世纪化学展轨迹初探课件

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1、对于对于20世纪化学发展的思考世纪化学发展的思考 1世纪化学发展轨迹初探对于对于2020世纪化学发展的思考世纪化学发展的思考 一、现代化学发展的态势与特点二、化学研究重心的转移与研究层次的突破三、化学研究价值的不断提升2世纪化学发展轨迹初探 一、现代化学发展的态势与特点一、现代化学发展的态势与特点1.1.现代化学发展的态势现代化学发展的态势2.2.现代化学发展的特点现代化学发展的特点3世纪化学发展轨迹初探1. 1. 现代化学发展的态势现代化学发展的态势 近代化学脱胎于炼金术和早期近代化学脱胎于炼金术和早期化学，萌芽于化学，萌芽于1717世纪中下叶，真正世纪中下叶，真正建立和发展则在建立和发展则

2、在1818世纪和世纪和1919世纪。世纪。近代化学发展较为缓慢曲折。近代化学发展较为缓慢曲折。4世纪化学发展轨迹初探 1.现代化学发展的态势现代化学发展的态势 20世纪现代化学取得了辉煌的世纪现代化学取得了辉煌的成就。成就。 作为化学发展的理论基础作为化学发展的理论基础原子原子-分子论，在化学发展进程中分子论，在化学发展进程中不断丰富、深化和扩展，但并无不断丰富、深化和扩展，但并无 发生颠复性的变化。发生颠复性的变化。 平稳平稳发展发展5世纪化学发展轨迹初探1.现代化学发展的态势现代化学发展的态势快速快速 a. a. 随着化学内部以及化学与随着化学内部以及化学与其他科学的交叉与渗透，其研究范其

3、他科学的交叉与渗透，其研究范围越来越宽，已发展成九个分支学围越来越宽，已发展成九个分支学科。科。6世纪化学发展轨迹初探 b.b.新分子和新材料的飞速发展新分子和新材料的飞速发展, ,化合物的数目呈化合物的数目呈指数增长。指数增长。 1900 年年 55 万种万种 1945 年年 110 万种万种 (45年增加一倍年增加一倍) 1970 年年 236.7 万种万种 (25年约增加一倍年约增加一倍) 1980 年年 593 万种万种 (10年约增加一倍年约增加一倍) 1990 年年 1057.6万种万种 (10年约增加一倍年约增加一倍) 2000 年年 2650 万种万种 (10年增加一倍半年增加

4、一倍半)1.现代化学发展的态势现代化学发展的态势7世纪化学发展轨迹初探1.1.现代化学发展的态势现代化学发展的态势c.分析手段仪器化、分析对象复杂化。分析手段仪器化、分析对象复杂化。 从组成到形态分析；从组成到形态分析； 从总体到微区分析从总体到微区分析(空间分辨率空间分辨率0.1nm)； 从整体到表面及逐层分析；从整体到表面及逐层分析； 从宏观组分到微观结构分析从宏观组分到微观结构分析(样品质量小于样品质量小于 100g也能给出确切的结构信息也能给出确切的结构信息)； 从静态到快速反应跟踪从静态到快速反应跟踪(现场现场)分析；分析； 从破坏试样到无损分析从离线到在线分析。从破坏试样到无损分析

5、从离线到在线分析。8世纪化学发展轨迹初探2.2.现代化学发展的特点现代化学发展的特点(1)从宏观研究到微观研究，直至意识到从宏观研究到微观研究，直至意识到微观研究与宏观研究相结合。微观研究与宏观研究相结合。(2)从静态研究到动态研究，直至意识到从静态研究到动态研究，直至意识到静态研究与动态研究相结合。静态研究与动态研究相结合。(3)由复杂到简单，再由简单到复杂的研由复杂到简单，再由简单到复杂的研究方式的转变。究方式的转变。9世纪化学发展轨迹初探(1)(1)从宏观研究到微观研究，直至意从宏观研究到微观研究，直至意识到微观研究与宏观研究相结合识到微观研究与宏观研究相结合 分子层次的研究既要向更小的

6、分子层次的研究既要向更小的层次原子、分子推进，又要向分子层次原子、分子推进，又要向分子以上层次，直至宏观拓展。还应使以上层次，直至宏观拓展。还应使微观研究与宏观研究相结合。微观研究与宏观研究相结合。10世纪化学发展轨迹初探(2) )从静态研究到动态研究，直至意从静态研究到动态研究，直至意识到静态研究与动态研究相结合识到静态研究与动态研究相结合 化学既要从分子层次解释静化学既要从分子层次解释静态结构和行为的关系，更要解释态结构和行为的关系，更要解释有关过程中发生的动态的化学变有关过程中发生的动态的化学变化。化。11世纪化学发展轨迹初探(3)(3)由复杂到简单，再由简单到复杂由复杂到简单，再由简单

