展望21世纪的化学主讲：梁华定 一、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•1、 （波兰）居里夫妇19世纪末到20世纪初发现钋、镭，荣获1903年诺贝尔物理学奖 •2、居里夫人测定了镭的原子量，建立了镭的放射性标准，及开拓了应用研究，荣获1911年诺贝尔化学奖•3、20世纪初，（英）卢瑟福提出了原子的有核结构模型和放射性元素的衰变理论，研究了人工核反应，荣获1908年诺贝尔化学奖•4、 （法）约里奥－居里夫妇第一次用人工方法创造放射性元素，荣获1935年诺贝尔化学奖•5、 （美）费米用慢中子轰击各种元素获得了60种新的放射性元素，荣获1938年诺贝尔物理学奖 •6、1939年（德）哈恩发现了核裂变荣获1944年诺贝尔化学奖 2、化学键和现代量子化学理论•1、 （美）鲍林提出了电负性计算方法和概念，创立了价键学说和杂化轨道理论，荣获1954年诺贝尔化学奖•2、 （美） 莫利肯创立了分子轨道理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构，荣获1966年诺贝尔化学奖•3、1952年（日）福井谦一提出了前线轨道理论，1965年（美）伍德沃德和霍夫曼提出了分子轨道对称守恒原理，荣获1981年诺贝尔化学奖•4、 （美）科恩发展了电子密度泛函理论，波普尔发展了量子化学计算方法，荣获1998年诺贝尔化学奖 3、合成化学的发展•1、1912年（法）格林尼亚发明了格林尼亚试 剂，荣获1912年诺贝尔化学奖•2、1928年（德）狄尔斯和阿尔德发现了双烯合成反应，荣获1950年诺贝尔化学奖•3、1953年（德）齐格勒和纳塔尔发现了有机金属催化烯烃定向聚合，获1963年诺贝尔化学奖•4、合成生物高分子：甾体（A.Windaus 1928年诺贝尔化学奖）、抗坏血酸（W.N.Haworth 1937年诺贝尔化学奖）、生物碱（ R.Robinson 1947年诺贝尔化学奖）、多肽（ V.du Vigneand 1955年诺贝尔化学奖）、 3、合成化学发展（二）•合成了奎宁、胆固醇、可的松、叶绿素、利血平等一系列复杂有机分子（R.B.Woodward 荣获1965年诺贝尔化学奖）（VB12、分子轨道对称守恒原理）•5、 （英）威尔金森，德费歇尔合成了过渡金属二茂夹心化合物，荣获1973年诺贝尔化学奖•6、 （美）布朗、维蒂希发展了硼有机化合物和发明Wittig反应，荣获1979年诺贝尔化学奖•7、 （美）梅里菲尔德发明了固相多肽合成法，荣获1984年诺贝尔化学奖•8、 （美）柯里提出了‘‘逆合成分析法’’，荣获1990年诺贝尔化学奖 4、高分子科学和材料•1、1920年德国施陶丁格提出了高分子概念，创立了高分子链型学说，建立了高分子粘度与分子量的定量关系，荣获1953年诺贝尔化学奖•＊2、1953年（德）齐格勒成功地在常温常压下将乙烯聚合成聚乙烯，1955年（意）纳塔实现了丙烯的定向聚合，荣获1963年诺贝尔化学奖•3、1936年弗洛里提出了缩聚反应中所有功能团具有相同的基础原理，建立了分子量与反应程度之间的定量关系公式，荣获1974年诺贝尔化学奖 5、化学动力学与分子反应动态学•1、1956年（苏）谢苗诺夫、 （美）欣歇尔伍德在化学反应机理、反应速度和链式反应方面的开创性研究，荣获1956年诺贝尔化学奖•2、艾根提出了发生在千分之一秒内的快速反应的方法和技术，波特、洛里升提出和发展了闪光光解法技术用于研究发生在十亿分之一秒内的快速化学反应，荣获1967年诺贝尔化学奖•3、 （美）李远哲、赫希巴赫、 （加）波拉尼，发明了获得各种态信息的交叉束技术，红外线化学发光方法，对微观反应动力学研究作出的贡献，荣获1986年诺贝尔化学奖•4、 （美） Zewail利用飞秒激光技术研究超快速化学反应和过渡态，荣获1999年诺贝尔化学奖 6、生命科学的重大贡献•20世纪初开始生物小分子（如糖、血红素、叶绿素、维生素等）的化学结构与合成研究就多次获诺贝尔化学奖•1955年首次合成多肽激素催产素和加压素，获1955年诺贝尔化学奖；•1953年提出了DNA分子双螺旋结构模型，获1962年诺贝尔医学奖；•1960年成功地测定了鲸肌红旦白和马血红蛋白的空间结构，获1962年诺贝尔化学奖；•1980年DNA分裂和重组研究，DNA测序方法，开创了现代基因工程，获1980年诺贝尔化学奖； 6、生命科学的重大贡献（二）•1982年发明‘‘象重组’’技术和揭示病毒和细胞内遗传物质的结构，获1982年诺贝尔化学奖；•1984年发明多肽固相合成法，获1984年诺贝尔化学奖；•1988年测定细菌光合反应中心膜旦白－色素复合体的三维结构，获1988年诺贝尔化学奖；•1989年发现核糖核酸酶，获诺贝尔化学奖；•1993年发明寡核苷酸定点诱变法和多聚酶链式反应技术（对基因工程的贡献）获1993年诺贝尔化学奖；•1997年发现能量分子ATP的形成过程，发现了维持细胞中钠、钾离子的酶，并阐明其作用机理，获1997年诺贝尔化学奖； （二）在化学基础研究推动下化学工业的大发展•1、石油化工：•20世纪是石油化工大发展的一百年。
