成为未来发展的重点。在20世纪,先只是模拟酶的活性中心。例如,模拟超氧化物歧化酶的活性中心,合成—筛选了许多铜的配合物,但是距离酶的特异性和高效性很远。人们意识到决定酶的全面功能的不仅仅是活性中心,还在于活性中心以外的其他结构部分。可用于生产、生活、医疗的模拟酶在21世纪将会有所突破,而突破是基于构筑既有活性中心又有保证活性功能的高级结构的化合物。 电子—信息技术将在21世纪以更快的速度发展。那就要求化学家作出更大的努力。回顾20世纪电子喵息技术的发展历程,经历了由电子管到半导体、到集成电路、再到大规模集成电路几个阶段。在每个阶段中,化学家创造了必需的材料,诸如早期的单晶硅、半导体材料、光刻胶等以及后期的液晶及其他显示材料、信号储存材料、电致发光材料、光导材料、光电磁记录材料、光导纤维材料和技术等。这些推动了电子信号技术的发展。21世纪电子信息技术将向更快、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、分子电路、生物芯片等新技术,标志着进入“分子信息技术”阶段。这需要物理学家提供器件设计思路,化学家则设计、合成所需的物质和材料。可以想象未来各国之间信息科学的领先地位之争会异常猛烈。依靠外国的技术和材料不可能领先于别人。领先一靠创新思路,二靠实现新思路的物质基础。有时并不一定先有思路,后造材料;也可能先发现独特性能的材料,后成思路。所以化学家应该更加主动地研究各种与电子信息有关的材料的性质和功能以及与个层次结构的关系,特别是物质与能的相互作用的化学特征;进一步吸收其他学科提出的新思路和概念,把化学理论和概念融合进去,创造具有特殊功能的新物质和新材料。此外,化学必须推进凝聚态化学的研究,如纳米科学技术、超分子凝聚态构筑、晶体工程等,创造新的聚集态构筑技术。4.化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障 在满足生存需要之后,不断提高生存质量和生存安全是人类进步的标志。生存质量高低和安全程度要看生活水平和健康水平,由饮食、环境和精神等关键因素的合理程度决定。这些都取决于人与自然环境相互作用中外来物质和能量是否满足人体需要,同时维持最佳状态。外来物质和能量(包括饮水、食物、空气、电磁波、放射性、热等)有的是有利于生存质量的提高,有的反而对健康形成威胁,还有许多有两面性。优化物质利用,避害趋利是保证生存质量和安全的基础。生存质量不仅仅以个人满足感为依据,更应该考虑人以外的整个环境的应答。例如过多的汽车、空调、吸烟、不当的生产、生活方式等等都与人类生存质量有关。化学研究可以从三方面对保证生存质量的提高做出贡献: ①通过研究各种物质和能的生物效应(正面的和负面的)的化学基础,特别是搞清楚两面性的本质,找出最佳利用条件; ②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两个主要内容; ③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,提出优化环境建立洁净生活空间的途径。 健康是重要的生存质量的标志。维持健康状态靠预防和治疗两方面,以预防为主。预防疾病将是21世纪医学发展的中心任务。首先是肿瘤、心血管病和脑神经退行性病变等一系列疾病,将要在相当程度上可以预防。化学可以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。目前已经有人研究癌预防性治疗。三、21世纪化学科学发展的总趋势 从21世纪初期化学科学发展的总趋势看,目前化学研究应该把握以下几个原则。 1.微观与宏观相结合 从20世纪开始,化学就在迅速发展的原子物理学和后来的量子力学的推动下,致力于从电子层次解释和预测分子的结构和性质。由此产生的量子化学以及关联领域得到迅速发展。人们以为物质世界的一切结构和性质都能在量子力学基础上解释和预测。电子计算机的发展,数据库容量的爆炸性增加和计算能力的大幅度提高,使人们可处理的分子越来越大,可比较的分子数目越来越多。这增强了人们在这方面的希望。以微观结构研究为基础的药物和材料的计算机辅助设计成已经为研究热点。但是,现在看来,由于物质世界里的现象既有微观的基础,也有宏观的基础,所以绝对不应该忽视宏观化学研究——化学热力学和动力学研究。微观研究应该与宏观研究相结合,这在研究生命科学、材料科学、环境科学等宏观系统的问题时尤其重要。不应只看到化学热力学和动力学的经典内容,而应该看到它们的发展趋势。例如,非平衡态热力学(Prigogine,1977年Nobel奖)的贡献是教给化学家一把开启从分子层次洞察生命过程的钥匙。迄今还需要更好的理论和方法描述实际开放系统(生物体、河流、大气等)的时-空动态变化。尽管在沟通微观与宏观研究中已经取得一些成绩,也建立了一些方法,但是大多数工作还是微观与宏观分离。由于解决实际问题的需要,也因为在理论上和方法上已经有了一定的基础,预期未来微观与宏观将会更深入更广泛的结合。 