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千里之行,始于足下讓知識帶有溫度。第第2頁/共2頁精品文檔推薦有機化學的發(fā)展前沿和研究熱點有機化學的進展前沿和討論熱點
20世紀的有機化學,從試驗辦法到基礎(chǔ)理論都有了巨大的發(fā)展,顯示出蓬勃進展的強勁勢頭和活力。世界上每年合成的近百萬個新化合物中約70%以上是有機化合物。其中有些因具有特別功能而用于材料、能源、醫(yī)藥、生命科學、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)分、石油化工、交通、環(huán)境科學等與人類生活密切相關(guān)的行業(yè)中,直接或間接地為人類提供了大量的必須品。與此同時,人們也面向著自然?的和合成的大量有機物對生態(tài)、環(huán)境、人體的影響問題。展望將來,有機化學將使人類優(yōu)化使用有機物和有機反應過程,有機化學將會得到更快速的進展。
有機化學的快速進展產(chǎn)生了不少分支學科,包括有機合成、金屬有機、元素有機、自然?有機、物理有機、有機催化、有機分析、有機立體化學等。下面介紹其中的一部分分支學科,使我們了解有機化學的進展前沿和討論熱點。
(1)有機合成化學
這是有機化學中最重要的基礎(chǔ)學科之一,它是制造新有機分子的主要手段和工具,發(fā)覺新反應、新試劑、新辦法和新理論是有機合成的創(chuàng)新所在。1828年德國化學家維勒用無機物氰酸銨的熱分解辦法,勝利地制備了有機物尿素,揭開了有機合成的帷幕。100多年來,有機合成化學的進展十分快速。
有機合成進展的基礎(chǔ)是各類基本合成反應,不論合成多么復雜的化合物,其全合成可用逆合成分析法(RetrosynthesisAnalysis)分解為若干基本反應,如加成反應、重排反應等。每個基本反應均有它特別的反應功能。合成時可以設(shè)計和挑選不同的起始原料,用不同的基本合成反應,獲得同一個復雜有機分子目標物,起到異曲同工的作用,這在現(xiàn)代有機合成中稱為“合成藝術(shù)”。在化學文獻中常??梢钥吹侥骋挥袡C化合物的全合成同時有多個工作組的報導,而其合成辦法和路線是不同的。那么如何去評價這些不同的全合成路線呢?對一個全合成路線的評價包括:起始原料是否相宜,步驟路線是否簡短易行,總收率凹凸以及合成的挑選性凹凸等。這些對形成有工業(yè)前景的生產(chǎn)辦法和工藝是至關(guān)重要的,也是現(xiàn)代有機合成的進展方向。
(2)金屬有機化學和有機催化
金屬有機化學在20世紀有機化學中是最活躍的討論領(lǐng)域之一,其中特殊是與有機催化聯(lián)系在一起。均相催化使有機化學、高分子化學、生命科學及現(xiàn)代化學工業(yè)進展到一個新的水平。金屬有機化學使人們熟悉到無機化學和有機化學交錯產(chǎn)生的金屬有機化學會產(chǎn)生如此巨大的活力和作用;同時還發(fā)覺許多金屬有機化合物在生物體系內(nèi)有重要的生理功能,如維生素B12,引起了生物學界的關(guān)注。因為金屬有機化學的本身結(jié)構(gòu)和功能的特別性,以及廣泛的應用前景,它在21世紀將有更大的進展。
含有碳-金屬鍵的化合物種類甚多,至今還有不少元素周期表上的金屬元素尚無合成的金屬有機化合物。因此,金屬有機化合物的合成辦法有待進一步討論和深化。如1849年就制得乙基鋅〔Zn(C2H5)2〕,發(fā)覺它有極好的反應性能;以后才相繼制得含鋰、鈉、鉀、鎂、鋁、汞、錫等的金屬有機化合物。但直到20世紀50年月才進展到主族元素和過渡元素的金屬有機化合物。金屬有機化合物的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系是一個很廣泛和重要的討論領(lǐng)域。如茂金屬催化劑,它是烯烴聚合反應的新型催化劑;現(xiàn)在又發(fā)覺二茂鐵可做燃燒催化劑。應用金屬有機化合物作為光學材料、電子材料和醫(yī)藥也是正在開發(fā)的領(lǐng)域。在21世紀將會發(fā)覺更多具有各種特別功能、可用作功能材料的金屬有機化合物。
金屬有機化合物在有機合成的均相催化反應中起著非常重要的作用。往往在金屬有機化合物催化下產(chǎn)生一系列的有機合成反應。各種金屬有機化合物的催化活性是不同的,將其應用于有機合成中將會產(chǎn)生各種不同的反應。有機反應催化劑的研制趨勢是模擬那些能起催化反應的酶。這些模擬酶的挑選性催化劑將在化學合成中展現(xiàn)日新月異的新局面,故有的諾貝爾化學獎獲得者稱其為化學酶。
(3)自然?有機化學
