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展望21世紀(jì)的化學(xué)(一) |
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暫無(wú)
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展望 世紀(jì) 化學(xué) |
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| 所屬學(xué)科： |
高分子工程 |
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第一篇 回顧與動(dòng)向 前言第一章 20世紀(jì)化學(xué)的回顧 一、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) 2. 化學(xué)鍵和現(xiàn)代量子化學(xué)理論 3．創(chuàng)造新分子新結(jié)構(gòu)——合成化學(xué) 4．高分子科學(xué)和材料 5．化學(xué)動(dòng)力學(xué)與分子反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué) 二、在化學(xué)基礎(chǔ)研究推動(dòng)下化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展1．石油化工 2．三大合成材料 3．合成氨工業(yè) 4．醫(yī)藥工業(yè) 第二章 從20世紀(jì)末化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科的動(dòng)向看未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 一、無(wú)機(jī)化學(xué) 1．現(xiàn)代無(wú)機(jī)合成 2．配位化學(xué) 3．原子簇化學(xué) 4．超導(dǎo)材料 5．無(wú)機(jī)晶體材料 6．稀土化學(xué) 7．生物無(wú)機(jī)化學(xué) 8．無(wú)機(jī)金屬與藥物 9．核化學(xué)和放射化學(xué) 二、有機(jī)化學(xué) 1. 有機(jī)合成化學(xué) (1)天然復(fù)雜有機(jī)分子的全合成(2)不對(duì)稱合成 2. 金屬有機(jī)化學(xué)和有機(jī)催化 (1)金屬有機(jī)化合物的合成、結(jié)構(gòu)和性能研究(2)金屬有機(jī)導(dǎo)向的有機(jī)反應(yīng) 3. 天然有機(jī)化學(xué) (1)天然產(chǎn)物的快速分離和結(jié)構(gòu)分析鑒定 (2)傳統(tǒng)中草藥的現(xiàn)代化研究 (3)天然產(chǎn)物的衍生物和組合化學(xué) (4)生物技術(shù) 4. 物理有機(jī)化學(xué) (1)分子結(jié)構(gòu)測(cè)定 (2)反應(yīng)機(jī)理 (3)分子問(wèn)的弱相互作用 5．生物有機(jī)化學(xué)三、物理化學(xué) 1．結(jié)構(gòu)化學(xué) 2．化學(xué)熱力學(xué) 3．化學(xué)動(dòng)力學(xué) 4．催化 (1)多相催化 (2)均相催化 (3)光催化 (4)電催化 (5)酶催化和仿酶催化 5. 量子化學(xué) 四、高分子化學(xué) 1. 高分子合成 2. 高分子高級(jí)結(jié)構(gòu)和尺度與性能的關(guān)系3. 高分子物理 4. 高分子成型 5. 功能高分子 6. 通用高分子材料及合成高分子的原料五、分析化學(xué) 1. 光譜分析 2. 電化學(xué)分析 3. 色譜分析 4. 質(zhì)譜分析(MS)(1)質(zhì)譜聯(lián)用(2)串聯(lián)質(zhì)譜(3)傅立葉變換質(zhì)譜FT-MS (4)整分子氣化和多光子電離技術(shù)(LEIM-MUPl)5. 核磁共振(NMR) (1)提高磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度 (2)發(fā)展三維核磁共振技術(shù)(3D-NMR)(3)固體NMR和NMR成像技術(shù) 6．表面分析 7．放射化分析 8．單分子(原子)檢測(cè)體系和儀器的研制 六、化學(xué)工程 1．化工過(guò)程的多尺度效應(yīng) 2．化學(xué)反應(yīng)-催化-反應(yīng)器 3．非傳統(tǒng)反應(yīng)工程 (1)超臨界反應(yīng)工程 (2)反應(yīng)-分離過(guò)程集成 (3)人為非定態(tài)反應(yīng)工程 4．生化反應(yīng)工程 第三章 交叉學(xué)科和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域 一、生命科學(xué) 1．生命的基礎(chǔ)物質(zhì)研究 2．遺傳物質(zhì)的作用 3．人類基因組計(jì)劃 4．酶結(jié)構(gòu)和催化功能的關(guān)系研究 5．腦科學(xué) 6．模擬生命過(guò)程和生命體系的合成 二、材料科學(xué) 1．新型導(dǎo)電材料 (1)半導(dǎo)體材料 (2)超導(dǎo)材料 (3)有機(jī)導(dǎo)體 (4)有機(jī)磁性材料2．新型光學(xué)材料 (1)非線性光學(xué)材料(2)液晶和有機(jī)電致發(fā)(3)光開(kāi)關(guān)材料 3. 新型陶瓷材料 (1)工程陶瓷 (2)電氣陶瓷 (3)超硬陶瓷材料 (4)熱敏元件陶瓷 4. 復(fù)合材料 (1)聚合物基復(fù)合材料(2)陶瓷基復(fù)合材料(3)金屬基復(fù)合材料5. 生物醫(yī)學(xué)材料 6. 新型合金材料 (1)輕質(zhì)合金 (2)貯氫合金 (3)超耐熱合金 (4)形狀記憶合金 7. 高分子材料 三、環(huán)境化學(xué) 1. 什么是環(huán)境化學(xué) 2. 環(huán)境化學(xué)的研究方向(1)環(huán)境分析化學(xué) (2)大氣環(huán)境化學(xué) (3)水環(huán)境化學(xué) (4)土壤環(huán)境化學(xué) (5)元素化學(xué)循環(huán) (6)控制污染的化學(xué) (7)環(huán)境計(jì)算化學(xué) 四、綠色化學(xué) 1．什么是綠色化學(xué) 2．綠色化學(xué)的發(fā)展方向 (1)新的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程研究 (2)傳統(tǒng)化學(xué)過(guò)程的綠色化學(xué)改造 (3)能源中的綠色化學(xué)問(wèn)題和潔凈煤化學(xué)技術(shù)(4)資源再生和循環(huán)使用技術(shù)研究 (5)綜合利用的綠色生化工程 五、能源化學(xué) 1．氫能 2．燃料電池 3．生物質(zhì)能源 4．太陽(yáng)能電池 5．海水鹽差發(fā)電 六、計(jì)算化學(xué) 1．什么是計(jì)算化學(xué) 2．計(jì)算化學(xué)的發(fā)展方向(1)研究分子結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系 (2)研究化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的 (3)預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物及新化合物具有什么樣的化學(xué)性質(zhì)(4)生物大分子的空間結(jié)構(gòu)、取向和形態(tài)研究 (5)研究分子—分子體系的排列和相互作用 (6)計(jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)過(guò)程的模擬 七、納米化學(xué) 1．納米化學(xué)合成 (1)納米插層聚合 (2)相分離嵌段聚合物(3)雜化材料 (4)組裝合成納米相 2．納米檢測(cè)技術(shù) 3．納米材料的異常行為及其用途 4．納米化學(xué)研究動(dòng)向與課題 八、手性藥物和手性技術(shù) 1．什么是手性藥物? 2．手性藥物分類 3．如何制造手性藥物? (1)手性合成 (2)手性拆分 第四章 化學(xué)工業(yè)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的關(guān)系一、農(nóng)業(yè) 1．肥料2．農(nóng)藥 3．植物激素及生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑 4．光合作用和固氮 (1)光合作用 (2)固氮 5．優(yōu)良品種和基因工程 二、能源 1．煤的高效和清潔化燃燒 2．天然氣的開(kāi)發(fā)和利用 3．石油的開(kāi)采、精煉和燃燒 4．核能利用 三、石油化工、天然氣化工和煤化工1．石油化工 2．天然氣化工 3．煤化工 (1)煤的拔頭上藝生產(chǎn)液體燃料(2)煤制合成氣(CO+H2) 四、健康與醫(yī)藥 1．基因藥物 2．酶抑制劑的研究和開(kāi)發(fā) 3．受體拮抗劑或阻斷劑 4．手性藥物 5．常見(jiàn)病和多發(fā)病治療藥物的研制 6．中醫(yī)藥現(xiàn)代化 五、新功能材料 1．微電子材料和器件 2．超導(dǎo)材料 3．新型納米陶瓷 4．光纖通訊材料 5．聚合物結(jié)構(gòu)材料 6．醫(yī)用材料 六、日用化學(xué)品和精細(xì)化工第二篇 展望一、20世紀(jì)化學(xué)的回顧與未來(lái)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì) 1．科技發(fā)展的基本考慮 2．