化學(xué)學(xué)科的發(fā)展

化學(xué)學(xué)科的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來1化學(xué)學(xué)科發(fā)展的簡單回顧2化學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵及其地位作用321世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢4化學(xué)學(xué)科前沿介紹綠色化學(xué)超分子化學(xué)邵爽浙江教育學(xué)院理工學(xué)院sshao@1358815158611化學(xué)學(xué)科發(fā)展的簡單回顧遠(yuǎn)古的化學(xué)——實(shí)用技術(shù)

如：冶金、火藥、造紙等。近代化學(xué)——基本理論的建立如：質(zhì)量守恒定律、燃燒學(xué)說、阿佛加德羅定律、原子論、分子論、電離學(xué)說、酸堿理論等?，F(xiàn)代化學(xué)——物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論和合成化學(xué)如：雜化軌道理論（VB法）、分子軌道理論（MO法）、配位場理論、逆合成、手性合成、綠色化學(xué)、組合化學(xué)、分子設(shè)計(jì)等。未來的化學(xué)——綜合學(xué)科發(fā)展的科學(xué)如：深入研究原子組合分子的方法和技巧;研究分子以上層次的現(xiàn)象;與其他學(xué)科滲透、交叉聯(lián)合;科學(xué)—技術(shù)—生產(chǎn)、必須創(chuàng)新、理論與實(shí)驗(yàn)并駕齊驅(qū)、學(xué)科界限越來越模糊等。21661年波義耳在其著名論文“懷疑派的化學(xué)家”中提出“元素”的概念，從而化學(xué)被確定為一門學(xué)科。1803年道爾頓提出原子論。1811年阿伏加德羅提出了“分子”的概念。1860年康尼查羅提出了原子--分子論。1870年門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律，奠定了化學(xué)學(xué)科的 理論基礎(chǔ)。19世紀(jì)末化學(xué)的重要分支（二級學(xué)科）分析化學(xué)、無機(jī)化 學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)相繼建立，這種分工大 大推動了化學(xué)研究的深化。20世紀(jì)

量子力學(xué)的誕生，近鄰學(xué)科特別是物理學(xué)、生物學(xué) 和數(shù)學(xué)的發(fā)展，以及各種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)及精密儀 器的發(fā)明和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使化學(xué)學(xué)科得到迅猛 的發(fā)展。

化學(xué)理論發(fā)展的重要軌跡

31.120世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破(1)放射性和鈾裂變的重大發(fā)現(xiàn)

1903年居里夫婦因發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)400倍的釙，以及放射性比鈾強(qiáng)200多萬倍的鐳為此而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1911年為表彰居里夫人在發(fā)現(xiàn)釙和鐳、開拓放射化學(xué)新領(lǐng)域以及發(fā)展放射性元素的應(yīng)用方面的貢獻(xiàn)，居里夫人被授予了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

1908年盧瑟福因從事關(guān)于元素衰變和放射性物質(zhì)的研究,提出了原子的有核結(jié)構(gòu)模型和放射性元素的衰變理論而獲得了的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1935年約里奧-居里夫婦因第一次用人工方法創(chuàng)造出放射性元素而榮獲了的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

1938年費(fèi)米因人工合成了60種新的放射性元素而獲得了的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1944年哈恩因發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).1942年費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)下成功的建造了第一座原子反應(yīng)堆。1945年美國在日本投下了原子彈。4(2)化學(xué)鍵和現(xiàn)代量子化學(xué)理論的建立

鮑林在化學(xué)鍵本質(zhì)研究和應(yīng)用化學(xué)鍵理論來闡明物質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲1945年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)許多化學(xué)家近半個(gè)世紀(jì)的努力，現(xiàn)代量子化學(xué)理論不斷發(fā)展和完善，化學(xué)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算并重的時(shí)代?；瘜W(xué)家們由淺入深，認(rèn)識分子的本質(zhì)及其相互作用的基本原理，從而讓人們進(jìn)入分子的理性設(shè)計(jì)的高層次領(lǐng)域。

1.120世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破

5(3)創(chuàng)造新物質(zhì)——合成化學(xué)

近百年來化學(xué)家(特別是有機(jī)化學(xué)家)已經(jīng)設(shè)計(jì)和合成了數(shù)千萬個(gè)化合物，幾乎又創(chuàng)造了一個(gè)新的自然界；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了大量的新反應(yīng)、新試劑、新方法和新理論。1912年格林尼亞因發(fā)明格林尼亞試劑，開創(chuàng)了有機(jī)金屬化合物在各種官能團(tuán)反應(yīng)中的新領(lǐng)域而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)代有機(jī)合成化學(xué)是經(jīng)過20世紀(jì)近100年的研究、探索發(fā)展到今天已可以合成像?？舅?Polytoxin)這樣復(fù)雜的有機(jī)分子(具有64個(gè)手性中心的7個(gè)骨架內(nèi)雙鍵的分子，存在271≈2×1021個(gè)異構(gòu)體)。

1.120世紀(jì)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究的重大突破6?？舅氐姆肿咏Y(jié)構(gòu)分子式為C129H223N3O54