2.静态与动态(过程)相结合采取合成—结构表征和测定的研究模式由来已久,曾经吸引了相当多的化学家从事这类工作,为人们留下一大批新的化学物质的资料,也是化学界的重要财富。多少年来,这类研究引导人们集中于静态结构研究。X-射线晶体结构分析的进步与普及,促使这类研究更为方便快捷,成为化学一些学科研究的主流。当然,作为研究物质化学变化的科学,化学一直重视化学反应过程的研究。不过由于方法和思路的限制,化学反应历程的早期研究仅限于小分子参与的宏观动力学研究,而且只能研究速率较慢的简单反应。后来停流技术(stopped flow technique)加上各种快速检测和收集数据的手段才使人们有可能研究快速反应过程。近年来,把微观概念引进反应过程研究的微观反应动力学有了重大突破,形成现代化学的一个热点。另外,近年来单分子操作能够用来观察分子的动态过程,计算机能够模拟分子间相互作用的过程。这些都提示着在不远的将来化学过程的微观动态跟踪的可能性。不过目前还是只能研究简单系统,缺少跟踪研究复杂过程的实验方法和理论解析方法。而生物科学、材料科学和环境科学所要求化学解决的大多数是复杂系统。将来的化学既要能从分子层次解释静态结构和行为的关系,更需要的是解释有关过程中发生的事件。例如,极快速生成和转化的氧自由基会引起合成高分子材料(塑料、橡胶等)的老化,人类的活性氧疾病群(白内障、肿瘤、心血管病以及各种退行性病变)和衰老的发生,以及金属的腐蚀、食品和粮食的氧化性变质等缓慢过程。这些过程包含从微秒到几十年、几百年的极快和极慢的反应。3.由复杂到简单,再由简单到复杂 人们现在所遇到的许多实际问题,都涉及周围的物质世界。物质世界的一切表现都是复杂的、多样的,而且是多变的。经典物质科学(包括化学)研究物质世界的最终目的在于寻求简单的、普适的、永恒的基本解。他们或者用简化的方法、抽象的方法去研究复杂系统,建立各种模型和概念去解释实际生命现象;或者把生物系统拆成个别生物分子,研究它们的结构和性质的关系,用微观来解释宏观。经典物质科学在认识生物系统的结构和功能关系方面的确取得了重要的成果,而且今后这种研究还要更细致深入地认识生物现象。但是,近来大家逐渐意识到,研究现实事物必须回到真实条件中去,即必须研究复杂系统中的复杂过程。具体地说,必须把一个个分子、一个个反应放回到实际环境条件中,在原来制约它的条件和关联反应存在下去认识。其实,早在经典物理科学发展初期,有人就已经提出不能把真实的复杂系统(如细胞)简单处理,但是限于当时的技术条件,无法进行观察或实验。现在不但技术水平已经使人们可以在一定范围内研究复杂系统,而且系统论、控制论等现代理论也为探索复杂系统创造了理论基础。对于化学,首先需要建立对复杂过程进行实验研究的方法,特别是对过程中事件的动态跟踪;其次,需要分析和模拟多反应组合的理论方法。从简单到复杂不是一蹴而就的。目前仍然需要简化处理。即便未来技术条件再进步,理论基础再深入,简化处理方法仍然不可或缺。从复杂系统的简化,到回归复杂性,再抽出个别问题进一步做简化研究,这将是今后一段时期内对复杂系统进行化学研究的主要方法。四、未来化学研究模式 原始创新是科研的灵魂,但是科学的创新不可能脱离原有研究基础。创新也有不同模式和水平。既有思想或思路上的突破,也有方法学上的革命。思路上的创新有不同模式:或是原有研究思路的延伸和扩展,或与原有方向相反,或为两种思路的衔接和交叉等。方法学上的革命曾经树立了许多科学的里程碑。组合化学就是反向思路加上方法学革命(摆脱有单一目标的定向合成技术和各个化合物分别筛选的方法)的结果。 普遍认为,未来化学将在与其他学科综合研究中有所突破。这种综合将会产生若干新的领域,是未来科学的生长点。 (1)从实际问题中抽出化学基本问题来研究 研究天、地、生任何物质体系的变化规律都需要化学的理论和方法。这方面的研究涉及许多化学现今没有探索过的问题和目前化学还不能解决的问题,因此解决这些问题都会反过来推动化学发展。化学家应该积极主动地与生命、材料、信息、环境、资源、农业等科学交叉、渗透和融合。但要从中抽出化学基本问题来研究,要发挥化学理论和方法的作用,以求在解决问题的同时深化或丰富化学学科。 (2)吸收其他学科的新理论和新结果,孕育化学生长点 当化学渗透到其他学科中去研究一个问题时,要汲取其他学科的理论和方法。它们可以丰富和深化化学的理论和方法,成为蕴藏着重要内容的生长点。 (3)与其他学科融合,开拓化学新领域 上述两方面还只是学科交叉。进一步如果发展到由两个不同学科的理论、概念和方法融合产生新的理论、概念和方法,就有可能产生一个新的研究领域。例如,化学和生物学融合产生了生物化学;分析化学用于环境检测然后融人环境科学之中。化学结构和量子力学的融合产生量子化学,量子化学与分子药理学又融合成量子药理学。今后还会有这种学科重组的现象。这既不是化学被“肢解”,也不是化学湮灭在其他学科之中,重要的是化学家进入其他领域后,要找出并且抓住化学基本问题,用化学理论和方法去研究,不能用其他学科的理论和方法去做其他学科本身就能做的工作。