20世紀(jì)的化學(xué)在推動(dòng)人類進(jìn)步和科技發(fā)展中起了核心科學(xué)的作用 (1)為人類進(jìn)步提供物質(zhì)基礎(chǔ) (2)在相關(guān)學(xué)科的發(fā)展中起了牽頭作用 3．對(duì)20世紀(jì)末化學(xué)現(xiàn)狀和地位的不同估計(jì) 二、未來(lái)化學(xué)的作用和地位 1．化學(xué)仍是解決食物短缺問(wèn)題的主要學(xué)科之一 2．化學(xué)在能源和資源的合理開(kāi)發(fā)和高效安全利用中起關(guān)鍵作用 3．化學(xué)繼續(xù)推動(dòng)材料科學(xué)發(fā)展 4．化學(xué)是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有效保障 三、21世紀(jì)化學(xué)科學(xué)發(fā)展的總趨勢(shì) 1．微觀與宏觀相結(jié)合 2．靜態(tài)與動(dòng)態(tài)(過(guò)程)相結(jié)合 3．由復(fù)雜到簡(jiǎn)單，再由簡(jiǎn)單到復(fù)雜 四、未來(lái)化學(xué)研究模式 (1)從實(shí)際問(wèn)題中抽出化學(xué)基本問(wèn)題來(lái)研究 (2)吸收其他學(xué)科的新理論和新結(jié)果，孕育化學(xué)生長(zhǎng)點(diǎn) (3)與其他學(xué)科融合，開(kāi)拓化學(xué)新領(lǐng)域 (4)把握動(dòng)向和時(shí)機(jī)，提出新的思路和新的研究方向 (5)重視化學(xué)學(xué)科自身發(fā)展與整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合 五、其他學(xué)科中的基本化學(xué)問(wèn)題 1．生命科學(xué)中的基本化學(xué)問(wèn)題 (1)生物大分子之間、生物大分子與小分子之間的各種相互作用 (2)生物功能分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究 (3)生命過(guò)程復(fù)雜性的研究 2．材料科學(xué)中的基本化學(xué)問(wèn)題 (1)分子結(jié)構(gòu)-分子聚集體高級(jí)結(jié)構(gòu)-材料結(jié)構(gòu)-理化性質(zhì)-功能之間的關(guān)系 (2)合成功能分子與構(gòu)筑高級(jí)結(jié)構(gòu)的理論與方法的研究 (3)分子器件的研究 (4)模擬生物材料形成過(guò)程的基礎(chǔ)研究 3. 可持續(xù)性發(fā)展的基本化學(xué)問(wèn)題——綠色化學(xué)和環(huán)境化學(xué)六、21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展方向 1．尋求結(jié)構(gòu)多樣性的研究與功能研究結(jié)合 (1)尋求結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和多樣性的目標(biāo)結(jié)構(gòu)包含高級(jí)結(jié)構(gòu) (2)組合化學(xué)研究 (3)發(fā)現(xiàn)和尋找新合成方法 (4)結(jié)構(gòu)化學(xué)與合成化學(xué)結(jié)合 2．復(fù)雜化學(xué)體系的研究 (1)復(fù)雜系統(tǒng)中的多層次結(jié)構(gòu)研究 (2)尺度效應(yīng)和多尺度問(wèn)題 (3)復(fù)雜系統(tǒng)過(guò)程問(wèn)題 3．化學(xué)信息學(xué)和高效計(jì)算機(jī)信息處理 (1)功能分子信息處理 (2)與生物銜接的化學(xué)信息學(xué) (3)與化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)過(guò)程銜接的化學(xué)信息學(xué) 4．新實(shí)驗(yàn)方法的建立和方法學(xué)研究 5．跟蹤、分析、模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 編者附話 第三篇發(fā)言匯編21世紀(jì)的高分子化學(xué)（王佛松、何天白）化學(xué)研究的空白區(qū)和未來(lái)發(fā)展的前沿（王夔） 微系統(tǒng)與化學(xué)（田中群） 化學(xué)的新問(wèn)題：仿生自組裝和開(kāi)發(fā)植物能源（朱清時(shí)、閻立峰）21世紀(jì)的核化學(xué)與放射化學(xué)展望（劉元方） 充滿希望的新世紀(jì)對(duì)21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科發(fā)展一些看法（吳毓林）化工過(guò)程中的多尺度效應(yīng)（李靜海） 生命科學(xué)進(jìn)展中的化學(xué)機(jī)遇（張禮和） 化學(xué)計(jì)量學(xué)與21世紀(jì)的化學(xué)（俞汝勤、梁逸曾） 展望21世紀(jì)的分析科學(xué)（黃本立） 后記
前言現(xiàn)在很多人在預(yù)測(cè)21世紀(jì)學(xué)科發(fā)展前景。推測(cè)21世紀(jì)的化學(xué)會(huì)在哪些方面有歷史性突破?什么是未來(lái)化學(xué)的新生長(zhǎng)點(diǎn)?它會(huì)發(fā)展成什么樣的學(xué)科?它在整個(gè)科學(xué)體系中占有什么地位?從另一方面看，21世紀(jì)中化學(xué)會(huì)遇到來(lái)自哪一方面的挑戰(zhàn)?會(huì)遇到什么難題?會(huì)陷入什么困境?絕大多數(shù)化學(xué)工作者都會(huì)思考這些問(wèn)題，但是實(shí)際上誰(shuí)也說(shuō)不清這些問(wèn)題。如果我們一個(gè)一個(gè)地來(lái)考察科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的重要發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，似乎都發(fā)生在偶然的機(jī)會(huì)之中；而且，好像計(jì)劃制訂得越明確、預(yù)期目標(biāo)越清楚、實(shí)驗(yàn)方案越合理、可行，就越不大可能有重大突破。那么，是否科學(xué)研究中的創(chuàng)新既不可能預(yù)見(jiàn)，也不可能有計(jì)劃地達(dá)到呢?走不是人們只能隨著科學(xué)發(fā)展的潮流，等待機(jī)遇呢?實(shí)際上，我們只要溫故以知新，還是可以看出發(fā)展的動(dòng)向來(lái)的。在19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，有幾個(gè)重要?jiǎng)酉驔Q定了20世紀(jì)的化學(xué)發(fā)展方向。周期律、原予結(jié)構(gòu)、放射性、人工放射性元素、量子論以至量子化學(xué)等等形成了貫穿100年的向物質(zhì)的微觀本質(zhì)深入的一條主線。另外，從熱力學(xué)到動(dòng)力學(xué)，從平衡態(tài)到非平衡態(tài)，這是化學(xué)宏觀研究的另一條主線l從制備到合成，從無(wú)機(jī)化合物到有機(jī)化合物，從小分子到高分子，從簡(jiǎn)單分子到復(fù)雜分子，這條合成化學(xué)發(fā)展途徑也是從19世紀(jì)末發(fā)展到20世紀(jì)中去的。這說(shuō)明，可以從分析目前發(fā)展動(dòng)向去看未來(lái)若干年的發(fā)展方向。在這一部分中我們將給讀者展示化學(xué)各個(gè)領(lǐng)域過(guò)去的歷史和目前的動(dòng)向，希望讀者能夠從中找到未來(lái)化學(xué)發(fā)展的方向。 學(xué)科的劃分、融合和重組，恐怕是不能停止的，而且越來(lái)變化越快。化學(xué)誕生之后漸漸形成無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)等少數(shù)幾個(gè)分支學(xué)科。如此發(fā)展了上百年。但是，一方面隨著研究的細(xì)化，它們又分化成新的學(xué)科；另一方面又因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題大多數(shù)是綜合的，不能早靠一個(gè)分支學(xué)科所能解決。因此又不斷交叉、融合，產(chǎn)生另外一些新學(xué)科。在這一部分，先討論各個(gè)傳統(tǒng)分支學(xué)科的動(dòng)向，然后再討論交叉學(xué)科的動(dòng)向。 這一部分是根據(jù)1999年在香港由香港理工大學(xué)主辦、有兩岸三地主要化學(xué)家參加的“21世紀(jì)化學(xué)前景討論會(huì)”上的發(fā)言，集思廣益編寫(xiě)而成的。初稿又經(jīng)過(guò)許多化學(xué)家提出意見(jiàn)，作了許多修改和補(bǔ)充。