有64個(gè)不對稱碳和7個(gè)骨架內(nèi)雙鍵,異構(gòu)體數(shù)目多達(dá)271個(gè)有機(jī)合成杰作1989年美國哈佛大學(xué)Kishi宣布全合成64個(gè)手性中心2×1021個(gè)同分異構(gòu)體7VB12分子結(jié)構(gòu)R.B.Woodward合成1965年獲Nobel化學(xué)獎(jiǎng)有機(jī)合成杰作8藥物合成——抗生素隨即篩選分子設(shè)計(jì)920世紀(jì)合成化學(xué)的輝煌成就10(4)高分分子科學(xué)的的建立和發(fā)發(fā)展20世紀(jì)的的人類社會會文明的標(biāo)標(biāo)志之一是是合成材料的出現(xiàn)。1953年年H.Staudinger因提出了了高分子這這個(gè)概念，，創(chuàng)立了高高分子鏈型型學(xué)說建立立了高分子子粘度與分分子量之間間的定量關(guān)關(guān)系，從而而獲得了的的諾貝爾化化學(xué)獎(jiǎng)。1963年年Ziegler和和Natta因發(fā)現(xiàn)現(xiàn)了配位聚聚合反應(yīng)和和實(shí)現(xiàn)了丙丙烯的定向向聚合而共共獲了諾貝貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。1974年年Flory因在高高分子性質(zhì)質(zhì)方面的成成就也獲得得了諾貝爾爾化學(xué)獎(jiǎng)。。三大傳統(tǒng)合成材料塑料橡膠纖維新型功能材料

光電材料信息儲存材料光導(dǎo)纖維超導(dǎo)……1.120世紀(jì)化化學(xué)學(xué)科基11(5)化學(xué)學(xué)動力力學(xué)與與分子子反應(yīng)應(yīng)動態(tài)態(tài)學(xué)的的發(fā)展展揭示化學(xué)反反應(yīng)的的歷程程和研究究物質(zhì)的的結(jié)構(gòu)構(gòu)與其其反應(yīng)應(yīng)能力力之間間的關(guān)關(guān)系，是控控制化化學(xué)反反應(yīng)過過程的的需要要。1956年年由前前蘇聯(lián)聯(lián)的謝謝苗諾諾夫和和英國國的欣欣歇爾爾伍德德在化學(xué)反反應(yīng)機(jī)機(jī)理、反應(yīng)速速度和鏈?zhǔn)椒捶磻?yīng)方面的的開創(chuàng)創(chuàng)性研研究而而獲諾諾貝爾爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。。同時(shí)時(shí)研究究快速速反應(yīng)應(yīng)的技技術(shù)得得到發(fā)發(fā)展，，現(xiàn)在在可以以研究究十億億分之之一秒秒內(nèi)發(fā)發(fā)生的的化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)。美美籍華華人化化學(xué)家家李遠(yuǎn)遠(yuǎn)哲及及美國國化學(xué)學(xué)家赫赫希巴巴赫首首先研研制成成功能能獲得得各種種態(tài)信信息的的交叉分分子束束實(shí)驗(yàn)裝裝置，，從微微觀角角度來來認(rèn)識識化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)，發(fā)發(fā)展了了分子反反應(yīng)動動態(tài)學(xué)學(xué)，亦稱稱態(tài)--態(tài)態(tài)化學(xué)學(xué)，對對化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)的基基本原原理做做出了了重要要突破破。(榮獲獲1986年諾諾貝爾爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng))。1.120世世紀(jì)化化學(xué)學(xué)學(xué)科基基礎(chǔ)研研究的的重大大突破破12關(guān)于化化學(xué)反反應(yīng)的的歷程程的重重要研研究成成果……1956年年Semenov和和Hinchelwood在在化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)機(jī)理理、反反應(yīng)速速度和和鏈?zhǔn)绞椒磻?yīng)應(yīng)方面面的開開創(chuàng)性性研究究獲得得了諾諾貝爾爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。。1967年年EigenPorter和Norrish因發(fā)發(fā)展了了閃光光光解解法技技術(shù)用用于研研究發(fā)發(fā)生在在十億億分之之一秒秒內(nèi)的的快速速化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)，對對快速速反應(yīng)應(yīng)動力力學(xué)研研究作作出了了重大大貢獻(xiàn)獻(xiàn)，三三人共共獲了了諾貝貝爾化化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。1986年年李遠(yuǎn)遠(yuǎn)哲、、Herschbach和Polany因因發(fā)明明了獲獲得各各種態(tài)態(tài)信息息的交交叉分分子束束技術(shù)術(shù)，并并利用用該技技術(shù)F+H2的的反應(yīng)應(yīng)動力力學(xué)（（態(tài)－－態(tài)化化學(xué)）），對對化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)的基基本原原理作作出了了重要要貢獻(xiàn)獻(xiàn)，為為此共共獲了了諾貝貝爾化化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。1999年年Zewail因利利用飛飛秒光光譜技技術(shù)研研究過過渡態(tài)態(tài)的成成就獲獲諾貝貝爾化化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。……13飛秒化化學(xué)飛秒化化學(xué)是是研究究在極飛秒化化學(xué)的的技術(shù)術(shù)基礎(chǔ)礎(chǔ)———飛秒秒激光光。