(4)把握动向和时机,提出新的思路和新的研究方向 和其他学科一样,化学科学的研究总有它的传统;在一个时期有当时的主流和热点。可是经过一个时期以后,热点会降温,主流会让位于迅速壮大的支流,人们长期耕耘的传统学科或课题会暂时老化,变成冷点,变成潜流,等待着新的突破。在继承与创新之间必须把握动向和时机,提出新的思路和新的研究方向,同时必须随时调整研究模式,适应学科发展和面临的新问题。例如,药物研究过去沿袭20世纪初开始采用的合成+筛选模式。这种模式是在合成化学与药理、毒理学分工下各自研究。化学家主要从结构出发去设计化合物的分子,不以作用机理为基础,所以考虑问题不全面,盲目性很大。后来的研究思路前进了一步,根据结构-功能关系研究,总结设计思想,再去设计。再后又进一步引入计算机辅助设计,产生了从已知靶点出发的设计-合成-筛选模式。但是无论如何最初先要有一个先导化合物,而先导化合物的寻找依然有盲目性。世界各国近来之所以如此积极地研究中药和其他动植物来源的天然化合物,主要是寻找先导化合物。但是,目前的情况又有重要变化。由于对病理化学过程的分子机理有了比较深入的了解,有可能从干预病理过程的关键环节推测新的活性化合物。因此产生了在分子机理基础上,医和药结合的病理-药理-靶点-设计-合成-筛选新模式。化学在这几个环节中都是研究的基础。以上仅仅列举化学如何推动新药和新农药研究中的模式转变;其他交叉领域中也都有同样的模式改造问题需要化学来推动。 (5)重视化学学科自身发展与整体科学技术的发展相结合 虽然学科融合是大势所趋,考虑实际问题是基础研究的源泉,但是也要重视化学学科的自身发展和建设,研究本学科的基本问题,即纯化学问题。当然纯化学研究要逐步深化,要发展化学科学的新理论、新方法,只有这样才能够解决其他学科向化学提出的问题。例如,20世纪末的世界范围内的中药研究热以及其中的中药复方研究热,向化学提出了一个如何在复方提取物中分离确定活性成分的问题。这个问题的解决基础是分离、测定、结构分析三方面的结合。这三方面分开来研究,已经有了一定的手段,但是要想合起来一次完成从数百个极微量成分中找出活性成分,还能确定活性成分的结构,就要研究建立新的方法。五、其他学科中的基本化学问题 化学进入其他学科必须“能进能出”。即化学家能够深入有关学科,了解他们的现状和问题,力求与那个学科的科学家有共同语言。但是随后,必须找到他们有待解决、而化学能够解决,并且在解决他们的问题的同时化学得以突破的问题。及时从那里走出来,不能采用纯粹属于他们的思路和方法,而应采用化学的理论和方法,或者移植修改他们的变为化学的,或者杂交的理论和方法。因此在其他领域中寻找化学基本问题是极端重要的。1.生命科学中的基本化学问题 从Fisher(1902 Nobel化学奖),Wieland(1927 Nobel化学奖),Windaus(1928 Nobel化学奖),Fischer/Haworth/Karrer(1930 Nobel化学奖),Ruzicka/Butenandt(1939 Nobel化学奖),Sumner/Northrop/Stanley(1946 Nobel化学奖),Robinson(1947 Nobel奖),Pauling(1954 Nobel化学奖),Todd(1957 Nobel化学奖),Sanger(1958 Nobel化学奖),Perutz/Kendrew(1962 Nobel化学奖)这一连串Nobel化学奖的名单(另外还有不少化学研究在这方面获得了诺贝尔奖,如1923 Nobel生理医学奖)就可以看出,过去化学基础研究在推动生物医学发展,提高人类健康水平,延长人类寿命所起的关键作用。从这一系列成果还可以看出生物学和化学的相互融合、相互推动的过程。在生物医学领域中,20世纪30年代以前,虽然有发现胰岛素(Banting/Macleod,1923 Nobel生理医学奖)、维生素(E;kman/Hopkins l929 Nobel生理医学奖)和酶(Warburg l931 Nobel生理医学奖)的重要成果,但是深入到分子层次,扩展到过程和机理,则要到30年代末。划时代的工作如Szent-Gyorgyi关于生物氧化(1937 Nobel生理医学奖)、Dam/Doisy关于维生素K(1944 Nobel生理医学奖)和Kendall/Reichstein/Hench关于肾上腺皮质激素的结构与功能关系的工作。它们体现了生命科学越来越重视结构、分子机理和过程的研究。在20世纪末生物科学中发现的一系列新现象和新自然规律都提示化学基本规律在生物学中的意义,并且说明结构、机理和过程三方面化学研究的重要性。目前,化学关于结构与性质关系的理论和规律已经比20世纪上半叶完善得多,知识也积累得多,所以更容易看清事物的本质。例如,当Furchgott等报告一氧化氮的生物功能后很快就进入机理研究,而且就因为NO和CO的分子结构相似性,有人很快报告了CO的生物功能。现今尚未解决的新问题如Prion蛋白、细胞凋亡、疾病自愈、低浓度毒物的刺激作用(hormesis)等等都和化学结构、性质及变化过程有关。