7、到复杂的研究方式的转变的研究方式的转变 从复杂系统的简化，到逐步回从复杂系统的简化，到逐步回归复杂系统。归复杂系统。12世纪化学发展轨迹初探二、化学研究重心的转移与二、化学研究重心的转移与 研究层次的突破研究层次的突破 1.1.研究重研究重心由原子移向分子由原子移向分子 2. 2.向分子以上层次突破向分子以上层次突破13世纪化学发展轨迹初探1.研究重研究重心心由原子移向分子由原子移向分子 1919世纪：世纪： 主要在原子层次上认识和研究主要在原子层次上认识和研究化学。恩格斯说过化学。恩格斯说过“在在1919世纪对于世纪对于化学家是原子的世纪。化学家是原子的世纪。”14世纪化学发展轨迹初探1.研

8、究重研究重心心由原子移向分子由原子移向分子 2020世纪世纪 化学研究的重化学研究的重心心移到分子，成移到分子，成为为分子科学分子科学。 15世纪化学发展轨迹初探1.1.研究重研究重心心由原子移向分子由原子移向分子(1)认识分子认识分子 研究分子的组成、研究分子的组成、结构、结构与性质的关系结构、结构与性质的关系(2)调控分子调控分子 研究分子的化学反研究分子的化学反应的规律应的规律(3)创造分子创造分子 用合成手段创造物用合成手段创造物质质 16世纪化学发展轨迹初探(1)(1)认识分子认识分子研究分子的组成、研究分子的组成、 结构、结构与性质的关系结构、结构与性质的关系 雌酮激素和雄酮激素：

9、雌酮激素和雄酮激素： 两种性激素结构的两种性激素结构的共同特点：共同特点： 有四个环有四个环 (3个六元个六元环和环和1个五元环个五元环) 三个侧链三个侧链(2个角甲基个角甲基与与1个个OH基基)甾族甾族17世纪化学发展轨迹初探(1)(1)认识分子认识分子研究分子的组成、研究分子的组成、 结构、结构与性质的关系结构、结构与性质的关系区别区别: : 雌酮激素雌酮激素A A环是芳环，是个酚；环是芳环，是个酚； 雄酮激素雄酮激素A A环饱和，是个醇，另环饱和，是个醇，另外外, ,多一个角甲基。多一个角甲基。 组成与结构上的微小差别导致性组成与结构上的微小差别导致性的极大差异。的极大差异。18世纪化学

10、发展轨迹初探 (1)(1)认识分子认识分子研究分子的组研究分子的组成、成、 结构、结构与性质的关系结构、结构与性质的关系l“反应停反应停”中有两种组成相同，但中有两种组成相同，但构型不同的对映异构体，构型不同的对映异构体， 互为左互为左右手，因而性能不同。右手，因而性能不同。l“反应停反应停”的有效成分为镇静剂的有效成分为镇静剂,它有很好的镇定功能，不会致畸变，它有很好的镇定功能，不会致畸变，但另一种构型无镇静作用，且有强但另一种构型无镇静作用，且有强烈的致畸作用。烈的致畸作用。19世纪化学发展轨迹初探(1)(1)认识分子认识分子研究分子的组成、研究分子的组成、 结构、结构、 结构与性质的关系

11、结构与性质的关系 结构决定性质。结构决定性质。 认识分子首先认识分子的组成与认识分子首先认识分子的组成与结构。结构。20世纪化学发展轨迹初探 (1)(1)认识分子认识分子 研究分子的组研究分子的组成、结构、结构与性质的关系成、结构、结构与性质的关系 a. 研究分子结构研究分子结构 化学结构化学结构 化学键的本质化学键的本质 几何结构几何结构 键长、键角、二面角键长、键角、二面角 对称性对称性 b. 测定分子结构测定分子结构 从用化学方法推测结从用化学方法推测结构到用物理方法直接测定构到用物理方法直接测定 21世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构 化学方法：化学方法： 根据物质的