得獎(jiǎng)年份獲獎(jiǎng)?wù)邍?guó)籍獲獎(jiǎng)時(shí)年齡(歲)獲獎(jiǎng)成就1999A.H.Zewail美國(guó)53飛秒激光技術(shù)研究超快化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和過(guò)渡態(tài)1998W.KohnJ.A.Pople美國(guó)英國(guó)7573發(fā)展了電子密度泛函理論發(fā)展了量子化學(xué)計(jì)算方法1997J.SkouP.BoyerJ.Walker丹麥美國(guó)英國(guó)797956發(fā)現(xiàn)為此細(xì)胞中鈉鉀濃度平衡的酶，并闡明起作用機(jī)理發(fā)現(xiàn)了能量分子三磷酸腺苷的形成過(guò)程1996R.F.CurlR.E.SmalleyH.W.Kroto美國(guó)美國(guó)英國(guó)585357發(fā)現(xiàn)C601995M.MolinaS.RowlandP.Crutzen墨西哥美國(guó)荷蘭526862研究大氣環(huán)境化學(xué)，特別在臭氧的形成和分解研究方面做出的貢獻(xiàn)1994G.A.Olah美國(guó)67碳正離子化學(xué)的研究1993M.SmithK.B.Mullis加拿大美國(guó)6148寡聚核苷酸定點(diǎn)誘變法對(duì)基因的貢獻(xiàn)多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)對(duì)基因的貢獻(xiàn)1992R.A.Marcus美國(guó)69電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)理論1991R.R.Ernst瑞士58高分辨核磁共振譜法的發(fā)展1990E.J.Corey美國(guó)62有機(jī)合成的逆合成分析法1989T.CechS.Altman美國(guó)美國(guó)4150Ribozyme（核糖核酸酶）的發(fā)現(xiàn)1988J.DeisenhogerH.MichelR.Huber德國(guó)德國(guó)德國(guó)454051測(cè)定了細(xì)菌光合反應(yīng)中心膜蛋白-色素復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)，為光化學(xué)反應(yīng)做出的貢獻(xiàn)1987C.J.PedersenD.J.CramJ.M.Lehn美國(guó)美國(guó)法國(guó)836848開(kāi)創(chuàng)主-客體化學(xué)，超分子化學(xué)，冠醚化學(xué)等新領(lǐng)域1986李遠(yuǎn)哲D.R.HerschbachJ.Polanyi美籍華人美國(guó)加拿大505455發(fā)展了交叉分子束技術(shù)，紅外線化學(xué)發(fā)光方法，對(duì)微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究做出的貢獻(xiàn)1985H.A.HauptmanJ.Kale美國(guó)美國(guó)6867發(fā)明了X-射線衍射確定晶體結(jié)構(gòu)的直接計(jì)算方法，對(duì)分子晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定方法做出的貢獻(xiàn)1984R.B.Merrifield美國(guó)63發(fā)明了固相多肽合成法1983H.Taube加拿大68在金屬配位化合物電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)理研究中做出的貢獻(xiàn)1982A.Klug英國(guó)56創(chuàng)造了“象重組”技術(shù)，揭示病毒結(jié)構(gòu)1981Kenich FukuiR.Hoffmann日本美國(guó)6344提出前線軌道理論提出分子軌道對(duì)稱守恒原理1980P.BergF.SangerW.Gilbert美國(guó)英國(guó)美國(guó)546248DNA分裂和重組研究，確定DNA內(nèi)核苷酸排列順序的方法，開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代基因工程學(xué)1979H.C.BrownG.Wittig美國(guó)德國(guó)6782在有機(jī)合成中發(fā)展了有機(jī)硼、有機(jī)磷試劑和反應(yīng)1978P.Mitchell英國(guó)58用化學(xué)滲透理論研究生物能的轉(zhuǎn)換1977I.Prigogine比利時(shí)60研究非平衡的不可逆過(guò)程熱力學(xué)，提出了耗散結(jié)構(gòu)理論1976W.N.Lipscomb,Jr美國(guó)57有機(jī)硼化合物的結(jié)構(gòu)研究，發(fā)展分子結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)和有機(jī)硼化學(xué)1975J．W．CornforthV．Prelog英國(guó)瑞士5869酶催化反應(yīng)的立體化學(xué)研究有機(jī)分子和反應(yīng)的立體化學(xué)研究1974P．J．Flory美國(guó)64高分子物理化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)力面的基礎(chǔ)研究1973G，WilkinsonE．O．Fischer英國(guó)德國(guó)5245研究二茂鐵結(jié)構(gòu)，發(fā)展了金屬有機(jī)化學(xué)和配合物化學(xué)1972C.B．AnfinsenS．MooreW. H．Stein美國(guó)美國(guó)美國(guó)565961研究核糖核酸酶分子結(jié)構(gòu)和催化反應(yīng)活性中心1971G．Herzberg加拿大67分子光譜學(xué)和自由基電子結(jié)構(gòu)的研究1970L．F．Leloir阿根廷64在糖生物合成中發(fā)現(xiàn)了糖核苷酸的作用1969D．H．R．BartonO．Hassel英國(guó)挪威5172發(fā)展分子空間構(gòu)象概念分析及其在化學(xué)中的應(yīng)用1968L．Onsager美國(guó)65不可逆過(guò)程熱力學(xué)研究1967M．EigenR．G．W．NorrishG．Porter德國(guó)英國(guó)英國(guó)407047用弛豫法、閃光光解法研究快速化學(xué)反應(yīng)1966R．S．Mulliken美國(guó)70創(chuàng)立了分子軌道理論，闡明了分子共價(jià)鍵本質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)1965R．B．Woodward美國(guó)48在天然有機(jī)化合物的合成方面作出重大貢獻(xiàn)1964D．C．Hodgkin英國(guó)54重要生物大分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定1963K．ZieglerG．Natta德國(guó)意大利7060發(fā)明了Ziegler-Natta催化劑，首次合成了定向有規(guī)高聚物1962M．F．PerutzJ. C. Kendrew英國(guó)英國(guó)4845研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的杰出貢獻(xiàn)1961M．Calvin美國(guó)50研究植物中CO2進(jìn)行的光合作用1960W．F．Libby美國(guó)52發(fā)明了14C測(cè)定地質(zhì)年代的方法1959J．Heyrovsky捷克69發(fā)明極譜分析法1958F．Sanger英國(guó)40對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特別是胰島素結(jié)構(gòu)的測(cè)定1957A．Todd英國(guó)50對(duì)核苷酸和核苷酸輔酶的研究1956C．N. HinchelwoodN．Sernenov英國(guó)前蘇聯(lián)5960對(duì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的研究1955V．du Vigneand美國(guó)54對(duì)生物化學(xué)上重要含硫化合物的研究，第一次合成多肽激素1954L．Pauling美國(guó)53對(duì)化學(xué)鍵本質(zhì)的研究并用于闡明復(fù)雜物質(zhì)的結(jié)構(gòu)1953H．Staudinger德國(guó)72高分子化學(xué)方面的杰出貢獻(xiàn)1952A．J．P．Martin R．L．M．Synge英國(guó)英國(guó) 4238發(fā)明分配色層分析法1951E．M．Mcmillan G．Seaborg美國(guó)美國(guó)44 39發(fā)現(xiàn)超鈾元素1950O．DielsK．Alder德國(guó)德國(guó)7448發(fā)現(xiàn)了雙烯合成反應(yīng)，即Diels- Alder反應(yīng)1949W．F．Giaugue美國(guó)54對(duì)化學(xué)熱力學(xué)特別是超低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究1948A．W．K．Tiselius瑞典46對(duì)電泳和吸附分析的研究，發(fā)現(xiàn)了血清蛋白1947R．Robinson英國(guó)61對(duì)生物活性的植物成分研究，特別是生物鹼研究1946J．B. SumnerJ．H．NorthropW．M．Stanley美國(guó)美國(guó)美國(guó)555942發(fā)現(xiàn)酵的類結(jié)晶法分離得到純的酶和病毒蛋白1945A．J．Virtarnen荷蘭50發(fā)明了飼料貯存保鮮方法，對(duì)農(nóng)業(yè)化學(xué)和營(yíng)養(yǎng)化學(xué)作出貢獻(xiàn)1944O．Hahn德國(guó)65發(fā)現(xiàn)重核裂變1943G．Heresy匈牙利57利用同位素示蹤研究化學(xué)反應(yīng)1942無(wú)1941無(wú)1940無(wú)1939A．F．J．ButenandtL．Ruzicka德國(guó)瑞土3652性激素研究聚亞甲基多碳原子大環(huán)和多萜烯研究1938R．Kuhn德國(guó)38維生素和類胡蘿卜素研究1937W．N．HaworthP．Karrer英國(guó)瑞士5448發(fā)現(xiàn)了糖類環(huán)狀結(jié)構(gòu)和合成Vc胡蘿卜素、核黃素及維生素A和B2的研究1936P．Debye荷蘭52提出了極性分子理論，確定了分子偶極矩的測(cè)定方法1935F．Joliot-CurieI．Joliot-Cude法國(guó)法國(guó)3538合成了新的人工放射性元素1934H．