预计对生命体系的研究越深入,化学基本问题会越突出。生命科学中基本化学问题的研究将成为自然科学的前沿领域。 生命体系中的基本化学问题是什么?现在需要化学解决而且化学能够解决的问题是什么?化学可以用什么理论和方法去解决?由于个人背景和研究领域不同,对这个问题的看法很不相同。一种看法是要从现代生命科学的前沿中寻找化学问题。例如研究人类基因组计划、脑科学、生物个体的克隆技术中的基本化学问题。也有人认为化学主要研究对象是生物物质,所以主要还是研究它们的结构—功能关系和作用机理,进一步模拟和应用它们。还有人认为目前化学研究的生命科学问题还应该结合应用目标,诸如药物与靶分子的作用,疾病发生、发展的机理,药物结构—活性关系等等,包括研究确定天然药物的化学活性成分,创造各种诊断治疗预防药物和材料。但是归根到底,这里面的基本化学问题是什么,目前并不十分清楚。生命科学中的基本化学问题在不同时期是不同的。但是有一点,即它们应该是当前研究生命系统屡屡遇到的、各种生物系统所共有的基本问题。那么,可以认为以下几个方面是主要的基本问题。 (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 生物大小分子之间相互作用的规律是生命过程,也是生物应答的普遍基础。它们不但普遍存在,而且有共同本质和作用规律。生物应答取决于构成它的分子应答;而分子应答实际上是生物体系与外来物质之间相互作用的化学过程。例如,与单电子转移有关的自由基链反应是正常的和异常的生物氧化过程的关键环节。它们在动植物和生物分子的氧化性损伤中是共同的基本环节。现在已经积累了相当多的实验结果,尚有待深入地从分子层次来研究。特别是研究其中化学过程的机理和控制规律,将是解决许多疾病诊断防治、环境因子对人和生物的胁迫、提高农牧业产率和产品质量、安全合理利用化学品和天然物质的依据和途径。(2)生物功能分子的结构与功能关系的研究 有关这方面的研究结果都说明,生物大分子的功能不仅决定于分子结构,也决定于其特定的高级结构和所处的特定结构环境。例如,膜上的功能分子以一定取向、按一定方式组装在磷脂双层之中。这是它之所以能够表现功能的基本条件。这是细胞以下、分子以上的中间层次的结构化学研究内容之一。实际上,生物体结构都是多层次的。从分子结构到分子聚集体结构,再到细胞结构,然后到组织结构和整体结构。所以在结构生物学和结构化学之间需要有一个生物结构化学,从多层次结构解释生物功能的由来。生物结构化学不只从多层次研究结构与功能的关系,也研究如何能够自组装成所需的高级结构,以及在生物系统的变化中高级结构如何变化等等。(3)生命过程复杂性的研究 以分子科学为基础的医学和生物学的发展,使人们意识到运用化学知识、研究方法和手段来研究生命体系过程和再现生命过程功能,会成为21世纪化学科学追求的目标之一。化学不同于生物学,它通过研究某一过程中的化学反应及其组合认识生物过程。生理过程和病理过程可以用生物学事件来描述,例如细胞的周期、机体的免疫作用、一个疾病的发生和发展过程等等都有它们的化学基础。研究某一生物过程中的化学过程可以掌握关键环节、调控途径、发现生物标志[漏一页]不过在这以后,化学、物理学和材料学都不同程度地忽视了两个问题。首先是虽然利用的是物理性质,但都是由化学结构决定的。例如超导材料的超导性质不仅仅看材料含有什么元素,而更重要的是这些元素如何构筑成材料。因此在人们探索新型超导材料时要掌握结构与超导性质的关系。其次,不仅分子要用化学方法合成,高级结构也必须通过化学过程来构筑。化学将在以上两方面作出贡献。 应该说,近年来化学家提出的新型“准材料”不少,高分子电子材料、富勒烯和纳米碳管、自组装单分子层、纳米晶体等等,但却有以下两个弱点。 ①缺少基于化学的设计思想。因此,采取大量合成并加大范围筛选的研究模式。一旦发现个别结构,便引起许多人跟踪研究。结果命中率低。近来,引用组合化学方法大大扩大了化合物库,如建立组合材料库。虽然加快了工作效率,但是缺少根据功能与结构关系的深入了解。这种了解必须由化学和材料学及物理学结合起来研究。 ②仅仅基于分子结构与性能关系,缺少对于材料高级结构的认识。多数研究目的定位在功能分子,没有考虑什么样的材料结构才能表现所需的功能。目前正在研究用计算机模拟复杂材料的合成、特性和预计理论最佳结构。不过,没有高级结构的测定以及对于材料结构与功能定量关系的深入了解,计算机就没有设计依据。 因此,可以设想最近的将来推动材料科学发展的化学基本问题有以下几点。 (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 掌握这些关系(特别是定量关系)便可以减少盲目性,增加命中率。但是,目前还需要建立测定高级结构的方法,研究理化性质和功能与高级结构的关系等。为了有效地总结和运用上述关系,建立功能材料库和材料信息系统是非常重要的。