12、性质与反应根据物质的性质与反应( 如氧化、如氧化、降价产物降价产物) 推断化合物的结构，然推断化合物的结构，然后通过用简单化合物合成被测化合后通过用简单化合物合成被测化合物加以验证。如胆固醇结构的测定。物加以验证。如胆固醇结构的测定。22世纪化学发展轨迹初探胆固醇结构23世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构物理方法：物理方法： 质谱法、光谱法、质谱法、光谱法、 波谱法、衍射法、波谱法、衍射法、 能谱法、扫描隧道显微镜等能谱法、扫描隧道显微镜等。24世纪化学发展轨迹初探 b.b.测定分子结构测定分子结构 MS: 分子被打成碎片，测定分子碎片的精确分子被打成碎片，测定分子碎片的精确

13、质量质量, 确定碎片的组成，并进一步推测分子确定碎片的组成，并进一步推测分子中原子是如何连接的。中原子是如何连接的。 C 12.000000 O 15.995915 H 1.007825 CH4 16.031300 可以区分一个氧原子还是一个甲烷分子。可以区分一个氧原子还是一个甲烷分子。25世纪化学发展轨迹初探b. b. 测定分子结构测定分子结构 1912年首次应用年首次应用MS,数次获化学奖数次获化学奖 1922年因用年因用MS发现大量非放射性发现大量非放射性 同位素同位素 1934年因用年因用MS发现重氢发现重氢 1996年因用年因用MS发现发现C60 2002年因发明测定生物大分子的质谱

14、年因发明测定生物大分子的质谱 法。法。26世纪化学发展轨迹初探 b.b.测定分子结构测定分子结构 NMR: 磁性核在磁场中会有磁共振吸收。磁性核在磁场中会有磁共振吸收。处于不同化学环境中的氢原子，其磁处于不同化学环境中的氢原子，其磁共振吸收峰的位置不同，每个峰的精共振吸收峰的位置不同，每个峰的精细结构不同。由此可以推测分子的化细结构不同。由此可以推测分子的化学结构与空间结构。学结构与空间结构。 27世纪化学发展轨迹初探 b.b.测定分子结构测定分子结构 乙醇乙醇 二甲醚二甲醚 H H H O H HCCOH HC CH H H H H 有三组共振吸收峰有三组共振吸收峰 一个共振吸收峰一个共振吸

15、收峰 峰面积比为峰面积比为3 2 1 分别为三个小峰，四个小峰分别为三个小峰，四个小峰 和一个峰。和一个峰。28世纪化学发展轨迹初探 b.b.测定分子结构测定分子结构 1946年发明年发明NMR 1952年获物理奖年获物理奖1991年因发明傅里叶变换年因发明傅里叶变换NMR、 二维的二维的NMR谱而获化学奖谱而获化学奖2002年因发明用年因发明用NMR测定溶液中测定溶液中 生物大分子的方法而获化学奖生物大分子的方法而获化学奖29世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构 20032003年保罗年保罗CC劳特伯和皮特劳特伯和皮特曼斯曼斯菲尔德因为发明核磁共振成像（菲尔德因为发明核磁共振

16、成像（MRIMRI）而被授予生理学或医学奖。磁共振成而被授予生理学或医学奖。磁共振成像的临床应用是医学影像学中的一场像的临床应用是医学影像学中的一场革命，是继革命，是继CTCT、B B超等影像检查手段后超等影像检查手段后又一新的断层成像方法，与又一新的断层成像方法，与CTCT相比，相比，MRIMRI具有高组织分辨力和无放射损伤等具有高组织分辨力和无放射损伤等优点。优点。30世纪化学发展轨迹初探 b.b.测定分子结构测定分子结构 XRD: XRD: 晶体对晶体对X X射线衍射，可提供：射线衍射，可提供：l衍射方向衍射方向测定晶胞参数，即测定晶胞参数，即晶胞的大小和形状。晶胞的大小和形状。l衍射强

17、度衍射强度确定晶体的点阵型确定晶体的点阵型式以及晶胞中原子的种类及其分式以及晶胞中原子的种类及其分布。布。31世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构 XRDXRD不仅可以测量键长、键角、不仅可以测量键长、键角、二面角等表征分子空间构型的参数，二面角等表征分子空间构型的参数，而且还能直接测量分子中电荷密度而且还能直接测量分子中电荷密度的空间分布，从而确定晶体和分子的空间分布，从而确定晶体和分子的整体结构。的整体结构。 32世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构X X射线衍射法的发展轨迹：射线衍射法的发展轨迹： 1912 1912年劳厄提出晶体可对年劳厄提出晶体可对X