C．Urey美國(guó) 41發(fā)現(xiàn)重水和重氫同位素1933無(wú)1932J．Langmuir 美國(guó)51表面化學(xué)研究1931C.Bosch F.Bergius德國(guó)德國(guó)5747發(fā)明和發(fā)展了化學(xué)高壓法1930H．Fischer德國(guó)49血紅素和葉綠素的結(jié)構(gòu)研究，合成了高鐵血紅素1929A.HardenH．von Euler-Chdvin英國(guó)法國(guó)6456糖的發(fā)酵和酶在發(fā)酵中作用的研究1928A.Windaus法國(guó)52甾醇的結(jié)構(gòu)測(cè)定和維生素D3合成1927H．Wiehnd德國(guó)50發(fā)現(xiàn)膽酸及其化學(xué)結(jié)構(gòu)1926 T．Svedberg瑞士42發(fā)明超迷離心機(jī)并用于高分散膠體物質(zhì)研究1925R．Zsigmondy德國(guó)60對(duì)膠體化學(xué)研究的卓越貢獻(xiàn)1924無(wú)1923F．Pregl奧地利54確定有機(jī)化學(xué)微量分析方法1922F．W．Aston英國(guó)45發(fā)明了質(zhì)譜儀，發(fā)現(xiàn)了許多非放射性同位素及原子量的整數(shù)規(guī)則1921F．Soddv英國(guó)44對(duì)放射性化學(xué)物質(zhì)的研究及對(duì)同位素起源和性質(zhì)的研究1920W．Nernst德國(guó)56熱化學(xué)研究1919無(wú)1918F．Haber德國(guó)50氨的合成1917無(wú)1916無(wú)1915R．Willstatter德國(guó)43對(duì)葉綠素和植物色素的研究1914Th.Richards美國(guó)46 精密測(cè)定了許多元素的原子量1913A．Wether瑞士47金屬絡(luò)合物的配位理論1912V．GrignardP．Sabatier法國(guó)法國(guó)4158格林尼亞試劑的發(fā)明有機(jī)化合物的催化加氫1911M．Curie波蘭44發(fā)現(xiàn)放射性元素釙和鐳1910O．Wallach德國(guó)63對(duì)脂環(huán)族化合物的開(kāi)創(chuàng)性研究1909W．Ostwald德國(guó)56催化研究，電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究1908E．Rutherford英國(guó)37元家嬗變和放射性物質(zhì)的化學(xué)研究1907E．Buchner德國(guó)47發(fā)酵的生物化學(xué)研究1906H．Moissan法國(guó)54制備單質(zhì)氟，發(fā)展了一種高溫反射電爐1905A．von Baever德國(guó)70對(duì)有機(jī)染料和氫化芳香化合物的研究1904W．Ramsay英國(guó)52在大氣中發(fā)現(xiàn)惰性氣體，并確定它們?cè)谠刂芷诒碇械奈恢?903S．Arrhenius瑞典44電離理淪1902E. Fisher德國(guó)50糖類和嘌呤化合物的合成1901J．H．van’t Hoff荷蘭49溶劑中化學(xué)動(dòng)力學(xué)定律和滲透壓定律從上述諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得者的年齡來(lái)看，最老的是1987年C.J.Pedersen為83歲，最少的是1935年F．Joliot-Curie為35歲，91屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者的平均年齡為55.5歲。當(dāng)然這是獲獎(jiǎng)時(shí)的年齡，而他們的重大發(fā)現(xiàn)可能在10年或20年以前，其間要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的考驗(yàn)和評(píng)價(jià)，但從平均年齡55.5歲來(lái)看，確是“冰凍三尺非一日之寒”。二、在化學(xué)基礎(chǔ)研究推動(dòng)下化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展 化學(xué)工業(yè)在20世紀(jì)初崛起。從煤焦油衍生的染料、炸藥、酚醛樹(shù)脂、藥物等一系列化學(xué)工業(yè)以及合成氨、酸、堿等基本化學(xué)工業(yè)為解決衣食住行問(wèn)題起了重大作用。在后半個(gè)世紀(jì)化學(xué)工業(yè)趨于科學(xué)化。一方面由于化學(xué)基礎(chǔ)研究的一些重大突破，推動(dòng)了化學(xué)工業(yè)的大發(fā)展，使與化學(xué)相關(guān)的工農(nóng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域均相應(yīng)地得到很大的進(jìn)展；一方面它們又通過(guò)不斷提出問(wèn)題和要求，推動(dòng)了化學(xué)基礎(chǔ)研究。下面將分別列舉國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一些重要的化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。1．石油化工 這是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占重要地位的工業(yè)領(lǐng)域。世界化工總產(chǎn)值為1萬(wàn)億美元左右，其中80％以上的產(chǎn)品均與石油化工有關(guān)。世界石油探明儲(chǔ)量為1.4萬(wàn)億噸左右，石油煉制和加工已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。 石油化工從煉油開(kāi)始，到分子量較小的每一種碳?xì)浠衔?如乙稀、丙烯等)的生產(chǎn)均離不開(kāi)催化，催化劑已成為石油化工的核心技寐；本世紀(jì)30年代催化劑進(jìn)入于石油化工的大門(mén)，原油裂化成石油費(fèi)晶的催化裂解，使石油的各種餾分成為各種不同用途的化工產(chǎn)品。如表2所示。
第二章 從20世紀(jì)末化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科的動(dòng)向看未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
力的發(fā)展。 為了較為詳細(xì)的分析目前學(xué)科動(dòng)向以便展望今后化學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，下面將按二級(jí)學(xué)科：無(wú)機(jī)化學(xué)，有機(jī)化學(xué)，物理化學(xué)，高分子化學(xué)，分析化學(xué)和化工科學(xué)等六個(gè)方面來(lái)敘述。事實(shí)上這些學(xué)科間的界限越來(lái)越模糊，解決實(shí)際問(wèn)題必須學(xué)科綜合。今后學(xué)科重組勢(shì)在必然。創(chuàng)新和突破可能在那些新的領(lǐng)域中有更多的機(jī)會(huì)。一、無(wú)機(jī)化學(xué) 人們周圍發(fā)生的和利用的化學(xué)過(guò)程許多是無(wú)機(jī)化學(xué)過(guò)程。人們周圍的物質(zhì)和所創(chuàng)造的物質(zhì)也有很多是無(wú)機(jī)物。 無(wú)機(jī)化學(xué)是研究無(wú)機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)與過(guò)程的化學(xué)。無(wú)機(jī)物種類繁多，包括在元素周期表上除碳以外的所有元素以及由這些元素生成的各種不同類型的無(wú)機(jī)物，因此無(wú)機(jī)化學(xué)的研究范圍極其廣闊。21世紀(jì)無(wú)機(jī)化學(xué)研究的立足點(diǎn)在哪里，可以從以下幾個(gè)動(dòng)向來(lái)探討。1．現(xiàn)代無(wú)機(jī)合成 無(wú)機(jī)化合物涵蓋周期表上碳以外各元素構(gòu)成的物質(zhì)，所以種類甚多，而且各種無(wú)機(jī)物的合成方法差別較大，無(wú)機(jī)合成化學(xué)中未經(jīng)開(kāi)拓的領(lǐng)域很多，新型無(wú)機(jī)物合成有很寬廣的前途。發(fā)現(xiàn)一種新的合成方法或一種新型結(jié)構(gòu)，將就有一系列新的無(wú)機(jī)化合物出現(xiàn)，如夾心式化合物、籠狀、簇狀、穴狀化合物等；而且很多無(wú)機(jī)化合物都具有特殊的功能，如激光發(fā)射、發(fā)光、高密度信息存儲(chǔ)、永磁性、超導(dǎo)性、能源、傳感等，均有廣泛的應(yīng)用前景。 現(xiàn)代無(wú)機(jī)合成化學(xué)首先要?jiǎng)?chuàng)造新型結(jié)構(gòu)，尋求分子多樣性；同時(shí)應(yīng)注意發(fā)展新合成反應(yīng)、新合成路線和方法、新制備技術(shù)及對(duì)與此相關(guān)的反應(yīng)機(jī)理的研究。注意復(fù)雜和特殊結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)物的高難度合成，如團(tuán)簇、層狀化合物及其特定的多型體(po1ytypes)、各類層間的嵌插(intercalation)結(jié)構(gòu)及多維結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)物。研究特殊聚集態(tài)的合成，如超微粒、納米態(tài)、微乳與膠束、無(wú)機(jī)膜、非晶態(tài)、玻璃態(tài)、陶瓷、單晶、晶須、微孔晶體等。