不不同波波長的的激光光可以以選擇擇性地地激發(fā)發(fā)和檢檢測不不同的的分子子，或或者同同一分分子的的不同同內(nèi)部部能量量狀態(tài)態(tài)，或或量子子態(tài)分分布。。從分子子的角角度來來說，，化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)的本本身就就是分分子體體系的的波函函數(shù)隨隨時(shí)間間的變變化，，在勢勢能面面上運(yùn)運(yùn)動的的過程程。實(shí)實(shí)驗(yàn)上14(6)分析析科學(xué)學(xué)的發(fā)發(fā)展20世世紀(jì)70年年代，，生命命科學(xué)學(xué)、信信息科科學(xué)和和計(jì)算算機(jī)技技術(shù)的的發(fā)展展，使使分析析化學(xué)學(xué)進(jìn)入入了嶄嶄新階階段，，它不不只限限于測測定物物質(zhì)的的組成成和含含量，，而要要對物質(zhì)的的狀態(tài)態(tài)(氧化化．還還原態(tài)態(tài)、各各種結(jié)結(jié)合態(tài)態(tài)、結(jié)結(jié)晶態(tài)態(tài))、、結(jié)構(gòu)(一維維、二二維、、三維維空間間分布布)、、微區(qū)區(qū)、薄薄層和和表面面的組組成與與結(jié)構(gòu)構(gòu)以及及化學(xué)行行為和生物活活性等做出出瞬時(shí)時(shí)追蹤蹤，無損和在線監(jiān)監(jiān)測等分析析及過過程控控制，，甚至至要求求直接觀觀察原原子和和分子子的形形態(tài)與與排列列。分析析化學(xué)學(xué)成為為一門門儀器器裝置置和測測量的的科學(xué)學(xué)。1990年年開始始的人人類基基因組組計(jì)劃劃(HGP)中中，由由于DNA測序序技術(shù)術(shù)不斷斷推陳陳出新新，從從板凝膠膠電泳到到凝膠毛毛細(xì)管管電泳、、線性高高分子子溶液液毛細(xì)細(xì)管電泳、、到陣列毛毛細(xì)管管電泳，，直至至全基因因組鳥鳥槍測序技技術(shù)。。終于于使人人類基基因組組計(jì)劃劃提前前到2001年年完成成。分分析化化學(xué)在在推進(jìn)進(jìn)人們們弄清清環(huán)境境和生生命有有關(guān)的的化學(xué)學(xué)問題題中起起著關(guān)關(guān)鍵作作用。。1.120世世紀(jì)化光譜：：原子子吸收收、原原子發(fā)發(fā)射波譜：：紅外外光譜譜、紫紫外光光譜核磁共共振、、質(zhì)譜譜能譜：：電子子能譜譜色譜：：氣相相色譜譜、液液相色色譜X-射射線衍衍射：：單晶晶、粉粉末15(7)生生命科科學(xué)生物小小分子子化學(xué)學(xué)，蛋蛋白質(zhì)質(zhì)化學(xué)學(xué)核酸化化學(xué)，，糖化化學(xué)蛋白質(zhì)質(zhì)的化化學(xué)結(jié)構(gòu)：：一級級結(jié)構(gòu)構(gòu),二二級級結(jié)構(gòu)構(gòu),三級結(jié)結(jié)構(gòu),四四級結(jié)結(jié)構(gòu)氨基酸酸序列列分析析儀酶的化化學(xué)酶催化化的機(jī)機(jī)理化學(xué)模模擬生物合合成與與生物物轉(zhuǎn)化化核酸的的化學(xué)學(xué)DNA雙螺螺旋結(jié)結(jié)構(gòu)的的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)（Watson-Crick獲獲1962年諾諾貝爾爾醫(yī)學(xué)學(xué)或生生理學(xué)學(xué)獎(jiǎng))堿基配配對原原則DNA的復(fù)復(fù)制基因表表達(dá)遺傳密密碼的的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)中心法法則1.120世世紀(jì)化化學(xué)學(xué)學(xué)科基基礎(chǔ)研研究的的重大大突破破1620世世紀(jì)初初開始始生物物小分分子（（如糖糖、血血紅素素、葉葉綠素素、維維生素素等））的化化學(xué)結(jié)結(jié)構(gòu)與與合成成研究究就多多次獲獲諾貝貝爾化化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)1955年年首次次合成成多肽肽激素素催產(chǎn)產(chǎn)素和和加壓壓素，，獲1955年年諾貝貝爾化化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)；1960年年成功功地測測定了了鯨肌肌紅旦旦白和和馬血血紅蛋蛋白的的空間間結(jié)構(gòu)構(gòu)，獲獲1962年諾諾貝爾爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)；；1980年年P(guān).Berg、F.Sanger和和W.Gilbert因因在DNA分裂裂和重重組、、DNA測測序以以及現(xiàn)現(xiàn)代基基因工工程學(xué)學(xué)方面面的杰杰出貢貢獻(xiàn)而而共獲獲諾貝貝爾化化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。1982年年A.Klug因發(fā)發(fā)明““象重重組““技術(shù)術(shù)和揭揭示病病毒和和細(xì)胞胞內(nèi)遺遺傳物物質(zhì)的的結(jié)構(gòu)構(gòu)而獲獲得諾諾貝爾爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。。1993年年M.Smith因因發(fā)明明寡核核苷酸酸定點(diǎn)點(diǎn)誘變變法以以及K.B.Mullis因因發(fā)明明多聚聚酶鏈鏈?zhǔn)椒捶磻?yīng)技技術(shù)對對基因因工程程的貢貢獻(xiàn)而而共獲獲諾貝貝爾化化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。化學(xué)在在生命命科學(xué)學(xué)領(lǐng)域域的重重要研研究成成果17DNA18蛋白酶酶的一一種———胰胰蛋白白酶的的結(jié)構(gòu)構(gòu)和排排列順順序示示意圖圖19