自然?有機化學是討論來自自然界動植物的內(nèi)源性有機化合物的化學。大自然制造的各種有機化合物使生物能生存在陸地、高山、海洋、冰雪之中。發(fā)掘和熟悉自然界的這一豐盛資源是世界進展和人類生存的需要,是有機化學主要討論任務之一,也是熟悉世界的基礎(chǔ)討論。從事自然?產(chǎn)物化學討論的目的是希翼發(fā)覺有生理活性的有效成分,或是直接用于臨床藥物和用于農(nóng)業(yè)作為增產(chǎn)劑和農(nóng)藥,或是發(fā)覺有效成分的主結(jié)構(gòu)作為先導化合物,進一步討論其各種衍生物,從而進展成一類新藥、新農(nóng)藥和植物生長調(diào)整劑等。對于自然界的自然?產(chǎn)物,有機化學家和藥物化學家長久以來向來對它具有廣泛的愛好,并從中已經(jīng)獲得了許多新藥和先導化合物。
(4)物理有機化學
物理有機化學討論有機分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,討論有機化學反應機理及用理論計算化學的辦法來理解、預見和發(fā)覺新的有機化學現(xiàn)象。對有機分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系以及對有機化學反應機理的討論,是希翼從試驗數(shù)據(jù)中找到其內(nèi)在的邏輯,并提高到理論化學的高度來理解和熟悉。
①分子結(jié)構(gòu)測定目前,有機化合物結(jié)構(gòu)測定所用的波譜(紫外、紅外、核磁共振、質(zhì)譜)和X-射線單晶結(jié)構(gòu)分析等已經(jīng)能測定大多數(shù)有機分子的結(jié)構(gòu),但對于結(jié)構(gòu)很復雜的生物大分子或存在量極微的有機化合物結(jié)構(gòu)的測定尚有待于分析儀器設(shè)備的不斷進展。如目前已有800兆核磁共振儀,更高級的已在研制中。某些新型的顯微鏡也正在進展之中,例如可以直接觀看單個分子及其結(jié)構(gòu)的顯微術(shù)。這一領(lǐng)域的進展可能導致一系列生物大分子的發(fā)覺,并測定它們的一級結(jié)構(gòu)以及二、三級結(jié)構(gòu),了解分子在空間的羅列以及分子-分子體系是如何組合的。這是物理有機化學討論的基礎(chǔ)工作,惟獨了解清晰分子結(jié)構(gòu),才有可能聯(lián)系其性能,討論結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。
②反應機理隨著對反應過渡態(tài)及反應活性中間體的討論和確證,往往一個有機化學反應將不單純是某一類反應機理,而是涉及多類有機反應歷程,如自由基反應會涉及電子轉(zhuǎn)移反應?,F(xiàn)有的討論發(fā)展表明,對任何一個有機化學反應歷程,終于必需搞清晰反應過程中原子和分子的碰撞及重組狀況,不同反應步驟的速率及反應中能態(tài)和相關(guān)能量。因此在討論有機反應機理中發(fā)覺新的反應機理是一個方面,而搞清晰已知反應歷程的速率、能量也是控制有機化學反應的一個重要方面。
③分子間的弱互相作用分子間的弱互相作用打算參加反應的分子間的識別,因而打算反應的挑選性;它還打算分子間的聚攏方式。討論分子間弱互相作用及其后果是非常重要的。
(5)生物有機化學
生物有機化學的主要討論對象是核酸、蛋白質(zhì)和多糖三種主要生物大分子及參加生命過程的其他有機化合物分子。它們是維持生命機器正常運轉(zhuǎn)的最重要的基礎(chǔ)物質(zhì)。
核酸是信息分子,負擔著遺傳信息的儲存、傳遞及表達功能。近10年來對核糖核酸的討論發(fā)覺,除上述功能之外,它還顯示出獨特的催化活性,即有著酶一樣的作用。這大大加深了對核酸和蛋白質(zhì)這兩類重要生命基礎(chǔ)物質(zhì)的性質(zhì)和互相關(guān)系的熟悉。核酸討論的深化進展,深刻揭示了DNA復制、轉(zhuǎn)錄、RNA前體加工、蛋白質(zhì)生物合成過程中的互相關(guān)系,從而了解許多疾病的病因與核酸的相關(guān)性,為核酸在醫(yī)學上的應用開辟了廣大的前景。
全新蛋白質(zhì)是蛋白質(zhì)討論中的一個新領(lǐng)域。國際上正在嘗試按化學、生物、催化等性質(zhì)的需要合成新的蛋白質(zhì)分子,對酶蛋白和膜蛋白的討論和模擬將起到重要作用。
多糖也是生物體內(nèi)的重要信息物質(zhì)。目前多糖討論側(cè)重于分別、純化、化學組成及生物活性測定等方面。對多糖的溶液構(gòu)象、空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系都還未深化討論。要深化討論多糖結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系,必需首先在將其分別、分析和合成辦法上有所突破。
模擬酶的討論。模擬酶的主客體分子間的互相識
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