在極端條件下，如超高壓、超高溫、超高真空、超低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、激光、等離子體等，可能得到多種多樣的在一般條件下無(wú)法得到的新化合物、新物相和新物態(tài)。如在高真空、無(wú)重力的宇宙空間條件下的無(wú)機(jī)合成，可能會(huì)合成出沒(méi)有位錯(cuò)的高純度晶體?？傊F(xiàn)代無(wú)機(jī)合成在21世紀(jì)會(huì)有所突破。2．配位化學(xué) A．Werner創(chuàng)立的配位學(xué)說(shuō)是化學(xué)歷史中的重要里程碑。他打破了以前的共價(jià)理論和價(jià)飽和觀念的局限；建立分子間新型相互作用，展現(xiàn)出在這之前想不到的新領(lǐng)域。在Werner之后，有人研究配合物形成和它們參與的反應(yīng)；有人則研究配位結(jié)合和配合物結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。很快配位化學(xué)就成為無(wú)機(jī)化學(xué)研究中一個(gè)主要方向，成為無(wú)機(jī)化學(xué)與物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、固體物理和環(huán)境科學(xué)相互滲透、交叉的新興學(xué)科。 配合物的類型迅速增加。從最初簡(jiǎn)單配合物和螯合物發(fā)展到多核配合物、聚合配合物、大環(huán)配合物；從單一配體配合物發(fā)展到混合配體配合物，從研究配合物分子到研究由多個(gè)配合物分子構(gòu)筑成的配合物聚集體。在20世紀(jì)中葉，Irving，Williams，Perrin創(chuàng)立了溶液配位化學(xué)。而Sillen和Stumm又由溶液配位化學(xué)研究導(dǎo)致后來(lái)的水化學(xué)、環(huán)境配位化學(xué)，直到Perrin，Williams建立多金屬多配體計(jì)算機(jī)模型。另外，對(duì)配位結(jié)構(gòu)的微觀研究產(chǎn)生了配位場(chǎng)理論，豐富了量子化學(xué)理論，擴(kuò)大了結(jié)構(gòu)化學(xué)領(lǐng)域。 配位化學(xué)從60年代起就與生命科學(xué)結(jié)合，成為生物無(wú)機(jī)化學(xué)產(chǎn)生的基礎(chǔ)。陸續(xù)發(fā)現(xiàn)配合物的良好催化作用在有機(jī)合成、高分子合成中發(fā)揮了極大作用。 配位化學(xué)的另一個(gè)具有發(fā)展前景的領(lǐng)域是對(duì)具有特殊功能(如光、電、磁、超導(dǎo)、信息存儲(chǔ)等)配合物的研究。3．原子簇化學(xué)金屬原子簇化合物的發(fā)現(xiàn)開(kāi)拓了又一個(gè)新領(lǐng)域，其后逐漸形成了一門(mén)新興的化學(xué)分支學(xué)科——金屬原子簇化學(xué)。20世紀(jì)70年代后由于化學(xué)模擬生物固氮、金屬原子簇化合物的催化功能、生物金屬原子簇、超導(dǎo)及新型材料等方面的研究需要，促使金屬原子簇化學(xué)快速發(fā)展。建立了一些合成方法，并且用結(jié)構(gòu)化學(xué)和譜學(xué)等實(shí)驗(yàn)手段了解了一些金屬簇合物結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)。在此基礎(chǔ)上探求成簇機(jī)理，從理論上研究其成鍵能力和結(jié)構(gòu)規(guī)律。目前已有多種學(xué)說(shuō)，如Lipscomb的硼烷三中心鍵模型，Sidgwick等的有效原子數(shù)(EAN)規(guī)則，Wade的多面體骨架成鍵電子對(duì)理論，Cotton的金屬—金屬多重鍵理論，Lauher的金屬原子簇的簇價(jià)軌道(CVMO)理論，Mingos的多面體簇骼電子對(duì)理論，張文卿的金屬原子簇拓?fù)潆娮佑?jì)算理論，唐敖慶的成鍵與非鍵軌道數(shù)的(9n—L)規(guī)則，盧嘉錫的類立方烷結(jié)構(gòu)規(guī)則，徐光憲的n×cp結(jié)構(gòu)和成鍵規(guī)則及張乾二的多面體分子軌道理論等，從不同角度論述了金屬原子簇的內(nèi)在結(jié)構(gòu)規(guī)律。但這些規(guī)律均存在一定的局限性，尚沒(méi)有一個(gè)較為完善的理論來(lái)概括和解釋金屬原子簇化合物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這一領(lǐng)域內(nèi)，僅1976年W．N．Lipscomb因其有機(jī)硼化合物結(jié)構(gòu)研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存，有待化學(xué)家們繼續(xù)去努力和解決。4．超導(dǎo)材料 眾所周知，超導(dǎo)現(xiàn)象是1911年H．K．Onnes發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)汞冷卻到4 K時(shí)，其電阻突然消失。這種超導(dǎo)現(xiàn)象提供了十分誘惑的工業(yè)前景，但4K的低溫讓人們失去了應(yīng)用的信心。直到1986年IBM公司瑞士蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室的J．G．Bednorz和K．A．Mueller報(bào)道了一種銅、氧、鋇和鑭組成的陶瓷材料具有超導(dǎo)性能，轉(zhuǎn)變溫度為30 K，這是一種完全與過(guò)去已知超導(dǎo)體不同的新型材料，才激起了當(dāng)時(shí)世界的超導(dǎo)熱。世界各國(guó)不少科學(xué)家相繼投入到研制超導(dǎo)材料的熱潮中，而后美國(guó)休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武等很快研制成功一種含釔和鋇的銅氧化物YBa2Cu307，其轉(zhuǎn)變溫度在90 K，進(jìn)入了液氮溫度區(qū)(氮在77K變?yōu)橐后w，所以可用液氮作為致冷劑使材料呈現(xiàn)超導(dǎo)性能)。1988年又研制出了轉(zhuǎn)變溫度為125 K的新型超導(dǎo)材料T12Ca2Ba2Cu3010。至今又是10多年過(guò)去了，與室溫超導(dǎo)材料的前景尚有很大距離，21世紀(jì)能否在室溫超導(dǎo)材料上有重大突破?這是對(duì)化學(xué)家和物理學(xué)家提出的挑戰(zhàn)! 關(guān)鍵在于這些混合氧化物的超導(dǎo)機(jī)理至今尚未被科學(xué)家們認(rèn)識(shí)和理解。混合氧化物的超導(dǎo)性一直是物理學(xué)家研究的課題，其現(xiàn)在所得到的一些認(rèn)識(shí)和規(guī)律沒(méi)有充分注意到化學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。因而人們不能解釋混合氧化物超導(dǎo)體為什么離不開(kāi)Cu、Ba、Y和Bi這些元素；不能解釋它們的組成為什么和超導(dǎo)性有關(guān)；也不能解釋電子在這類材料結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)和超導(dǎo)性的關(guān)系。簡(jiǎn)單地說(shuō)20世紀(jì)是以室溫超導(dǎo)的物理學(xué)研究為主；21世紀(jì)室溫超導(dǎo)化學(xué)必然發(fā)展。5．無(wú)機(jī)晶體材料 20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了激光技術(shù)，由于其在方向性、相干性、單色性和高儲(chǔ)能性質(zhì)等方面的突出優(yōu)點(diǎn)引起了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、信息、軍事等方面的極大興趣。然而激光技術(shù)本身需要對(duì)激光光源進(jìn)行變頻、調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)偏等處理后才能起到信息傳遞的媒介和能源的作用。這與晶體的非線性光學(xué)效應(yīng)有關(guān)，要依靠非線性光學(xué)晶體來(lái)完成這一處理過(guò)程。這就給無(wú)機(jī)化學(xué)提供了一個(gè)研究具有非線性光學(xué)性質(zhì)的無(wú)機(jī)晶體的極好機(jī)遇。目前已有優(yōu)質(zhì)紫外倍頻材料低溫偏硼酸鋇(BBO)晶體，其空間群為R3c。這是目前輸出相干光波長(zhǎng)短、倍頻效應(yīng)大、抗光損傷能力高、調(diào)諧溫度半寬度較寬的紫外非線性光學(xué)晶體。類似性能的晶體還有LBO、NAB等。 另一類無(wú)機(jī)晶體是閃爍晶體，可作為高能粒子如電子、g-射線等的探測(cè)器。如BGO晶體(鍺酸鉍、Bi4Ge3012)具有發(fā)光性質(zhì)。當(dāng)一定能量的電子、g-射線、重帶電粒子進(jìn)入BGO時(shí)，它能發(fā)出藍(lán)綠色的熒光。記錄熒光的強(qiáng)度和位置，就能計(jì)算出入射粒子的能量和位置?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用在高能物理、核物理、核醫(yī)學(xué)、核工業(yè)、地質(zhì)勘探籌方面。這類具有特殊功能的無(wú)機(jī)晶體的合成和生長(zhǎng)是固體無(wú)機(jī)化學(xué)研究的一個(gè)生長(zhǎng)點(diǎn)。其他如人造水晶、金剛石、氟金云母晶體等各種無(wú)機(jī)功能晶體也是目前的幾個(gè)發(fā)展動(dòng)向。這一領(lǐng)域會(huì)研究出更多、更好的具有特殊功能的晶體材料，將會(huì)是21世紀(jì)無(wú)機(jī)化學(xué)發(fā)展的重要方面。 