1）世界化工总产值为1万亿美元左右，其中80％以上的产品与石油化工有关，世界乙烯年生产能力达5000万吨；（2）催化剂已成为石油化工的核心技术（本世纪30年代催化剂进入了石油化工的大门） 化学工业的大发展（二）•2、三大合成材料•全世界年生产能力：合成橡胶1200万吨、合成纤维1500万吨、塑料6000万吨•第一个合成纤维－－尼龙－66的发明者Carothers，美国杜邦公司使之工业化；涤纶纤维是1940年英国T.R.Whinfield J.T.Dickson 首先合成，英国卜内门公司使之工业化；第一个合成橡胶由美国J.A.Nieuwland R.T.Collins发明，1931杜邦公司使之工业化；聚乙烯和聚乙烯塑料，1957年由意大利Montecatini公司使之工业化 化学工业的大发展（三）•3、合成氨工业•世界年产量约5亿吨，中国2000万吨（第二位）•1909年德国哈伯成功地建立了合成氨装置，并取得了专利（条件：锇催化剂、300－500atm、500－600C,生产能力：80g/h),是20世纪化学工业发展中的一个重大突破,荣获1918年诺贝尔化学奖；德国巴登苯胺纯碱公司购买了专利，由C.Bosch担任领导实施工业化（条件：铁催化剂、150－300atm、400－500C，*生产能力：45万t/a ) C.Bosch荣获1931年诺贝尔化学奖 化学工业的大发展（四）•4、医药工业•世界年销售量约为3000亿美元，临床有效化学药物2万种，常用药1000种•1909年德国艾里希合成了治疗梅毒的特效药胂凡纳明；1932年德国G.Domagk发现磺胺类药－－百浪多息，荣获1939年诺贝尔生理及医药奖；二战后逐渐由青霉素、四环素、红霉素、氯霉素、头孢霉素等抗生素代替；•新药研究转向针对明确了的药物靶分子，1988瑞典Astra公司推出奥美拉唑，1997年销售量约为29亿美元，一举成为世界销售额的第一位 20世纪化学发展的特点•1、 20世纪化学发展在地域上形成过两 个 中心•1945年前是以德国为代表的欧洲国家（德国15人、法国7人、英国6人、美国3人、有10个国家）1945年后20世纪化学发展中心移向美国（美国有43人、16人国家）•2、现代化学研究中的许多重大进展都是多学科综合研究的结果（居里夫人，伍德沃德，1985年诺贝尔奖授予美数学家普特曼、物理学、化学家卡尔拉） 二、动向 19世纪末到20世纪初的动向•1、周期律、原子结构、放射性、人工放射性元素、量子论以至量子化学等形成了贯穿100年的向物质的微观本质深入的一条主线•2、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•3、从制备到合成，从无机物到有机物，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简19世纪末发展到20世纪中去的 21世纪化学的发展特色•1、将会深入研究由原子组合成分子的方法和技巧；原子经济性和反应效率将成为重点关注的领域•2、分子间相互作用及由此构成的多分子体系将成为重要的研究对象（分子聚集体系靠什么作用，规律如何？研究分子以上层次受重视）•3、化学与其它学科的相互渗透和交叉将是21世纪科学发展必然趋势•4、从化学基础研究的重大突破到形成高新技术产业化的周期将会大大地缩短，即科学－技术－生产力的链结将会缩短，从而加速生产力的发展 交叉学科和热点研究领域•1、生命科学•2、材料科学•3、环境化学•4、绿色化学•5、能源化学•6、计算化学•7、纳米化学•8、手性药物和手性技术 三、展望 （一）20世纪化学的回顾与化学学科发展的趋势•1、科技发展的基本考虑•20世纪人类认识和利用物质经历了为人类生存、人类生存质量、人类生存安全三个历史阶段。