18、X射线发生衍射，射线发生衍射，19141914年获物理奖。年获物理奖。 1914 1914年布拉格父子奠定晶体对年布拉格父子奠定晶体对X X射线衍射射线衍射的原理和方法，次年布拉格父子获物理奖。的原理和方法，次年布拉格父子获物理奖。 1936 1936年德拜因发明年德拜因发明X X射线衍射粉末法和提射线衍射粉末法和提出偶极矩的概念而获化学奖。出偶极矩的概念而获化学奖。33世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构 20世纪世纪4050年代各类代表性年代各类代表性的无机物和有机物的晶体结构大多的无机物和有机物的晶体结构大多数已经测定，总结出的键长、键角数已经测定，总结出的键长、键角及其

19、变异规律和分子的构型、构象及其变异规律和分子的构型、构象规律，成为化学、物理学、矿物学规律，成为化学、物理学、矿物学和冶金学等共同的科学基础。和冶金学等共同的科学基础。34世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构 1954年鲍林因阐明化学键的本质年鲍林因阐明化学键的本质与根据共振论和与根据共振论和X射线衍射数据成射线衍射数据成功地推断血红蛋白的功地推断血红蛋白的螺旋结构而螺旋结构而获化学奖；获化学奖；1962年又荣获年又荣获Nobel和和平奖。平奖。35世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构 60 607070年代晶体结构的测定为年代晶体结构的测定为广大化学家所采用。

20、广大化学家所采用。 1953 1953年沃森与克里克根据威尔年沃森与克里克根据威尔金斯特别是女化学家富兰克林的金斯特别是女化学家富兰克林的X X射线衍射数据提出射线衍射数据提出DNADNA的双螺旋结的双螺旋结构，构，19621962年获生理学与医学奖。年获生理学与医学奖。36世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构 1962 1962年肯德鲁因测定鲸肌红蛋年肯德鲁因测定鲸肌红蛋白的三维结构，佩鲁兹因完成马血白的三维结构，佩鲁兹因完成马血红蛋白精细结构的测定而获化学奖。红蛋白精细结构的测定而获化学奖。 1964 1964年霍奇金年霍奇金( (女女) )因用因用X X射线射线衍射测定重

21、要生物化学物质维生素衍射测定重要生物化学物质维生素B B1212、青霉素的结构而获化学奖。、青霉素的结构而获化学奖。 37世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构 8080年代多功能晶体结构数据库的建年代多功能晶体结构数据库的建立，提供了系统的结构信息。立，提供了系统的结构信息。 1985 1985年豪普特曼与卡尔因发明直接法年豪普特曼与卡尔因发明直接法而获化学奖；而获化学奖； 1988 1988年戴森霍弗、休伯与米歇尔因测年戴森霍弗、休伯与米歇尔因测定光合作用反应中心的三维结构而获定光合作用反应中心的三维结构而获化学奖。化学奖。38世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子

22、结构 1982年，年，IBM公司苏黎世实验室公司苏黎世实验室的两位科学家宾尼（的两位科学家宾尼（G.Binning）和罗）和罗雷尔雷尔(H.Rohere)根据量子隧道效应发根据量子隧道效应发明了扫描隧道显微镜明了扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，缩写，缩写STM )39世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构 STM有一直径约几纳米的很尖锐的有一直径约几纳米的很尖锐的导电探针，工作时在针尖与样品之间导电探针，工作时在针尖与样品之间加电压。当针头和样品表面的距离为加电压。当针头和样品表面的距离为0.1nm时时,样品中电子由于隧道效应而样品中电

23、子由于隧道效应而穿越两者之间的势垒到达针尖穿越两者之间的势垒到达针尖(或反或反方向方向 )，于是产生隧道电流。隧道电，于是产生隧道电流。隧道电流的大小与针尖至样品表面的距离成流的大小与针尖至样品表面的距离成指数关系。指数关系。40世纪化学发展轨迹初探b.b.测定分子结构测定分子结构STM 横向分辨率横向分辨率0.1nm， 纵向分辨率纵向分辨率0.01nm， 比一般电子显微镜的分辨率高两个比一般电子显微镜的分辨率高两个数量级。数量级。41世纪化学发展轨迹初探 b.b.测定分子结构测定分子结构 STM 可观察到苯分子的六元环结构、可观察到苯分子的六元环结构、DNA的单链结构、的单链结构、DNA的双