(2)合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法的研究如何构筑成有序的高级结构是一个新的合成化学问题。或是在合成结构单元的时候如何使其能够自组装成为所需的高级结构;或是在获得功能分子之后,再组装成为材料。 (3)分子器件的研究 分子器件研究要有实际目标,微流体器件即是一种可行的可用的手段。基于芯片的器件也有多种机会和可能。 (4)模拟生物材料形成过程的基础研究 酶、生物矿物材料(动物的内外骨骼、某些生物的重力、磁场敏感材料)、生物粘合剂、生物微粒、生物控释材料等,它们都是大自然设计经过亿万年演化的结果,都是在生物体控制和指导下在特定条件下通过特定过程合成和组装的。材料科学研究仿生材料已有多年历史,开始多从组成上模拟,其后是从结构上模拟,但是由于没有模拟生物体内材料合成组装过程,因此不能产生所需的高级结构和外形,也就不能有生物材料原有的功能或达不到生物材料的工作水平。今后,模拟生物材料形成过程的基础研究将会成为热点。3.可持续性发展的基本化学问题——绿色化学和环境化学 在20世纪中,由于竭力满足迅速增长的人口对物质日益增长的需求,到世纪末出现了资源耗竭、环境污染、生态破坏等威胁。因此提出了可持续性发展这一人类进步的基本战略。它包含保证人类(现在的和未来的)生存、生存质量和生存安全三个方面。所用的物质资源和造成损害的环境物质都通过各自的化学性质而被利用或影响环境。化学科学是研究生态环境中化学物质在各种环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的重要基础。所以采用化学手段研究如何合理开发和利用资源,以及如何保护环境是实现可持续性发展的主要手段。其中基本化学问题归属于两个学科,即绿色化学和环境化学。它们二者是不可分的。环境中的化学物质、物理因素和生物物质对人的迫胁和防护问题是两个学科要处理的关键问题。绿色化学是从“源头”上杜绝不安全因素。其主导思想是在工业中采用无毒、无害的原料和溶剂,新化学反应达到选择性高,生产环境友好的产品;在农业中减少农药、有害化肥、污水灌溉以及有害于土壤结构和肥力的材料(如塑料);在生活中,减少使用有害环境的材料和过度消耗能源。环境科学则要寻找净化环境的途径。首先在工业发达国家开始研究环境污染的来源和治理问题,如伦敦的雾就是一例。环境化学就是这时出现的。显然,治理不如预防。因此自90年代以来,绿色化学逐渐得到普遍关注。美国率先在1996年设立了绿色化学总统挑战奖,以鼓励绿色化学的研究与发展。 环境化学的基本化学问题在空间和时间的尺度上不同于一般化学过程,而且具有综合及边缘交叉的特征。环境中的基本化学问题研究,不但对有效地解决环境问题起直接推动作用,而且对经典化学的发展也会作出一定贡献。环境问题既有全球性又有地区性。因此,既要与国际同步研究大环境问题,又要研究我国的重要环境问题。环境化学经历过几度变化。先是围绕环境中有害物质的分析测定进行研究。其后重点转移到环境中有害物质的形成、转归与物种分析。目前又极其重视环境生物化学,即研究人和其他生物对外来物质和能量(例如紫外线、放射性辐照)作出应答的化学依据。以这方面的认识为基础就可以寻找出生物标志物,用来预报受影响的程度与阶段,也可能提出针对性预防方法。目前最引入注意的是研究外来因素通过自由基过程引发癌形成的过程,以及此过程的预警和阶段预防方法。所以要对环境污染的重要化学反应机理及偶合效应的痕量污染物的形态、结构与生物活性分析及生物标记物进行研究。 近年来,虽然环境化学在污染物的种类和来源、污染物在自然环境中的化学变化过程及其产生的化学生态效应,化学污染控制和防治等环境监测分析方面发挥了重要作用,但要从源头上完全解决环境污染的问题,必须寻求绿色化学的新途径。绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、洁净化学,即是用化学的技术和方法把使用和生产对人类健康和安全、生态环境有害的原材料、产物及副产物减少到最低。绿色化学是贯彻可持续性发展战略的一个不可分割的部分。在考虑对环境无害的同时还要考虑资源的合理使用等其他问题。目前,其主要内容有二: ①改变现有生产的化学合成路线和工艺路线,使其成为保证人类可持续性发展、并与生态环境协调发展的洁净、节能和节约的生产方式; ②用新的化学品取代现在使用的有害化学品,用新的工作方法代替原来的有害工作方法。 达到上述目标并非简单的工艺改革所能做到的。必须从化学基础人手。例如,许多生产过程都包含先高温后深冷的步骤,解决这个问题的途径之一是寻求在低温下转化的反应或反应条件,比如寻找新催化剂。另外,一个理想的合成路线是要尽可能使原料中的每一原子进入产品,不产生任何废物和副产品,也不采用有毒、有害的原材料,并生产环境友好的产品。为了这个目的,必须从寻找新合成反应和路线开始。而新的合成反应也不是简单的改变路线,应该找出基本规律,寻找解决此类问题的一般途径。例如,如何根据各种催化原理寻找安全无害的催化剂,如何根据结构、性质与功能的关系寻找替代物等。