1965年年9月月，我我國科科學(xué)家家汪猷猷帥上百位位化學(xué)學(xué)工作作者經(jīng)經(jīng)過6年多多堅(jiān)持持不懈懈的努努力，，獲得得了人人工全全合成成牛胰胰島素素晶體體。這這是世世界上上第一一個(gè)人人工合合成的的蛋白白質(zhì)。。兩條肽肽鏈:A鏈鏈21個(gè)氨氨基酸酸殘基基,B鏈30個(gè)個(gè)殘基基,分分子量量5700道爾爾頓,1953年確確定全全部化化學(xué)結(jié)結(jié)構(gòu).1965年人工合合成牛牛胰島島素201.220世世紀(jì)化化學(xué)工工業(yè)的的大發(fā)發(fā)展(1)石油油化工工成為為支柱柱產(chǎn)業(yè)業(yè)20世世紀(jì)30年年代催催化劑劑進(jìn)入入石油油化工工，催化動動力學(xué)學(xué)的發(fā)21(2)三大大合成成材料料時(shí)代代20世紀(jì)1.220世世紀(jì)化學(xué)學(xué)工業(yè)的的大發(fā)展展22(3)化化肥（農(nóng)農(nóng)藥）工工業(yè)的巨巨大作用用20世紀(jì)紀(jì)面臨人人口大幅幅度增長長和糧食食需求迅迅速增加加的局面面。在解解決這一一困難中中，化肥肥起了重重要作用用。其中中氮肥的生產(chǎn)關(guān)關(guān)鍵問題題是如何何利用大大氣中的的氮大規(guī)規(guī)模合成成肥料。。1909年德德國化學(xué)學(xué)家哈伯伯用鋨作作催化劑劑成功地地建立了了每小時(shí)時(shí)產(chǎn)生80克氨氨的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)裝置。。哈伯因因此而榮榮獲1918年年諾貝爾爾化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。1931年年德國博博施建成成第一個(gè)個(gè)用鐵催催化劑的的合成氨工廠日產(chǎn)產(chǎn)量為30噸。。(榮獲獲1931年諾諾貝爾化化學(xué)獎(jiǎng))。60多年來來，不斷斷對合成成氨工藝藝進(jìn)行改改進(jìn)并引引入現(xiàn)代代化工技技術(shù)。我我國是農(nóng)農(nóng)業(yè)大國國，肥料料是增產(chǎn)產(chǎn)的關(guān)鍵鍵措施。。目前已已達(dá)年產(chǎn)產(chǎn)2000萬噸噸的規(guī)模模，占世世界第二二位。1.220世世紀(jì)化學(xué)學(xué)工業(yè)的的大發(fā)展展23(4)醫(yī)醫(yī)藥工業(yè)業(yè)的大發(fā)發(fā)展20世紀(jì)紀(jì)人類壽壽命顯著著延長，，70歲歲以上的的老人比比例顯著著提高，，估計(jì)20世紀(jì)紀(jì)人類平平均壽命命增加30歲左左右。人人類壽命命延長的的原因之之一是醫(yī)醫(yī)療條件件的改善善，其中中針對人人類常見見病、多多發(fā)病的的新藥的的研制成成功是關(guān)關(guān)鍵因素素。醫(yī)藥藥工業(yè)的的發(fā)展與與化學(xué)緊緊密相關(guān)關(guān)?；瘜W(xué)學(xué)合成藥藥在醫(yī)學(xué)學(xué)工業(yè)中中占主導(dǎo)導(dǎo)地位。?；前匪幩幨堑诙问澜缃绱髴?zhàn)前前惟一有有效的抗抗細(xì)菌感感染的藥藥物。Domagk因因此而在在1939年榮榮獲諾貝貝爾生理理及醫(yī)藥藥獎(jiǎng)?；前奉愃幩幬锏膯枂柺罉?biāo)志志著化學(xué)學(xué)療法方方面的一一大突破破。第二次次世界大大戰(zhàn)后，，磺胺藥藥逐漸讓讓位于治治療效果果更好的的抗生素素類藥，，如青霉霉素、四四環(huán)素、、紅霉素素、氯霉霉素、頭頭孢菌素素等。目目前世界界藥物市市場的年年銷售量量約為3000億美元元，在世世界經(jīng)濟(jì)濟(jì)發(fā)展中中有舉足足輕重的的作用。。1.220世世紀(jì)化學(xué)學(xué)工業(yè)的的大發(fā)展展24美國90年代化化學(xué)工業(yè)業(yè)產(chǎn)值約約占30％，化化學(xué)品出出口占總總出口的的30％％，位居居世界第第二位。。美國的調(diào)調(diào)查報(bào)告告“化學(xué)中的的機(jī)會”指出，，化學(xué)工工業(yè)在國國際市場場上要保保持競爭爭力，主主要看作作為基礎(chǔ)礎(chǔ)學(xué)科的的化學(xué)能能否保持持領(lǐng)先地地位。可可見，沒沒有基礎(chǔ)礎(chǔ)學(xué)科的的發(fā)展為為后盾，，國民經(jīng)經(jīng)濟(jì)、高高新技術(shù)術(shù)的發(fā)展展是不可可能的。?；瘜W(xué)工業(yè)業(yè)已成為為某些國國家的支支柱產(chǎn)業(yè)業(yè)25化學(xué)從原原子分子子水平研研究物質(zhì)質(zhì)的組成成、結(jié)構(gòu)構(gòu)、性質(zhì)質(zhì)及應(yīng)用用的科學(xué)學(xué)?！瘜W(xué)學(xué)教科書書2化學(xué)學(xué)學(xué)科的的內(nèi)涵及及地位作作用化學(xué)為總總管物質(zhì)質(zhì)在原子子、分子子層次上上變化之之科學(xué)。?！朴徐骰瘜W(xué)是一一門試圖圖了解物物質(zhì)的性性質(zhì)和物物質(zhì)發(fā)生生反應(yīng)的的科學(xué)，，它涉及及存在于于自然界界的物質(zhì)質(zhì)（如地地球上的的礦物、、空氣中中的氣體體、海洋洋里的水水和鹽、2.1化化學(xué)學(xué)學(xué)科的定定義與內(nèi)內(nèi)涵26徐光憲.化學(xué)學(xué)科科進(jìn)展[M],北京:化工出出版社,2005:12一維定義——X定義化學(xué)是研究X對象的科學(xué)X——泛分子，包括10個(gè)層次：①原子;②分子片;③分子;④超分子;⑤高分子;⑥生物分子;⑦納米分子;⑧原子和分子的宏觀聚集體;⑨復(fù)雜分子體系和自組裝分子二維定義——XY定義化學(xué)是研究X對象的Y內(nèi)容的科學(xué)Y——合成和反應(yīng)、制備、剪裁和組裝、分離和分析、結(jié)構(gòu)和構(gòu)象、粒度和形貌、物理和化學(xué)性質(zhì)、生理和生物活性、運(yùn)輸和調(diào)控作用機(jī)制等個(gè)方面的規(guī)律、相互關(guān)系和應(yīng)用三維定義——XYZ定義化學(xué)是用Z方法研究X對象的Y內(nèi)容的科學(xué)Z——實(shí)驗(yàn)，理論和計(jì)算機(jī)模擬四維定義——XYZW定義化學(xué)是用Z方法研究X對象的Y內(nèi)容以達(dá)到W目的的科學(xué)W——認(rèn)識世界，改造自然和保護(hù)世界分子片是是指組成成分子的的碎片272.2化化學(xué)學(xué)學(xué)科在科科學(xué)發(fā)展展中的地地位R.Breslow(1997)ChemistryTodayandTomorrow——TheCentral,UsefulandCreativeScience化學(xué)的今今天和明明天———化學(xué)是是一門中中心的、、實(shí)用的的和創(chuàng)造造性的科科學(xué)28從早晨開開始，我我們在用用化學(xué)品品建造的的住宅中中醒來，，家具是是部分地地用化學(xué)學(xué)工業(yè)生生產(chǎn)的現(xiàn)現(xiàn)代材料料制作的的，我們們使用化化學(xué)家們們設(shè)計(jì)的的肥皂和和牙膏并并穿上由由合成纖纖維和合合成染料料制成的的衣服，，即使天天然纖維維（如羊羊毛或棉棉花）為了保鮮起見，食品要被包裝和冷藏起來，而這些食品要么用化肥、除草劑和農(nóng)藥使之生長；要么家畜類需獸醫(yī)藥來防病；要么需加入維生素后食用；甚至我們購買的天然食品，如牛奶，也必須經(jīng)過化學(xué)檢驗(yàn)后方可食用。我們的交通工具——汽車、火車、飛機(jī)——在很大程度上依靠化學(xué)工業(yè)的產(chǎn)品；晨報(bào)是用化學(xué)家們制造的油墨在用化學(xué)方法制造的紙上印刷的；用于說明事物的照片要用化學(xué)家們制造的膠卷和膠片；日常生活中的金屬制品都是用經(jīng)過以化學(xué)為基礎(chǔ)的冶煉轉(zhuǎn)化為金屬或合金后制造的，為了保護(hù)它們還要涂上油漆。