24、螺旋的双螺旋结构；结构； 能进行单原子操作，实现单原子能进行单原子操作，实现单原子 的移动。的移动。42世纪化学发展轨迹初探 b.b.测定分子结构测定分子结构 人们不仅目睹了原子、分子，人们不仅目睹了原子、分子，使原子、分子不再仅仅是抽象的模使原子、分子不再仅仅是抽象的模型，而且还是一个实实在在的客体，型，而且还是一个实实在在的客体，可以进行搬动。可以进行搬动。 1986年获年获 Nobel物理奖。物理奖。43世纪化学发展轨迹初探c.c.探究构效关系探究构效关系 总结了一些结构与功能的规律总结了一些结构与功能的规律, ,尚未提出统一的理伦。尚未提出统一的理伦。 44世纪化学发展轨迹初探(2)(

25、2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律 a.a.给定条件下，反应能否发生？给定条件下，反应能否发生？b.b.如能发生，则会进行到什么程度如能发生，则会进行到什么程度？伴随着怎样的能量变化？伴随着怎样的能量变化？c.c.反应所需要的时间反应所需要的时间反应进行反应进行的速率？的速率？d.d.反应怎样发生反应怎样发生反应机理？反应机理？45世纪化学发展轨迹初探( (2)2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律l自然界中有很多自发进行的变化。自然界中有很多自发进行的变化。l自发过程的共同特点是：自发过程的共同特点是： a. a.自发过程具

26、有不可逆性。自发过程具有不可逆性。 b. b.自发过程可用来做功。自发过程可用来做功。 c. c.自发过程的进行具有一定的自发过程的进行具有一定的限度。限度。46世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律 如何判断过程能否自发进行呢？如何判断过程能否自发进行呢？ 对于一个孤立体系来说，自发对于一个孤立体系来说，自发过程总是向着混乱度增大的方向进过程总是向着混乱度增大的方向进行，达到平衡状态时，混乱度达到行，达到平衡状态时，混乱度达到极大，自发过程便停止进行。极大，自发过程便停止进行。47世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研

27、究分子的研究分子的化学反应的规律化学反应的规律 考虑到化学反应常在等温、考虑到化学反应常在等温、 等压、等压、 只做体积功的条件下进只做体积功的条件下进 行，行， 可用描写热力学系统的一可用描写热力学系统的一 个状态参量吉布斯自由能的变化个状态参量吉布斯自由能的变化 ZZ小于零作为反应自发进行的小于零作为反应自发进行的判据。判据。 48世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律 化学热力学能够预言某一化学反化学热力学能够预言某一化学反应能否进行，进行到什么程度，但应能否进行，进行到什么程度，但它不能告诉我们反应的速度。反应它不能告诉我们反

28、应的速度。反应自发进行的趋势大，不等于反应速自发进行的趋势大，不等于反应速度快。度快。49世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律 常温下，氢气与氧气反应生成水常温下，氢气与氧气反应生成水的趋势很大，但反应速率极小，经的趋势很大，但反应速率极小，经过过105105亿年才生成亿年才生成0.1%0.1%的水。的水。50世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律 实现化学反应的关键是提高反实现化学反应的关键是提高反应速率。改变化学反应速率的物质应速率。改变化学反应速率的物质是催化剂。是催

29、化剂。 51世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的研究分子的化学反应的规律化学反应的规律 酶是一类能加速生化反应的催酶是一类能加速生化反应的催化剂。酶催化的特点是：化剂。酶催化的特点是： a. a.高效性高效性 b. b.专一性专一性 c. c.反应条件温和反应条件温和 d. d.多样性多样性52世纪化学发展轨迹初探 (2)(2)调控分子调控分子 研究分子的研究分子的化学反应的规律化学反应的规律 由于发明催化剂而获化学奖：由于发明催化剂而获化学奖： 1918 1918年年 哈伯合成氨催化剂；哈伯合成氨催化剂； 1963 1963年年 Ziegler-Natta Ziegl

30、er-Natta催化剂；催化剂； 1973 1973年年 金属茂化合物催化剂；金属茂化合物催化剂； 2001 2001年年 手性催化剂。手性催化剂。 53世纪化学发展轨迹初探 (2)(2)调控分子调控分子研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律 为什么有的反应进行得很快为什么有的反应进行得很快, ,有有的反应进行得很慢？的反应进行得很慢？ 研究化学反应机理研究化学反应机理化学反应化学反应是怎样发生的是怎样发生的? 回答化学学科中这个最为基本的回答化学学科中这个最为基本的问题是很困难的。问题是很困难的。54世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子研究分子的化研究分子的化学反应的规