6．稀土化學(xué) 稀土是中國(guó)的豐產(chǎn)元素，世界稀土資源的80％在中國(guó)，稀土包括原子序數(shù)57～71的15個(gè)元素，再加元素周期表同屬Ⅲ副族的鈧和釔，共計(jì)17個(gè)元素。稀土元素外層電子結(jié)構(gòu)基本相同；而內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)4f電子能級(jí)相近。20世紀(jì)經(jīng)過(guò)大量的研究工作，發(fā)現(xiàn)稀土在光、電、磁、催化等方面具有獨(dú)特的功能。如含稀土的分子篩在石油催化裂化中可使汽油產(chǎn)率大大提高；硫氧釔銪在電子轟擊下產(chǎn)生鮮艷的紅色熒光，可使彩電的亮度提高1倍；稀土永磁材料用于電機(jī)制造，可縮小體積，做到微型化和高效化；在高溫超導(dǎo)材料中也缺不了稀土元素；稀土元素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有增產(chǎn)糧食的作用等。因此研究稀土元素的性質(zhì)和功能在21世紀(jì)將具有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。 稀土元素由于外層電子結(jié)構(gòu)基本相同，使分離單一稀土元素就相當(dāng)困難。目前雖有離子交換法、絡(luò)合萃取法等分離方法，但生產(chǎn)單一稀土元素的成本是很高的，因此稀土元素本身的化學(xué)工作還需深入研究，有待獲得單一稀土元素的快速簡(jiǎn)易的好方法。同時(shí)稀土元素作為材料研究，在激光、發(fā)光、信息、永磁、超導(dǎo)、能源、催化、傳感、生物等領(lǐng)域?qū)?huì)作為主攻方向。7．生物無(wú)機(jī)化學(xué) 生物無(wú)機(jī)化學(xué)醞釀?dòng)?0世紀(jì)50年代，誕生于60年代。在短短的半個(gè)世紀(jì)有了很大發(fā)展。回顧這段歷史對(duì)于人們今后如何開(kāi)展生命科學(xué)中的化學(xué)問(wèn)題研究頗有啟發(fā)。早在化學(xué)與生物學(xué)融合而又分化出生物化學(xué)的時(shí)候，就孕育著從生物化學(xué)中再分化的問(wèn)題。生物化學(xué)研究的對(duì)象是各種生物功能分子，生物學(xué)家多注意功能，但是化學(xué)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域之后，更注意結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。當(dāng)時(shí)最為直接的結(jié)構(gòu)測(cè)定方法是X-射線晶體結(jié)構(gòu)分析，而獲得生物大分子單晶是一個(gè)難題。當(dāng)Perutz因其對(duì)肌紅蛋白和血紅蛋白的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理研究而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)生物無(wú)機(jī)化學(xué)就開(kāi)始萌芽。于是在生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)之間開(kāi)始結(jié)合，產(chǎn)生了一個(gè)以測(cè)定生物功能分子結(jié)構(gòu)和闡明作用機(jī)理為內(nèi)容的新領(lǐng)域。與此同時(shí)，在生物化學(xué)深入到涉及金屬離子的生物過(guò)程時(shí)，必然地與當(dāng)時(shí)正在迅速發(fā)展起來(lái)的配位化學(xué)結(jié)合。原來(lái)研究溶液配位化學(xué)的主要學(xué)者均紛紛研究生物配體和金屬離子的溶液化學(xué)。R．J．P．Williams，D. D．Perrin，K．B．Yatzimirskii，D．R．Williams等等先后進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，使之成為生物無(wú)機(jī)化學(xué)的另外一個(gè)分支。到后來(lái)人們認(rèn)為，晶體結(jié)構(gòu)與生物介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)未必相同，應(yīng)該研究溶液中的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象。恰在此時(shí)，核磁共振技術(shù)大發(fā)展，為研究生物大分子的溶液結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。于是開(kāi)拓了結(jié)構(gòu)化學(xué)和溶液化學(xué)結(jié)合、探索含金屬生物大分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的新領(lǐng)域。生物無(wú)機(jī)化學(xué)的另外一個(gè)分支是通過(guò)合成模型化合物或結(jié)構(gòu)修飾研究結(jié)構(gòu)—機(jī)理關(guān)系，它是合成化學(xué)介入生物無(wú)機(jī)化學(xué)的結(jié)果。這三個(gè)分支構(gòu)成了延續(xù)30多年的生物無(wú)機(jī)化學(xué)的主流。雖然研究思路和方法有所改變，但是這些研究都是以認(rèn)識(shí)含無(wú)機(jī)元素的生物功能分子的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系為目的，大都采取分離出單一生物分子，測(cè)定其結(jié)構(gòu)，研究有關(guān)反應(yīng)機(jī)理以及結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究模式。雖然這樣的研究取得了許多重要成果，使人們對(duì)必需元素和含它們的生物分子認(rèn)識(shí)更加深入。但是近年來(lái)，這種傳統(tǒng)生物無(wú)機(jī)化學(xué)研究受到一系列實(shí)際問(wèn)題的挑戰(zhàn)。歸結(jié)起來(lái)，這些實(shí)際問(wèn)題大都涉及無(wú)機(jī)物的生物效應(yīng)，或者說(shuō)生物體對(duì)無(wú)機(jī)物的應(yīng)答問(wèn)題。例如無(wú)機(jī)藥物的作用機(jī)理，無(wú)機(jī)物中毒機(jī)理、環(huán)境物質(zhì)和能損傷生物體的機(jī)理等。在這類問(wèn)題的研究中，共同的核心問(wèn)題是從分子、細(xì)胞到整體三個(gè)層次回答構(gòu)成藥理、毒理作用的基本化學(xué)反應(yīng)和這些反應(yīng)引起的生物事件。這類研究促使人們把生物無(wú)機(jī)化學(xué)提高到細(xì)胞層次，去研究細(xì)胞和無(wú)機(jī)物作用時(shí)細(xì)胞內(nèi)外發(fā)生的化學(xué)變化。這些化學(xué)變化是生物效應(yīng)的基礎(chǔ)。 不可忽視生物無(wú)機(jī)化學(xué)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)的啟發(fā)和推動(dòng)作用。例如，混合配體配合物化學(xué)、多金屬多配體體系的化學(xué)、金屬的異常價(jià)態(tài)、金屬-硫簇化學(xué)、分子內(nèi)和分子間電子傳遞、自由基化學(xué)等等。顯然生物無(wú)機(jī)化學(xué)在未來(lái)既可以推動(dòng)生物學(xué)發(fā)展，也可以促進(jìn)化學(xué)向新的層次開(kāi)拓。 8．無(wú)機(jī)金屬與藥物 古代醫(yī)藥大都取材于自然界，不僅取自植物，動(dòng)物，礦物也常被藥用。但由于重金屬砷、汞、銻等無(wú)機(jī)化合物的毒性較大而逐漸被合成有機(jī)藥物所替代。近年來(lái)，隨著科技發(fā)展、認(rèn)識(shí)深化和新的發(fā)現(xiàn)，對(duì)以金屬為基礎(chǔ)的藥物有了新層次的認(rèn)識(shí)。1965年美國(guó)Rosenberg在研究電場(chǎng)對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)速度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)所用的鉑電極與營(yíng)養(yǎng)液中的成分形成的六氯合鉑和一些順式的含鉑絡(luò)合物能夠抑制大腸桿菌的細(xì)胞分裂，但對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響卻很小。這一偶然的發(fā)現(xiàn)引起了廣泛的關(guān)注，美國(guó)癌癥研究所立即組織對(duì)這些絡(luò)合物進(jìn)行廣泛的研究和臨床試驗(yàn)。結(jié)果表明，含鉑絡(luò)合物抑制癌細(xì)胞的分裂有顯著療效?，F(xiàn)已證實(shí)多種順鉑([Pt(NH3)2C12])及其一些類似物對(duì)子宮癌、肺癌、睪丸癌有明顯療效。在中藥復(fù)方中有使用金屬金的經(jīng)驗(yàn)，但不知其機(jī)理。最近發(fā)現(xiàn)含金化合物的代謝產(chǎn)物[Au(CN)2]-有抗病毒作用，而且金化合物可以抑制NADPH氧化酶，從而阻斷自由基鏈傳遞，有助于終止炎癥反應(yīng)。另外中藥復(fù)方中使用砒霜和雄黃，最近發(fā)現(xiàn)三氧化二砷促進(jìn)細(xì)胞凋亡，使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)接受了用砷化合物做治療用的可能性。目前用釩化合物治療糖尿病、用鋅化合物預(yù)防治療流感，都已成功的在臨床試用。