化妝品是由化學(xué)家制造和檢驗(yàn)過的；警察和軍人用的武器也都依靠化學(xué)。事實(shí)上，在我們的日常生活中很難找出一種不依靠化學(xué)和化學(xué)家?guī)椭圃斐鰜淼漠a(chǎn)品。——《化化學(xué)的今今天和明明天》R.Breslow（1997年）29第1章化化學(xué)是是一門中中心的、、實(shí)用的的和創(chuàng)造造性的科科學(xué)11什么么是化學(xué)學(xué)

2化化學(xué)家做做什么13早早期的化化學(xué)有些些什么14為為什么化化學(xué)家成成這門學(xué)學(xué)科為““中心科科學(xué)”15是是什么是是化學(xué)成成為“使使用的科科學(xué)”和和創(chuàng)造性性的科學(xué)學(xué)

16那些是是化學(xué)的的基本原原理17化學(xué)學(xué)領(lǐng)域有有多大關(guān)關(guān)于未未來第第2章健健康和和生命的的化學(xué)21藥藥物化學(xué)學(xué)在過去去對人類類健康有有哪些貢貢獻(xiàn)22藥物物化學(xué)家家是怎樣樣設(shè)計(jì)或或發(fā)現(xiàn)新新藥的23藥藥物化學(xué)學(xué)家現(xiàn)在在忙于什什么24化學(xué)學(xué)家對了了解生命命的本質(zhì)質(zhì)有什么么貢獻(xiàn)？？光和作作用化學(xué)學(xué)簡介25化化學(xué)在分分子生物物學(xué)和生生物技術(shù)術(shù)中的作作用是什45我們能否否控制蟲害而而不危害有用用的動物46我們則樣樣能保證新合合成的哈制品品不會破壞環(huán)環(huán)境，或沒有有不良的生物物效應(yīng)