31、律学反应的规律 化学反应非常复杂，从初始的化学反应非常复杂，从初始的反应物到最终形成产物，历经很多反应物到最终形成产物，历经很多步骤。每个单独的步骤称为基元反步骤。每个单独的步骤称为基元反应。应。 化学反应的实质化学反应的实质: :原有化学键的原有化学键的破坏与新的化学键的形成。破坏与新的化学键的形成。55世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的研究分子的化学反应的规律化学反应的规律 人们通常研究的体系是由大量的人们通常研究的体系是由大量的分子组成，所观察到的化学现象是分子组成，所观察到的化学现象是大量分子的统计行为。大量分子的统计行为。 例如例如1滴浓度为滴浓度为310-

32、3molL-1的酚酞指示剂含有的酚酞指示剂含有1017个酚酞分子。个酚酞分子。 56世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律 为了搞清反应的细节，获取有为了搞清反应的细节，获取有关分子始态关分子始态过渡态过渡态终态的终态的全部信息，尤其是关于化学键断裂全部信息，尤其是关于化学键断裂与重组的直接信息。需要从分子水与重组的直接信息。需要从分子水平上研究反应动力学。需要观察、平上研究反应动力学。需要观察、追踪单个分子间的反应。追踪单个分子间的反应。57世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应

33、的规律 1986年诺贝尔化学奖就是授予年诺贝尔化学奖就是授予分子反应动力学研究领域做出杰出分子反应动力学研究领域做出杰出贡献的化学家：贡献的化学家： 美国哈佛大学的赫希巴哈美国哈佛大学的赫希巴哈 （R.Herschbach） 加利福尼亚大学的李远哲加利福尼亚大学的李远哲 加拿大多伦多大学的波拉尼加拿大多伦多大学的波拉尼 （J.C.Polanyi） 58世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律 化学反应中形成的过渡态寿命化学反应中形成的过渡态寿命极短，一般为极短，一般为10-100fs10-100fs。 1fs=10 1fs=10-15-

34、15s s。 要捕捉过渡态的形成与分解，要捕捉过渡态的形成与分解，必须有飞秒级的摄像机。必须有飞秒级的摄像机。 59世纪化学发展轨迹初探(2)(2)调控分子调控分子 研究分子的化研究分子的化学反应的规律学反应的规律 1999年诺贝尔化学奖授予艾哈迈年诺贝尔化学奖授予艾哈迈德德泽维尔（泽维尔（AhmedH.Zewail），），表彰他对表彰他对“飞秒化学飞秒化学”进行的进行的15年年的开创性工作，他使人们客观、忠的开创性工作，他使人们客观、忠实地探索原子、分子微观世界的变实地探索原子、分子微观世界的变化。化。60世纪化学发展轨迹初探 (3)(3)创造分子创造分子用合成手段创用合成手段创造物质造物质

35、 合成化学是化学家改造世界、合成化学是化学家改造世界、保护世界的有力手段。保护世界的有力手段。 化学家能在一个老的自然界旁化学家能在一个老的自然界旁创立一个新的自然界。创立一个新的自然界。61世纪化学发展轨迹初探(3)(3)创造分子创造分子用合成手段创用合成手段创造物质造物质合成化学发展轨迹合成化学发展轨迹 a.a.合成对象：合成对象： 从无生命的无机物分子、有机物从无生命的无机物分子、有机物 分子到有生理活性的生物大分子分子到有生理活性的生物大分子 从小分子到高分子从小分子到高分子 从分子到超分子从分子到超分子 从简单结构到复杂结构从简单结构到复杂结构62世纪化学发展轨迹初探(3)(3)创造

36、分子创造分子用合成手段创用合成手段创造物质造物质 b.b.合成水平：合成水平： 维生素维生素B B1212、海癸毒素的合成、海癸毒素的合成 合成无禁区合成无禁区63世纪化学发展轨迹初探维生素维生素B B121264世纪化学发展轨迹初探海癸毒素海癸毒素C129H223O54N365世纪化学发展轨迹初探 (3)(3)创造分子创造分子 用合成手段创用合成手段创造物质造物质c.合成策略的进步合成策略的进步 19671967年美国哈佛大学的有机化学年美国哈佛大学的有机化学家科里家科里(E.J.Corey)(E.J.Corey)创建独特的有机创建独特的有机合成理论合成理论“逆合成分析原理逆合成分析原理”，

37、19901990年获化学奖。年获化学奖。 66世纪化学发展轨迹初探(3)(3)创造分子创造分子 用合成手段创用合成手段创造物质造物质 d.d.合成新概念合成新概念 (a)(a)极端条件下合成极端条件下合成 (b) (b)软化学合成软化学合成 (c)(c)组合化学组合化学 (d) (d)理想合成理想合成 (e)(e)分子设计与分子工程分子设计与分子工程 (f)(f)仿生合成仿生合成 67世纪化学发展轨迹初探2.2.向分子以上层次突破向分子以上层次突破 分子以上层次指：分子以上层次指： 多个分子构成的分子组装体或分多个分子构成的分子组装体或分子聚集体；子聚集体； 具有高级有序结构；具有高级有序结构