六、21世纪化学学科的发展方向 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。那么对于化学学科,其自身的继续发展和与相关学科融合发展相结合;化学学科内部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。在本书第一篇里已经总结提出目前看到的各个学科和某些交叉学科的发展动向。在本篇展望未来化学整体发展趋势时,先要说科学的发展常常会出现预料不到的突破,但是又有可能从现时动向、从解决正在解决的问题的可能性来分析较近期的发展展望。例如,在20世纪初的人们看到了放射性、量子力学、原子结构的初期模型之后,应该可以设想物质科学向更微观方向发展的趋势。但是在发现病原微生物的时候,虽然可以看到制服传染病的途径(正是因此才开始了化学治疗剂研究),而人们却还不可能想得到传染性的Prion蛋白。所以,下面所提出的仅仅是可以预计的、有苗头的趋势。1.寻求结构多样性的研究与功能研究结合 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、目标和思路上也要有较大的改变。合成化学家心里想的是分子,实际上是它的结构。先构思一系列新型结构,再建立方法去合成。怎样构思?或者单从结构的新颖性和复杂性;或者为了合成出的结构有某种性质和功能。不管什么目标,有一点是共同的,那就是:结构是可能稳定存在的,合成方法是有一定基础的。如果为了合成具有某种性质的化合物,那还要从结构和功能关系方面去设计。所以,合成化学包含合成技术,但远远超出合成技术。未来从事合成化学工作的人要能够根据需要和可能去设计、合成新结构。20世纪末的发展还说明,未来的合成化学不仅是研究合成分子的结构,也要研究构筑分子以上的高级结构。那么,就还要了解分子以上层次的化学理论和方法。总的来说,未来一段时期,随着各个领域对于各种功能的分子和材料需要的迅速增加,合成化学将要开拓若干新领域。 (1)寻求结构复杂性和多样性的目标结构包含高级结构 合成化学既研究传统的分子合成化学,也应研究高级结构,特别是高级有序结构的构筑学(Tectonics)。高级结构是以分子间弱相互作用为基础的。因此,与以合成分子为目的的合成化学有所不同,高级结构是由结构单元分子组装成的,有时也可能是在合成分子的时候生成的分子自组装成的。研究这两方面的可能性已经有一些进展。不过,许多基本规律尚未解决。例如,怎样设计单元分子结构使它能够自组装成所需的高级结构?怎样使构筑的高级结构成单一、无杂结构?怎样控制生成物的尺度?在这方面应该看到,无机化合物的合成的发展前景广阔。无机单一分子可能是简单的,但是构筑的分子聚集体则是非常复杂的,非常多样的。(2)组合化学研究 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(如用96孔板操作)启发而产生的。它一开始就在筛选药物方面显示出潜在力量。现在已经发展了液相方法,并且推广到肽和核苷酸以外的有机和无机化合物。不能把组合化学仅仅看作是一种技术,还应该看到以它为基础的生长点。首先,平行合成要求所用的反应能够在缓和条件下,经过相同步骤,以基本相等的速度合成出摩尔数大体相等的反应产物。所以,谁能够发现新的适用的反应系统,谁就能领先一步;其次,组合化学要求以可更换的分子片(合成子)为基础来进行合成反应,谁能发现新的可用的分子片,谁就又领先一步;再有平行合成要求有平行检测配合,在药物筛选中有生物活性检测配合,在材料筛选中有物理性质检测配合,但是人们必须建立方法用以检测化合物结构的,如此等等,就可能打开许许多多新的领域。(3)发现和寻找新合成方法 这是永久课题。最基本的是无机物、有机物和高分子化合物的化学合成、生物合成以及合成技术。由于化学合成的主要目的是提供解决实际需要的功能分子或功能材料,所以在一定时期它的发展方向由各方面决定。目前,除了研究寻找新合成反应和方法[包括以一定手性(类手性)、对称性和构象为目标的反应和方法]外,重要的是为可持续发展提供新反应、新路线,以及现在使用的化学品的安全替代物。此外,还有基于结构—功能关系设计—合成新功能分子或功能材料;基于分子或合成子组装的合成、构筑高级结构的研究,其中包括控制大分子缠绕、折叠和有序聚集研究(多层次);基于模拟生物材料形成过程的合成方法研究等。 (4)结构化学与合成化学结合 C60是从实验结果中偶然发现的。出自意外必是偶然,在发现之后,人们又觉得它的存在是合理的,应该可以预计的。是否可能在合成化学与结构化学结合处增加合成前的设计和预测? 2.复杂化学体系的研究 目前,数学、物理学、生物学以至金融、社会学都在研究复杂性问题。他们着重于理论研究,主要目的是建立数学或物理模型。化学界最早涉及复杂性的研究可以举出三个里程碑工作:化学振荡的时空表现的机理研究;Prigogin非平衡态热力学;Williams提出的解释生物大分子和细胞参与的化学过程的模型。他们的工作说明了一点:化学过程的宏观与微观复杂性都可以通过实验做定量研究,并用化学理论加以解释。