•人类生存：20世纪初、化学提供肥料（合成氨）合成纤维和其它高分子材料，石油化工产品•人类生存质量：化学创造了许多饲料和肥料添加剂，食品添加剂，生产更多、更可口食物；创造了许多功能材料；创造了许多药物和诊断方法，战胜和消灭了某些疾病•人类生存安全： 20世纪末资源问题？环境问题？ 2、20世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心的作用•（1）在20世纪中成为解决人类进步的物质基础的核心科学：A、制造或创造出自然界已有或不存在的物质；B、提供分析手段，结构－性质－功能的关系，预测、裁剪、设计分子；C、掌握了一些理论，用于解决生产、生活问题达到大自然不能达到的目标•（2）在相关学科的发展中起了牵头作用：A、牵动其它学科向分子层次发展（生命科学、天文学）；B、化学研究带动了其它学科的过程研究(工业、农业、环保、能源）；C、化学带动了材料科学的发展；D、化学实验方法学推动其它学科在分子层次上观察和测定物质的变化过程 3、对20世纪末化学现状和地位的不同估计•20世纪末化学的作用和地位似乎淡化，核心科学、牵头学科似乎退后：•1、客观上，A、一部分化学研究方法自动化和计算机化，误认为分析和合成已经不是科学而是技术；B、生物学在分子层次有两大进展（基因、创造新生物或生物分子）；C、创造新材料、药物等，化学研究其原理、机理，处上游，材料学、药学推出实际产品，处于下游。
•2、主观上，A、迄今为止化学研究的主流仍以创造新分子、新材料为目标（忽视功能研究）；B、受大趋势的影响，20世纪化学理论重点从宏观转向微观，忽视科技对化学要求 （二）未来化学的作用和地位•1、化学仍然是解决食品问题的主要学科之一•A、化学将支撑生物学在提供优良品种，提供转基因生物等方面作贡献•B、化学将在设计、合成功能分子和结构材料以及分子层次阐明和控制生物过程的机理方面，为研究开发高效安全肥料、饲料、农药、农用材料、生物肥料、生物农药打下基础•C、利用化学和生物方法增加动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剂，改正食品储存加工方法，减少不安全因素，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•A、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（保护环境，降低成本）•B、开发新能源，太阳能以及高效洁净的化学电源与燃料电池等将成为21世纪的重要能源•C、矿产资源是不可再生，化学要研究重要矿产资源（如稀土）的分离和深加工技术以及利用 3、化学继续推动材料科学的发展•A、化学是新材料的源泉，末来化学不仅要设计和合成分子而且要把这些分子组装、构筑成有特定功能的材料，从超导体到催化剂、药物控释载体、纳米材料都要从分子以上层次研究材料的结构•B、20世纪化学模拟酶的活性中心已取得进展，未来将会在可用于生产、生活和医疗的模拟酶的研究方面有突破•C、21世纪电子技术将向更快、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、分子器件、生物芯片等新技术，标志着分子电子学、分子信息技术的到来，需要设计、合成各种物质和材料 4、化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障•A、通过研究各种物质和能的生物效应（正面和负面）的化学基础特别是搞清两面性的本质，找出最佳利用方案•B、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主要内容•C、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，提出优化环境洁净生活空间的途径•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，预防疾病 （三）21世纪化学研究应把握的原则•1、微观与宏观相结合。
以微观结构研究为基础的药物和材料的计算机辅助设计已经为研究热点；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•2、静态与动态（过程）相结合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；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，提示着在不远的将来化学过程的微观动态跟踪的可能性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 （三）21世纪化学研究应把握的原则•3、由复杂到简单，再由简单到复杂 （经典物质科学研究物质世界的最终目的在于寻求简单的、普适的、永恒的基本解人们逐渐意识到，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，创新既有思想或思路止的突破，也有方法学上的革命。