38、； 在分子聚集体中分子间通过弱相在分子聚集体中分子间通过弱相互作用结合。互作用结合。68世纪化学发展轨迹初探2.2.向分子以上层次突破向分子以上层次突破(1)(1)对结构认识的突破对结构认识的突破 (2)(2)对合成认识的突破对合成认识的突破 (3)(3)分子以上层次化学研究的基本问分子以上层次化学研究的基本问题题 69世纪化学发展轨迹初探三、化学研究价值的不断提升三、化学研究价值的不断提升1. 化学致力于满足人类生存的基本化学致力于满足人类生存的基本 需求、不断提高生存质量、保证需求、不断提高生存质量、保证 人类生存安全做出贡献。人类生存安全做出贡献。 2. 化学牵动其它学科向分子层次发化学

39、牵动其它学科向分子层次发展展 。3. 化学为新技术发展提供支撑。化学为新技术发展提供支撑。70世纪化学发展轨迹初探 1. 1. 为满足人类生存需求、提高为满足人类生存需求、提高生存质量做出贡献生存质量做出贡献 20世纪人类开始遇到人口增长、世纪人类开始遇到人口增长、资源匮乏、环境恶化等问题的威胁。资源匮乏、环境恶化等问题的威胁。 化学使人类丰衣足食。化学使人类丰衣足食。 化学使人类延年益寿。化学使人类延年益寿。 71世纪化学发展轨迹初探1. 1. 为满足人类生存需求、提高为满足人类生存需求、提高生存质量做出贡献生存质量做出贡献 化学化工是我国国民经济名符化学化工是我国国民经济名符其实的支柱产业

40、。其实的支柱产业。 2002年财富中国上市公司年财富中国上市公司百强前百强前15名中属于化学化工的有名中属于化学化工的有5家，年收入总计家，年收入总计729亿美元。远远亿美元。远远超过属于信息产业的超过属于信息产业的4家年收入总家年收入总计计222亿美元。亿美元。 72世纪化学发展轨迹初探1. 1. 为保证人类生存安全做出贡为保证人类生存安全做出贡献献 化学家必须正视化学品和化学化学家必须正视化学品和化学过程对于人类已经造成的负面效应。过程对于人类已经造成的负面效应。 既要在监测、整治污染等方面既要在监测、整治污染等方面做出应有的贡献，做出应有的贡献， 同时积极地从同时积极地从源头上解决问题，

41、发展绿色化学。源头上解决问题，发展绿色化学。73世纪化学发展轨迹初探1. 1. 为保证人类生存安全做出贡为保证人类生存安全做出贡献献 绿色化学的特点：绿色化学的特点： 采用无毒无害的原料；采用无毒无害的原料； 在无毒的反应条件下进行；在无毒的反应条件下进行； 具有具有“原子经济性原子经济性” ； 产品对环境友好。产品对环境友好。 满足满足“价廉物美价廉物美”的传统原则。的传统原则。74世纪化学发展轨迹初探1. 1. 为保证人类生存安全做出贡为保证人类生存安全做出贡献献化学反应的新概念化学反应的新概念原子经济反应原子经济反应 HOCl 1/2Ca(OH)2CH2CH2 HOCH2CH2Cl 28

42、 52.5 37 CH2CH21/2CaCl2+H2O O 44 原子经济性原子经济性37.45%75世纪化学发展轨迹初探1. 1. 为保证人类生存安全做出贡为保证人类生存安全做出贡献献 Ag CH2CH21/2O2 CH2CH2 O 28 16 44 44(2816)10076世纪化学发展轨迹初探1. 1. 为保证人类生存安全做出贡为保证人类生存安全做出贡献献l改变反应途径，简化合成步骤。改变反应途径，简化合成步骤。l采用新的合成原料。采用新的合成原料。l既重视产品的功能设计，同时要求既重视产品的功能设计，同时要求对环境友好对环境友好。 77世纪化学发展轨迹初探1. 1. 为保证人类生存安全