这包括对系统、结构、过程和状态四个方面的复杂性研究。从系统来说,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;而过程的复杂性指复杂系统参与化学反应时所表现的过程,复杂过程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。这些特点在生物和无生物系统中广泛存在,在工农业生产和医疗、环境等等领域中也无处不是,所以研究复杂系统的化学过程有普遍意义。 (1)复杂系统中的多层次结构研究 化学要在研究分子层次的结构的基础上,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、性质与功能的关系等。分子以上层次的化学个体包括:由多个分子依靠分子间弱相互作用组装或聚集成的具有有序高级结构的分子聚集体;要研究分子聚集体是如何通过弱相互作用构筑成高级有序的结构的;研究低级结构与高级结构、内结构与外结构、结构与外形的关系;分子聚集体和凝聚态以及生物体系的高级结构形成与功能的关系。 复杂系统的复杂性不只是具有高级结构,还在于结构的多层次问题。高级结构和低级结构相互决定、互相依存。在具有高级有序结构的物体中发生的化学过程也往往涉及多个层次。要建立方法去研究各个层次结构之间的关系,以及如何在两个层次之间研究化学行为,如在细胞内外发生的化学反应的热力学和动力学以及反应过程中结构的变化。(2)尺度效应和多尺度问题 化学还要注意复杂系统中的多尺度问题。首先要研究尺度效应。物理学从纳米材料的研究结果得到启发提出介观尺度概念,并发现当物体分割到纳米尺寸时微粒的性质有突变,进一步提出量子尺寸效应。多少年来化学家认为性质就是由原子结构和分子结构所决定,事实上,很多事实早已说明化学性质也有尺度效应。在化学性质与尺度之间也有一个飞跃关系。 (3)复杂系统过程问题 复杂系统中的化学过程是研究复杂系统的核心问题。因为人类所面对的诸如生命、环境、甚至山川湖泊等都是在变化中,未来化学在突破层次和尺度的同时,还需要努力研究宽时间范围的化学行为。人们周围的自然现象都不是简单的化学反应过程,而是包含多步反应的过程,甚至于几个过程还要进一步组合成为更复杂的过程,比如自然界的演化。研究复杂化学系统的过程,就要研究多层次、多尺度和大时间跨度的过程。应该研究化学中的尺度效应和多尺度化学过程;建立复杂过程的跟踪分析方法(包括动态、原位、实时、形态监测技术)及过程理论研究(不同层次的过程),包括非线性行为等理论问题;多反应过程动力学解析等。 3.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 经过200多年的积累,特别是20世纪后期合成化学的大发展,人们积累了大量化合物的信息,包括它们的合成、结构、性质等等,现在还在以越来越快的速度合成出新化合物。但许多工作仅为创造新分子或新结构,无意于它们的实际用途。也有些虽然考察过某种性质,但是可能当时漏掉了另一重要性质。另外,当人们总结结构与功能的关系时,需要功能表现有差别的一系列有关化合物的资料,哪怕是没有实际用处的化合物。因此,人们越来越需要结构’陛质—功能的资料。经过长期积累,堆起了一座各种各样物质的信息的“大山”。它是蕴藏着大量宝贵的知识资源,而且这座“大山”还在以极快的速度增高。可是当人们需要寻找具有某种功能的化合物时,又去合成各种各样的化合物以提供筛选。为什么不能从这座宝库里寻找具有所需功能的化合物呢?历史上有很多这种例子。20世纪60年代发现的抗癌药顺二氨二氯合铂是Werner早就合成的,而且也是他提出配位理论的依据之一。同样,我国的中草药也是个宝库,由中草药中提取分离并已测定结构的化学成分也在加速度地增加。科学家们在致力于分离出新化合物的同时,可不可以从已知的成分中寻找有某种活性的成分呢?应该清楚地意识到从这座信息大山中可以发现许多有用的物质。是重新合成和分离、筛选好,还是从已有的信息中找好,要看信息处理的理论和方法。今天信息技术包括计算机的智能化给人们带来从信息大山中快速挖掘功能化合物和解决问题的基本数据的可能。需要以下的操作系统:(2)与生物衔接的化学信息学 在生命科学领域,现在正处在高潮到来的前夕,其契机有二:第一,先是蛋白质结构库用以在计算机上对小分子进行对接筛选,这是计算机辅助药物设计的核心;第二,基因组的测定和基因库的建立是20世纪生命科学发展的里程碑,它给医药学、农牧业等带来新的希望,因此,国际上普遍重视围绕基因和基因表达的信息库和信息处理。例如,欧洲分子生物学实验室(EMBL)在剑桥设立了欧洲生物信息学研究所(EBl)包括生物大分子结构数据库(MSD)、提供人类蛋白质序列的信息库、启动人类蛋白质组库基于DNA-microarray技术的基因表达信息库,他们还开始在基因预测和基因组构筑方面服务。在这方面,化学工作如何起作用?有没有需要化学解决的问题?(3)与化学反应和化学过程衔接的化学信息学 化学反应以及化学过程的热力学和动力学信息库包括范围很广。