人們處在無(wú)機(jī)藥物的復(fù)興時(shí)期。 這些金屬化合物被發(fā)現(xiàn)具有藥物的治療作用，說(shuō)明人們對(duì)無(wú)機(jī)金屬及其化合物的藥理作用已在深化和逐步認(rèn)識(shí)。特別是我國(guó)含礦物的中藥復(fù)方，其治療效果是肯定的，但其中的藥理作用和化學(xué)問(wèn)題尚須不斷研究和進(jìn)一步深入，這一領(lǐng)域在21世紀(jì)將會(huì)成為醫(yī)藥研究的一個(gè)重要發(fā)展方向。 9．核化學(xué)和放射化學(xué) 20世紀(jì)上半葉，從發(fā)現(xiàn)放射性元素、核裂變、人工放射性，到核反應(yīng)堆的建立，核爆炸的毀滅性破壞等，核化學(xué)和放射化學(xué)一直是十分活躍和開(kāi)創(chuàng)性的前沿領(lǐng)域。但到了后半個(gè)世紀(jì)，由于核電站和核武器發(fā)展的需要，核化學(xué)和放射化學(xué)轉(zhuǎn)向以生產(chǎn)和處理核燃料為中心，自身的科學(xué)研究和新的發(fā)現(xiàn)相對(duì)減少。放射性同位素和核技術(shù)在分析化學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面緊密結(jié)合，使其應(yīng)用和交叉研究蓬勃發(fā)展起來(lái)。從目前的動(dòng)向看，核化學(xué)和放射化學(xué)的發(fā)展主線大體有如下幾方面。 (1)超重元素“穩(wěn)定島”能找到嗎? 20世紀(jì)60年，Myers和Nilsson等核物理學(xué)家從核內(nèi)存在著核子殼層和幻數(shù)的理論模型出發(fā)，提出了超重元素存在“穩(wěn)定島”的學(xué)說(shuō)，即在核質(zhì)子數(shù)Z=114和中子數(shù)N=186的幻數(shù)附近，有一些超重原子核特別穩(wěn)定，其壽命可能長(zhǎng)達(dá)若干年甚至1015年，這些長(zhǎng)壽命的超重元素構(gòu)成了一個(gè)“穩(wěn)定島”。在這一學(xué)說(shuō)吸引下，近30多年來(lái)無(wú)數(shù)核科學(xué)家通過(guò)各種方法從自然界和核反應(yīng)中去尋找這個(gè)夢(mèng)寐以求的境地——穩(wěn)定島。至1999年6月，世界上三個(gè)大實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)的Lawrence Berkeley實(shí)驗(yàn)室(LBL)，德國(guó)的Darmstadt重離子研究會(huì)(GSI)和位于俄羅斯的Dubna聯(lián)合核子研究所(JINR)，分別用重粒子轟擊的方法合成了超重元素114、116和118，但由于加速器流強(qiáng)不夠和反應(yīng)截面在10-12靶，所以只獲得了極少幾個(gè)原子，有關(guān)證實(shí)研究已在重覆進(jìn)行。這意味超重元素“穩(wěn)定島”將有可能存在?？梢栽O(shè)想21世紀(jì)重粒子加速器的流強(qiáng)增大，使產(chǎn)生超重元素的原子數(shù)目大增，再加上分離、探測(cè)儀器的改進(jìn)，超重元素的化學(xué)研究將有現(xiàn)實(shí)性了，有人預(yù)言“穩(wěn)定島”的發(fā)現(xiàn)者將會(huì)榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)或物理獎(jiǎng)。 (2)核醫(yī)學(xué)和放射性藥物 現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)的重要支柱是放射性藥物，主要用于多種疾病的體外診斷和體內(nèi)治療，還可在分子水平上研究體內(nèi)的功能和代謝。21世紀(jì)將在單光子斷層掃描儀(SPECT)藥物方面有新的突破；將會(huì)用放射性標(biāo)記的放免活性和專一性極強(qiáng)的“人抗人”單克隆抗體作為“生物導(dǎo)彈”，定向殺死癌細(xì)胞；而中樞神經(jīng)系統(tǒng)顯像將推動(dòng)腦化學(xué)和腦科學(xué)的發(fā)展。(3)核分析技術(shù)將以其高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)向縱深發(fā)展 放射性示蹤技術(shù)和核分析技術(shù)始終因其靈敏度很高的優(yōu)點(diǎn)在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛 這是有機(jī)化學(xué)中最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，它是創(chuàng)造新有機(jī)分子的主要手段和工具，發(fā)現(xiàn)新反應(yīng)、新試劑、新方法和新理論是有機(jī)合成的創(chuàng)新所在。有機(jī)合成的基礎(chǔ)是各類基本合成反應(yīng)，不論合成多么復(fù)的應(yīng)用。核分析方法未來(lái)將在分析化學(xué)中大有作為，如物種分析 (speciation)，分子活化分析，生物-加速器質(zhì)譜學(xué)(bio-accelerator mass spectrometry，Bio-AMS)，粒子激發(fā)X-射線發(fā)射(particle induced X-ray emission，PIXE)包括掃描質(zhì)子微探針(scanning proton microprobe，SPM)、a-粒子質(zhì)子X(jué)-射線譜儀(alpha proton X-ray spectrometer，APXS)等各種新型結(jié)構(gòu)和功能的分析儀器水為未來(lái)人類認(rèn)識(shí)大自然提供有利的武器。 綜上所述，無(wú)機(jī)化學(xué)的研究范圍極其廣闊，在21世紀(jì)的展望畔只能重點(diǎn)列舉這九個(gè)方面，不可能面面俱到。最關(guān)鍵的是創(chuàng)新和甚現(xiàn)，一旦有了新的發(fā)現(xiàn)和突破，就又可能發(fā)展成為一個(gè)新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。二、有機(jī)化學(xué) 20世紀(jì)的有機(jī)化學(xué)，從實(shí)驗(yàn)方法到基礎(chǔ)理論都有了巨大的進(jìn)展，顯示出蓬勃發(fā)展的強(qiáng)勁勢(shì)頭和活力。世界上每年合成的近百萬(wàn)個(gè)新化合物中約70％以上是有機(jī)化合物。其中有些因其所具有的特殊功能而用于材料、能源、醫(yī)藥、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)、營(yíng)養(yǎng)、石油化工、交通、環(huán)境科學(xué)等與人類生活密切相關(guān)的各行各業(yè)中，直接或間接地為人類提供大量的必需品。與此同時(shí)，人們也面對(duì)天然的和合成的大量有機(jī)物對(duì)生態(tài)、環(huán)境、人體的影響問(wèn)題。展望未來(lái)，有機(jī)化學(xué)將使人們優(yōu)化使用有機(jī)物和有機(jī)反應(yīng)過(guò)程。 有機(jī)化學(xué)的迅速發(fā)展產(chǎn)生了不少分支學(xué)科(三級(jí)或四級(jí)學(xué)科)，包括有機(jī)合成、金屬有機(jī)、元素有機(jī)、天然有機(jī)、物理有機(jī)、有機(jī)催化、有機(jī)分析、有機(jī)立體化學(xué)等，下面將選擇其中的一部分分支學(xué)利分別概述和展望。1．有機(jī)合成化學(xué) ②多種構(gòu)象分析方法的研究，如NMR多維譜、X-射線衍射激光拉曼光譜及熒光圓二色散等手段在構(gòu)象分析中的應(yīng)用。 ③從構(gòu)象分析和分子力學(xué)計(jì)算出發(fā)的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究以及設(shè)計(jì)合成類似物的研究。 ④生物大分子的合成及應(yīng)用研究，包括合成方法，模擬和改造天然活性肽，創(chuàng)造新功能的蛋白質(zhì)分子，合成具有特殊生物功能的寡糖，合成反義寡核苷酸及其多肽，與共軛物，并開(kāi)發(fā)這些合成物質(zhì)在醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究。 ⑤生物膜化學(xué)和信息傳遞的分子基礎(chǔ)的化學(xué)研究。 ⑥生物催化體系及其模擬研究，包括催化性抗體和催化性核酸的研究。 ⑦生物體中含量微少而活性很強(qiáng)的多肽、蛋白質(zhì)、核酸、多糖的研究，包括分離、結(jié)構(gòu)、功能和合成等。 ⑧光合作用中的化學(xué)問(wèn)題。三、物理化學(xué) 現(xiàn)代物理化學(xué)是研究所有物質(zhì)體系的化學(xué)行為的原理、規(guī)律和方法的學(xué)科。涵蓋從微觀到宏觀對(duì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系規(guī)律、化學(xué)過(guò)程機(jī)理及其控制的研究。它是化學(xué)以及在分子層次上研究物質(zhì)變化的其他學(xué)科領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。在物理化學(xué)發(fā)展過(guò)程中，逐步形成了若干分支學(xué)科：結(jié)構(gòu)化學(xué)，化學(xué)熱力學(xué)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)，液體界面化學(xué)，催化，電化學(xué)，量子化學(xué)等。