不是是所有的不良良化學(xué)效應(yīng)都都是致命的關(guān)關(guān)于未來第第5章計(jì)計(jì)算機(jī)與化30化學(xué)是承上啟啟下的中心學(xué)學(xué)科(centralscience)科學(xué)按照其研研究對象由簡簡單到復(fù)雜分分為：上游：數(shù)學(xué)、、物理學(xué)———研究對象簡簡單，研究程程度很深中游：化學(xué)下游：生命、、材料、環(huán)境境——研究對對象復(fù)雜化學(xué)是中心科科學(xué)，是從上上游到下游的的必經(jīng)之地，，永遠(yuǎn)不會象象有些人估計(jì)計(jì)的那樣將要要在物理學(xué)與與生物學(xué)的夾夾縫中逐漸消消亡！化學(xué)是一門中中心科學(xué)徐光憲.今日日化學(xué)的何去去何從[J],大學(xué)化學(xué)學(xué),2003,18(1):1化學(xué)是與信息息、生命、材材料、環(huán)境、、能源、地球球、空間和核核科學(xué)等八大大朝陽科學(xué)都都有密切的聯(lián)聯(lián)系、交叉和和滲透的中心心科學(xué)。31化學(xué)是一門實(shí)實(shí)用的科學(xué)人類之衣、食食、住、行和和娛樂無不與與化學(xué)有關(guān)。。◆當(dāng)前一些重大大的工業(yè)過程程基本上都基基于化學(xué)過程程。◆世界專利發(fā)明明中有20%與化學(xué)有關(guān)關(guān)?！舭l(fā)達(dá)國家從事事研究與開發(fā)發(fā)的科研人員員中，化學(xué)與與化工專家占占一半左右。?！艋て髽I(yè)產(chǎn)品品的更新?lián)Q代代依靠化學(xué)的的進(jìn)步，而化化工產(chǎn)品的產(chǎn)產(chǎn)值和出口比比例在國民經(jīng)經(jīng)濟(jì)中一直保保持著領(lǐng)先地地位。32化學(xué)是一門創(chuàng)創(chuàng)造性的科學(xué)學(xué)化學(xué)家辛勤的的耕耘著元素素周期體系中中的百余個(gè)化化學(xué)元素并整整理著天然產(chǎn)產(chǎn)物，所發(fā)現(xiàn)現(xiàn)的新化合物物幾乎每10年約翻一番番。隨著化學(xué)學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)理理論及合成方方法的不斷發(fā)發(fā)展和完善，，新化合物的的增加速率已已快于指數(shù)表表達(dá)方式，90年代以來來每年新增的的化合物約有有60余萬種種。迄今化學(xué)學(xué)家已經(jīng)擁有有1900多多萬種化合物物，其中絕大大多數(shù)是由化化學(xué)家合成的的?；瘜W(xué)在舊的自自然界旁又建建起了一個(gè)新新的自然界。。——R.B.Woodward33化學(xué)思想———科學(xué)哲學(xué)思思想的重要組組成部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證思想想——實(shí)驗(yàn)方法法來驗(yàn)證和探探究化學(xué)知識識的思想守恒思想：①能量守恒恒;②質(zhì)量守守恒;③電荷荷守恒/得失失電子守恒動態(tài)平衡思想想——用平衡移移動的原理來來分析粒子之之間相互反應(yīng)應(yīng),系統(tǒng)了解解闡釋溶解平平衡、化學(xué)平平衡、電離平平衡、水解平平衡、氧化還還原平衡等多多種平衡體系系的本質(zhì)。量變質(zhì)變思想想——質(zhì)量互變規(guī)律律在化學(xué)學(xué)科科的應(yīng)用。例例如：溫度改改變，物質(zhì)狀狀態(tài)的改變；；元素原子個(gè)個(gè)數(shù)或排列方方式不同，產(chǎn)產(chǎn)生了不同的的物質(zhì)（同素素異形體和同同分異構(gòu)體））；反應(yīng)物之之間物質(zhì)的量量的比例不同同，產(chǎn)物不同同；反應(yīng)條件件的不同，產(chǎn)產(chǎn)物不同；隨隨原子序數(shù)遞遞增，原子結(jié)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)周期期性的變化，，元素的性質(zhì)質(zhì)也呈周期性性的變化；定定性實(shí)驗(yàn)和定定量實(shí)驗(yàn)的相相互關(guān)系等。。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)質(zhì)思想——物質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)決定物質(zhì)性性質(zhì)，物質(zhì)性性質(zhì)反映了物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)34化學(xué)與生物學(xué)學(xué)的不同“生物學(xué)家致致力于闡明自自然生命的過過程，而化學(xué)學(xué)家則習(xí)慣于于如何去調(diào)控控這一過程””?！狣oyleandCoray,Chemistry&Biology,1998,5,157-160)生物學(xué)家注意意認(rèn)識世界，，而化學(xué)家則則想改造世界界?！