除去基本化学反应之外还应该包括诸如在土壤、大气、水体、生物体内的反应资料。比如,环境物质及其反应的信息库是研究物质在环境中的来源、去向、停留时间的基本数据。化工过程的计算机模拟和仿真都需要这些资料。 4.新实验方法的建立和方法学研究 测试和分析是人们获得各种物质的化学组成和结构信息的必要手段。它渗透到化学的各个学科,并对环境科学、材料科学、生命科学、能源、医疗卫生的发展具有十分重要的作用。从现在学科发展趋势和实际应用来看,研究复杂体系的结构和变化过程需要方法。如生命体系和生态环境体系在结构上是非常复杂的,而且结构和性质的变化也是复杂的。化学研究首先要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改变。当今国际上科学研究的领先权,在很大程度上取决于研究方法和研究手段的先进程度。著名的人类基因组计划,就是首先重视了方法学,尤其是DNA高速测序方法的发展,才走上了成功之路。在生态环境中往往有种类繁多、形态复杂、性质各异、含量极微的化学物质或活性化合物。这些化合物的相互作用错综复杂,既有线性变化,也有非线性变化,或介乎于线性与非线性之间的变化;既有化学变化,也有生物变化。要对这些微乎其微物质的组成和含量进行分析和检测,要对其复杂的结构或形态、生物活性及其动态变化过程等进行有效和灵敏的追踪或监测,就必需充分利用并大力发展现代分析科学方法和检测技术。为此,应该注意建立时间、空间(能够分辨作用位点和变化位点)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理化学特性的测试技术。为了适应各种复杂混合物(如中药复方、天然水、食物、生物材料等)成分分析的需要,今后要研究分离-活性检测联机技术,以实现高效高选择性的分离、高灵敏度分析鉴定和结构分析与功能筛选一体化的技术。为了研究复杂系统的真实情况,不能单单靠分析测定的方法和仪器,必须充分注意总结和建立新分析原理,特别是建立自己的方法学。比如,随着组合合成而来的问题是如何从极少量的含极多组分的混合物中对它们一一鉴定?这种鉴定还要化学和生物学技术结合,进行多参数测量。 化学分析仪器的小型化、微型化及智能化也是应该注意的方向。如今刚刚发展的微流动分析技术可以与集成电路连接,可以用于活体及活细胞对外来物质应答的测定及毒素和细菌的检测。微流动分析技术在快速筛选和生物测定方面有很大用处,特别是和组合化学连接起来。 化学还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),也要积极引进生物学和物理学方法为我所用。例如,流式细胞计、共聚焦显微技术等都可以用来在细胞层次上研究化学反应过程。 5.跟踪、分析、模拟化学反应过程 化学有三个基本武器:用分析手段测定物质的组成和结构;用合成手段制造物质;用对化学过程的认识去控制化学过程。在生活、生产、环境、气象等现实问题中,化学过程随时随地都会遇到过程问题。化学反应过程也是人类与环境相互作用的基础。 应该说,化学从来就注意过程研究,而且过程研究是理解和应用化学反应的最重要方面。可是在过去,化学所能够研究的过程受实验方法和理论处理的限制,只能研究速度不太快也不太慢的反应过程。 目前,现代科学技术的发展使人们有可能阐明基元化学反应的全过程,包括介于反应物与生成物之间的不稳定结构排列。化学将会利用现代科学技术手段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其中的各种效应,阐明决定化学反应速度的各种因素和各种反应机理。对于实验结果的理论处理能够在最接近实际的水平 (态~态)上考察化学变化,追踪分子内和分子间的能量转移,最终建立和勾画出基元反应的真实历程。目前正在对极小分子的简单化学反应的人工调控进行研究,其目标是实现对化学反应的人为调控。这里面包括化学反应动态学的理论和技术的研究,也应结合实际问题(如催化问题)作有关过程的机理和调控的研究。 但是更多的过程是相对慢的过程,而且在真实系统和实际问题中可能极快的反应和极慢的过程互为因果或互相牵制。这在生命系统和环境系统中是不可回避的现象。小到细胞、大到环境,都会遇到因为瞬间的突变(物质的和能量的)而引起的极快的反应,这些第一批极快的反应经过传递、放大有可能引起了更多的慢反应,反应之间的交错构成一个即使在引发因子早已不存在之后的相当长时间内继续进行的极慢过程。建筑与工程、环境物质与能量的相互作用而导致的腐蚀和损坏,也是一个极慢的过程;但是其中每分每秒都在进行着快反应。这些现象中出现的事件都是以化学反应为基础的,以反应间的相互作用为基本特征的。随着人们对自然科学规律认识的不断发展,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。来源:互联网
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