•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•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，开拓化学新领域两个学科交叉，理论、概念、方法的融合产生新的理论、概念、方法就有可能产生一个新的领域•4、把握动向和时机，提出新的思路和新的研究方法随时调整研究模式，适应学科发展和面临新的问题•5、重视化学学科自身发展与整体科学技术的发展相结合如中药复方研究 （五）21世纪化学的热点研究领域的基本化学问题•1、生命科学中的基本化学问题•2、材料科学中的基本化学问题•3、可持续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趋势•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•预计21世纪化学学科发展的特点是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 1寻求结构多样性的研究与功能研究相结合•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、目标和思路上也有大的改变未来合成化学要能够根据需要（功能）去设计、合成新结构。
•（1）、合成化学要不仅研究传统的分子合成化学，也应研究构筑分子以上的高级结构，特别是高级有序结构的构筑学2）、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启发而产生它在新药物、农药、催化剂的研究等领域已初步显示强大的生命力，成为一个新的生长点3）、发现和寻找新的合成方法是一个永久课题4）、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•复杂性研究包括系统、结构、过程和状态四个方面系统复杂性具有多组分、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；过程复杂性主要是复杂系统参与化学反应时所表现的过程，它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广泛存在、无处不是•(1)、未来化学要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；还要研究结构的多层次问题2)、未来化学要注意复杂系统的多尺度问题物理学提出量子尺寸效应，即纳米微粒性质突变，化学性质也有尺度效应）(3)、未来化学要研究复杂系统的化学过程（核心），研究多层次、多尺度、大时间跨度的过程，建立跟踪分析方法及过程理论研究 3、新实验方法的建立和方法学研究•(1)、未来化学研究要首先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变化。
人类基因组计划，首先重视了方法学，尤其是DNA高速测序方法的发展）要注意建立时间、空间的动态、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化特性的测试技术要研究分离－活性检测联机技术（以实现鉴定－结构分析－功能筛选一体化）•(2)、化学分析仪器的小型化、微型化及智能化是应该注意的方向•(3)、化学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），要积极引进生物学和物理学方法为我所用 4、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；(2)与生物衔接的化学信息学（生物大分子结构数据库，基因组的测定和基因库的建立）；(3)与化学反应和化学过程衔接的化学信息学（化工过程的计算机模拟和仿真）•5、跟踪、分析、模拟化学反应过程 •未来化学将会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各种效应并加以阐明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；实现对化学反应的人为调控； 主要参考书：•《展望21世纪的化学》 中国科学院化学学部、国家自然科学基金委化学科学部组织编写 ， 化学工业出版社，2000年5 月。