盎瘜W(xué)家看起起來比較審慎慎,善于分析析并較多的在在本學(xué)科內(nèi)獨(dú)獨(dú)善其身。他他們將注意力力集中在分子子上面，他們們醉心于一個(gè)個(gè)多手心的中中心、具有很很大合成難度度的分子帶來來的挑戰(zhàn)，并并力圖用最短短的路線和最最高的產(chǎn)率來來得到目標(biāo)分分子，通過用用相對較少但但巧妙的技術(shù)術(shù)以獲得精確確的資料。對對他們來講注注重蛋白質(zhì)和和核酸的化學(xué)學(xué)更甚于它們們的生理重要要性。另一方方面。生物學(xué)學(xué)家似乎較具具有藝術(shù)性、、調(diào)和性和主主要用右腦思思考。他們喜喜歡使用種類類繁多卻不太太精密的技術(shù)術(shù)來研究細(xì)胞胞和器官內(nèi)的的復(fù)雜現(xiàn)象。。他們喜歡神神秘和復(fù)雜，，當(dāng)揭去面紗紗，顯露出分分子本質(zhì)時(shí)，，他們中有些些人則會感到到失望”。——Kornberg,Chemistry&Biology,1996,3,3-53520世紀(jì)化學(xué)學(xué)并未獲得社社會應(yīng)有的認(rèn)認(rèn)同報(bào)刊上提及20世紀(jì)發(fā)明明的六大技術(shù)術(shù)——應(yīng)為七七大技術(shù)！信息技術(shù)（無無線電、半導(dǎo)導(dǎo)體、芯片、、集成電路、、計(jì)算機(jī)、通通訊和網(wǎng)絡(luò)））生物技術(shù)（基基因重組、克克隆和生物芯芯片）核科學(xué)和核武武器技術(shù)航空航天和導(dǎo)導(dǎo)彈技術(shù)激光技術(shù)納米技術(shù)化學(xué)合成技術(shù)術(shù)（新藥物、、新材料、高高分子、化學(xué)學(xué)和農(nóng)藥）化學(xué)家缺少品品牌意識，沒沒有在社會上上樹立化學(xué)的的美好品牌，，甚至化學(xué)成為為有毒、有害害、高污染的的代名詞！化學(xué)家太謙虛虛!上述六大技術(shù)術(shù)如果缺少一一兩個(gè)，人類類照樣生存。。但如沒有發(fā)發(fā)明合成氨、、合成尿素和和第一、第二二、第三代新新農(nóng)藥的技術(shù)術(shù)，世界糧食食產(chǎn)量至少要要減半，60億人口中得得30億就會會餓死。沒有有發(fā)明合成橡橡膠、合成塑塑料的技術(shù)，，人類生活要要受到很大的的影響。36從人類對七七大技術(shù)發(fā)發(fā)明的需要要迫切性來來排序：化學(xué)合成和和分離技術(shù)術(shù)；信息技技術(shù)；生物物技術(shù)；航航空航天技技術(shù)；核技技術(shù)；納米米技術(shù)；激激光技術(shù)按20世紀(jì)紀(jì)的七大技技術(shù)發(fā)明衍衍生的產(chǎn)業(yè)業(yè)規(guī)模及其其對世界經(jīng)經(jīng)濟(jì)的影響響來排序：：信息產(chǎn)業(yè)；；化學(xué)合成成；航天航航空技術(shù)；；核技術(shù)；；生物技術(shù)術(shù)；納米技技術(shù)；激光光技術(shù)按人類需要要的迫切性性和其衍生生的產(chǎn)業(yè)規(guī)規(guī)模排序20世紀(jì)和和21世界界上半葉理理應(yīng)稱為是是信息和化化學(xué)合成時(shí)時(shí)代，21世界下半半葉才能成成為生物技技術(shù)時(shí)代??！37未來化學(xué)所所面臨的重重大挑戰(zhàn)環(huán)境問題人口控制與與健康食品問題資源與可持持續(xù)發(fā)展321世世紀(jì)化學(xué)學(xué)學(xué)科的發(fā)展展趨勢38（1）化學(xué)學(xué)的第一根根本規(guī)律——化學(xué)反應(yīng)理理論和定律律建立精確有有效而又普普遍適用的的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)的含時(shí)多多體量子理理論和統(tǒng)計(jì)計(jì)理論。（2）化學(xué)學(xué)的第二根根本規(guī)律——分子結(jié)構(gòu)及及其性能的的定量關(guān)系系分子和分子子間的非共共價(jià)鍵的相相互作用的的本質(zhì)和規(guī)規(guī)律；超分分子結(jié)構(gòu)的的類型，生生成和調(diào)控控的規(guī)律；；給體--受體作用用原理；進(jìn)進(jìn)一步完善善原子價(jià)和和化學(xué)鍵理理論，特別別是無機(jī)化化學(xué)中的共共價(jià)問題；；生物大分分子的一級級結(jié)構(gòu)如何何決定高級級結(jié)構(gòu)？高高級結(jié)構(gòu)又又如何決定定生物和生生理活性？？……。（3）活分分子運(yùn)動的的基本規(guī)律律充分認(rèn)識和和徹底了解解人類和生生物體內(nèi)分分子的運(yùn)動動規(guī)律。如如在地球元素素的生態(tài)循循環(huán)中，植植物界做了了兩件偉大大的事：光光合作用———活分子子催化劑葉葉綠素是怎怎樣作用的的？生物固固氮——豆豆科植物的的根瘤菌能能打開非常常穩(wěn)定的氮氮分子中的的化學(xué)鍵，，生成含氮氮小分子，，再進(jìn)一步步合成蛋（4）納米尺度的基本規(guī)律