43、做出贡为保证人类生存安全做出贡献献 在化学品无所不在的情况下，研在化学品无所不在的情况下，研究并帮助人们认识化学物质及其变究并帮助人们认识化学物质及其变化规律的两面性，趋利避害，合理化规律的两面性，趋利避害，合理使用化学品，并且正确地利用变化使用化学品，并且正确地利用变化规律和控制化学过程。规律和控制化学过程。 78世纪化学发展轨迹初探2.2.化学牵动其它学科向分子层次化学牵动其它学科向分子层次发展发展 a.a.化学牵动其他学科向分子层次发展。化学牵动其他学科向分子层次发展。 b. b.化学研究带动其他学科的过程研究。化学研究带动其他学科的过程研究。 c. c.化学实验方法学推动其他学科在分子

44、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。层次上观察和测定物质的变化过程。 79世纪化学发展轨迹初探2.2.化学牵动其它学科向分子层次发展化学牵动其它学科向分子层次发展 在在20世纪，整个自然科学领域中世纪，整个自然科学领域中出现一个大变化，即所有与物质有关出现一个大变化，即所有与物质有关的科学都向分子层次发展，最为明显的科学都向分子层次发展，最为明显的是生物学。的是生物学。80世纪化学发展轨迹初探2.2.化学牵动其它学科向分子层次发展化学牵动其它学科向分子层次发展 1959年生理学医学奖获得者、年生理学医学奖获得者、生物学家恩伯格生物学家恩伯格 (A.Komberg)

45、 说过说过“如果用化学语言来表达，如果用化学语言来表达， 大多大多数生命现象都可以合理解释。化学数生命现象都可以合理解释。化学语言能够说明我们是从那里来的，语言能够说明我们是从那里来的，我们是什么，以及我们将要到那里我们是什么，以及我们将要到那里去。去。”81世纪化学发展轨迹初探2.2.化学牵动其它学科向分子层次发展化学牵动其它学科向分子层次发展(a)分离纯化方法的研究分离纯化方法的研究(b)生物分子的化学结构研究生物分子的化学结构研究(c)生命体内部细胞和器官的结构、生命体内部细胞和器官的结构、 功能的研究功能的研究 (d)复杂的活性生物大分子合成复杂的活性生物大分子合成82世纪化学发展轨迹

46、初探3.3.化学为新技术发展提供支撑化学为新技术发展提供支撑 化学为新技术提供物质、原理与化学为新技术提供物质、原理与方法。方法。83世纪化学发展轨迹初探3.3.化学为新技术发展提供支撑化学为新技术发展提供支撑 材料是人类赖于生存与发展的材料是人类赖于生存与发展的物质基础；材料的发展推动了人类物质基础；材料的发展推动了人类的物质文明，成为标志人类社会进的物质文明，成为标志人类社会进步的重要里程碑。步的重要里程碑。 84世纪化学发展轨迹初探3.3.化学为新技术发展提供支撑化学为新技术发展提供支撑 第一代为天然材料第一代为天然材料 第二代为烧炼材料第二代为烧炼材料 第三代为合成材料第三代为合成材料

47、 第四代为可设计材料第四代为可设计材料 第五代为智能材料第五代为智能材料85世纪化学发展轨迹初探3.3.化学为新技术发展提供支撑化学为新技术发展提供支撑 20世纪早期的材料研究大部分针对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，功能材结构材料和基本材料。后来，功能材料的研究成为热点。电子、航天、高料的研究成为热点。电子、航天、高速运输工具、快速通信等进展主要起速运输工具、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端条件的材料、各种能量转化材料和敏感材料等。敏感材料等。 86世纪化学发展轨迹初探3.3.化学为新

48、技术发展提供支撑化学为新技术发展提供支撑l具有某些特殊功能的合金。如形状具有某些特殊功能的合金。如形状记忆合金、储氢合金、超塑性合金、记忆合金、储氢合金、超塑性合金、非晶态合金等。非晶态合金等。 l功能陶瓷有超硬陶瓷、高温结构陶功能陶瓷有超硬陶瓷、高温结构陶瓷、透明陶瓷、生物陶瓷、高韧性瓷、透明陶瓷、生物陶瓷、高韧性陶瓷、压电陶瓷、超导陶瓷等。陶瓷、压电陶瓷、超导陶瓷等。l导电高分子、超强吸水高分子导电高分子、超强吸水高分子 87世纪化学发展轨迹初探3.3.化学为新技术发展提供支撑化学为新技术发展提供支撑 化学是材料创新的龙头。化学是材料创新的龙头。 只有掌握结构只有掌握结构-性质性质-功能的功能的关系以及合成和组装的化学过程，关系以及合成和组装的化学过程，才能设计、合成新材料。才能设计、合成新材料。88世纪化学发展轨迹初探 谢谢！89世纪化学发展轨迹初探