當(dāng)尺度在十分之幾到10nm的量級，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊界中，有許多新的奇異特性和新的效應(yīng)，新的規(guī)律和重要應(yīng)用，值得理論化學(xué)家去探索研究。21世紀(jì)3921世紀(jì)物物理學(xué)提出出了五大理理論難題（1）4種種作用力場場的統(tǒng)一問問題，相對對論和量子子力學(xué)的統(tǒng)統(tǒng)一問題。。（2）對稱稱性破缺問問題。（3）占宇宇宙總質(zhì)量量90%的的暗物質(zhì)是是什么的問問題。（4）黑洞洞和類星體體問題。（5）夸克克禁閉問題題等。21世紀(jì)的的生物學(xué)也也有重大難難題和奮斗斗目標(biāo)：（1）后基基因組學(xué)和和人類疾病病的消除。。（2）蛋白白質(zhì)組學(xué)。。（3）腦科科學(xué)。（4）生物物如何進(jìn)化化？生命如如何起源等等。21世紀(jì)物物理學(xué)和生生物學(xué)的難難題40321世世紀(jì)化學(xué)學(xué)學(xué)科的發(fā)展展趨勢3.1人人類社會會的發(fā)展對對化學(xué)的需需求(1)化學(xué)學(xué)仍是解決決食物和健健康問題的的主要學(xué)科科之一化學(xué)將支撐撐生物學(xué)在在提供優(yōu)良良品種，提提供轉(zhuǎn)基因因生物等化學(xué)將在設(shè)計(jì)、合成功能分子和結(jié)構(gòu)材料以及分子層次闡明和控制生物過程的機(jī)理方面，為研究開發(fā)高效安全肥料、飼料、農(nóng)藥、農(nóng)用材料、生物肥料、生物農(nóng)藥打下基礎(chǔ)利用化學(xué)和生物方法增加動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劑，改正食品儲存加工方法，減少不安全因素，是化學(xué)研究的重要內(nèi)容(2)化學(xué)學(xué)在能源和和資源的合合理開發(fā)和和高效安全全利用起關(guān)關(guān)鍵作用要研究高效效潔凈的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化技術(shù)和和控制低品品位燃料的的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)（保護(hù)環(huán)環(huán)境，降低低成本）開發(fā)新能源源，太陽能能以及高效效潔凈的化化學(xué)電源與與燃料電池池等將成為為21世紀(jì)紀(jì)的重要能能源要研究重要要礦產(chǎn)資源源（如稀土土）的分離離和深加工工技術(shù)以及及利用41(3)化學(xué)學(xué)將繼續(xù)推推動材料科科學(xué)發(fā)展末來化學(xué)不不僅要設(shè)計(jì)計(jì)和合成分分子而且要要把這些分分子組裝、、構(gòu)筑成有有特定功能能的材料，，從超導(dǎo)體體到催化劑劑、藥物控控釋載體、、納米材料料都要從分分子以上層層次研究材材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)20世紀(jì)化化學(xué)模擬酶酶的活性中中心已取得得進(jìn)展，未未來將會在在可用于生生產(chǎn)、生活活和醫(yī)療的的模擬酶的的研究方面面有突破21世紀(jì)電電子技術(shù)將將向更快、、更小、功功能更強(qiáng)的的方向發(fā)展展，目前大大家正在致致力于量子子計(jì)算機(jī)、、生物計(jì)算算機(jī)、分子子器件、生生物芯片等等新技術(shù)，，標(biāo)志著分分子電子學(xué)學(xué)、分子信信息技術(shù)的的到來，需需要設(shè)計(jì)、、合成各種種物質(zhì)和材材料.(4)化學(xué)學(xué)仍是提高高人類生存存質(zhì)量和生生存安全的的有效保障障通過研究各各種物質(zhì)和和能的生物物效應(yīng)（正正面和負(fù)面面）的化學(xué)學(xué)基礎(chǔ)特別別是搞清兩兩面性的本本質(zhì)，找出出最佳利用用方案研究開發(fā)對對環(huán)境無害害的化學(xué)品品和生活用用品，研究究對環(huán)境無無害的生產(chǎn)產(chǎn)方式，這這兩方面是是綠色化學(xué)學(xué)的主要內(nèi)內(nèi)容研究大環(huán)環(huán)境和小小環(huán)境（（如室內(nèi)內(nèi)環(huán)境））中不利利因素的的產(chǎn)生、、轉(zhuǎn)化和和與人體體的相互互作用，，提出優(yōu)優(yōu)化環(huán)境境潔凈生生活空間間的途徑徑從分子水水平了解解病理過過程，提提出預(yù)警警生物標(biāo)標(biāo)志物的的檢測方方法，建建議預(yù)防防途徑，，預(yù)防疾疾病423.2化化學(xué)的的基礎(chǔ)研研究方法法的發(fā)展展(1)微微觀與宏宏觀相結(jié)結(jié)合非平衡態(tài)態(tài)熱力學(xué)學(xué)(普里高高津，1977年諾貝貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng))的的貢獻(xiàn)是是教給化化學(xué)家一一把開啟啟從分子子層次洞洞察生命命過程的的鑰匙。。迄今還還需要更更好的理理論和方方法描述述實(shí)際開放放系統(tǒng)(生物體體、河流流、大氣氣等)的的時(shí)--空動態(tài)態(tài)變化。。預(yù)期未未來微觀與宏宏觀將會會更深入入更廣泛泛的結(jié)合合。(2)靜靜態(tài)與動動態(tài)(過過程)相相結(jié)合停流技術(shù)術(shù)的發(fā)展展才使人人們有可可能研究究快速反反應(yīng)過程程。交叉叉分子束束實(shí)驗(yàn)技技術(shù)的建建立使微微觀反應(yīng)應(yīng)動力學(xué)學(xué)有了重重大突破破。近年年來單分分子操作作能夠用用來觀察察分子的的動態(tài)過過程，計(jì)計(jì)算機(jī)能能夠模擬擬分子間間相互作作用的過過程。321世紀(jì)化化學(xué)學(xué)科科的發(fā)展展趨勢43(3)多多學(xué)科的的綜合未來化學(xué)學(xué)研究模模式將體體現(xiàn)在如如下幾個(gè)個(gè)方面：：從實(shí)際際問題中中抽出化化學(xué)基本本問題來來研究；；吸收其其他學(xué)科科的新理理論和新新結(jié)果，，孕育化化學(xué)生長長點(diǎn)；與與其他學(xué)學(xué)科融合合，開拓拓化學(xué)新新領(lǐng)域；；把握動動向和時(shí)時(shí)機(jī)，提提出新的的思路和和新的研研究方向向；重視視化學(xué)學(xué)學(xué)科自身身發(fā)展與與整體科科學(xué)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展相結(jié)合合。321世紀(jì)化化學(xué)學(xué)科科的發(fā)展展趨勢443.3化化學(xué)學(xué)學(xué)科一些些可能的的發(fā)展方方向運(yùn)用現(xiàn)代代實(shí)驗(yàn)方方法和理理論計(jì)算算及模擬擬手段，，探索和和闡明化化學(xué)鍵的的斷裂和和形成之之基本規(guī)規(guī)律，揭揭示物質(zhì)質(zhì)形成于于轉(zhuǎn)化的的內(nèi)在規(guī)規(guī)律。以綠色化化學(xué)為目目標(biāo)，發(fā)發(fā)展分子子物質(zhì)(材料)合成的的新概念念、新反反應(yīng)、新新試劑和和新方法法，使化化學(xué)學(xué)科科更好地地服務(wù)于于社會的的可持續(xù)續(xù)性發(fā)展展。發(fā)展新型型分子物物質(zhì)(材材料)合合成與制制備的催催化體系系，特別別重視不不對稱催催化，提提高合成成與制備備反應(yīng)的的效率和和選擇性性，為分分子物質(zhì)質(zhì)(材料料)合成成與