20世紀(jì)的物理化學(xué)隨著物理科學(xué)發(fā)展的總趨勢(shì)偏重于微觀的和理論的研究，取得不少起里程碑作用的成就，如化學(xué)鍵本質(zhì)、分子間相互作用、分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定、表面形態(tài)與結(jié)構(gòu)的精細(xì)觀察等等。目前看來(lái)有三個(gè)方面的問(wèn)題：一是宏觀和介觀研究應(yīng)該加強(qiáng)；二是微觀結(jié)構(gòu)研究要由靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)向動(dòng)態(tài)、瞬態(tài)發(fā)展，包括反應(yīng)機(jī)理研究中的過(guò)渡態(tài)問(wèn)題，催化反應(yīng)機(jī)理與微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題等；三是應(yīng)該參與到復(fù)雜性研究中去，在物質(zhì)體系中化學(xué)復(fù)雜性是直接關(guān)系人類生存與進(jìn)步的，也是可以用實(shí)驗(yàn)方法研究的?？傊?，留給21世紀(jì)物理化學(xué)家的問(wèn)題甚多。1．結(jié)構(gòu)化學(xué) 結(jié)構(gòu)化學(xué)研究從單純?yōu)榱岁U明分子結(jié)構(gòu)已發(fā)展到研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)分析可借助于現(xiàn)代波譜技術(shù)和衍射分析來(lái)進(jìn)行，最直接的測(cè)定是晶體結(jié)構(gòu)分析，它可分為兩類，即X-射線衍射分析和顯微成像方法。能“看到”原子的原子層次分辨的各種顯微技術(shù)將會(huì)給結(jié)構(gòu)化學(xué)家提供有力的武器，來(lái)探索生物大分子、細(xì)胞、固體表面等的結(jié)構(gòu)和變化。1982年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主A．Klug開(kāi)創(chuàng)了“晶體電子顯微學(xué)”，并用于揭示核酸—蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。這種三維重構(gòu)技術(shù)使電子顯微鏡的視野從二維空間發(fā)展到三維空間。A．M．Cormack發(fā)明了X-射線斷層診斷儀(CT)用于醫(yī)學(xué)診斷，獲得1979年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。總之在結(jié)構(gòu)化學(xué)領(lǐng)域隨著分析儀器和測(cè)定精度的日新月異，新型結(jié)構(gòu)分析儀器的不斷推陳出新，結(jié)構(gòu)化學(xué)在21世紀(jì)將會(huì)大展宏圖。生物大分子的結(jié)構(gòu)研究過(guò)去主要依賴X—晶體結(jié)構(gòu)分析做靜態(tài)研究。由于實(shí)際上它們都是在溶液中發(fā)揮功能，而且它們的結(jié)構(gòu)是易變的，所以20世紀(jì)后期用核磁共振譜法研究大分子在溶液中的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)引起人們重視(R．Ernst，1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))。催化劑研究推動(dòng)了表面結(jié)構(gòu)研究，用STM或AFM以及其它譜學(xué)方法研究催化表面的結(jié)構(gòu)以及催化過(guò)程，也都有重要成果。2．化學(xué)熱力學(xué) 這是物理化學(xué)中較早發(fā)展起來(lái)的一個(gè)學(xué)科。它用熱力學(xué)原理研究物質(zhì)體系中的化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，根據(jù)物質(zhì)體系的宏觀可測(cè)性質(zhì)和熱力學(xué)函數(shù)關(guān)系來(lái)判斷體系的穩(wěn)定性、變化方向和變化的程度。1968年L. Onsager因研究不可逆過(guò)程熱力學(xué)理論和1977年I．Prigogine因創(chuàng)立非平衡熱力學(xué)提出耗散結(jié)構(gòu)理論而分別獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這標(biāo)志著非平衡態(tài)熱力學(xué)研究取得了突破性的進(jìn)展。熱力學(xué)第一、二、三定律雖是現(xiàn)代物理化學(xué)的基礎(chǔ)，但它們只能描述靜止?fàn)顟B(tài)，在化學(xué)上只適用于可逆平衡態(tài)體系，而自然界所發(fā)生的大部分化學(xué)過(guò)程是不可逆過(guò)程。因此對(duì)于大自然發(fā)生的化學(xué)現(xiàn)象，應(yīng)從非平衡態(tài)和不可逆過(guò)程來(lái)研究。21世紀(jì)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域有生物熱力學(xué)和熱化學(xué)研究，如細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程的熱化學(xué)研究、蛋白質(zhì)的定點(diǎn)切割反應(yīng)熱力學(xué)研究、生物膜分子的熱力學(xué)研究等；另外，非線性和非平衡態(tài)的化學(xué)熱力學(xué)與化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)研究，分子-分子體系的熱化學(xué)研究(包括分子力場(chǎng)、分子與分子的相互作用)等也是重要方面。3．化學(xué)動(dòng)力學(xué) 化學(xué)動(dòng)力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)速率和機(jī)理的學(xué)科。其主要目的是闡明化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程速率的影響，了解化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)能之間的關(guān)聯(lián)。20世紀(jì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)有兩大突破：一是N．Semenov的化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，獲1956年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；另一個(gè)是D．R．Herschbach與李遠(yuǎn)哲的微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，發(fā)展了交叉束方法，并應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)研究，獲1986年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。再則是A．H．Zewail用飛秒激光技術(shù)研究超快過(guò)程和過(guò)渡態(tài)。由于這一貢獻(xiàn)，Zewail獲1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)作為化學(xué)的基礎(chǔ)研究學(xué)科將會(huì)在21世紀(jì)有新的發(fā)展，如利用分子束技術(shù)與激光相結(jié)合研究態(tài)-態(tài)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，用立體化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物分子的大小、形狀和空間取向?qū)Ψ磻?yīng)活性以及速率的影響，以及用飛秒激光研究化學(xué)反應(yīng)和控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等。4．催化 催化劑是化學(xué)研究中的永久的主題。催化是自然界存在的促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度的特殊作用，生物體內(nèi)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)均藉助于酶催化。生物催化如此定向、如此精確地進(jìn)行著，至今人們還難于模擬酶催化反應(yīng)。催化劑是一種加速化學(xué)反應(yīng)而在其過(guò)程中自身不被消耗掉的物質(zhì)，它可使化學(xué)反應(yīng)速度增大幾個(gè)到十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。只要有化學(xué)反應(yīng)，就有如何加快反應(yīng)速度的問(wèn)題，就會(huì)有催化劑的研究。在化工生產(chǎn)(如石油化工、天然氣化工、煤化工等)、能源、農(nóng)業(yè)(光合作用等)、生命科學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域均有催化劑的作用和貢獻(xiàn)。 根據(jù)催化劑的物理和化學(xué)性質(zhì)，可將其分為以下幾類。 (1)多相催化 這類催化劑是固體材料如分子篩、金屬、金屬氧化物、硫化物等。催化反應(yīng)發(fā)生在固-氣相的界面上，大部分化學(xué)工業(yè)流程均為多相催化，如合成氨、石油催化裂化等。 (2)均相催化 這類催化劑通常是含有金屬的復(fù)雜分子，催化反應(yīng)在氣相或液相中進(jìn)行，催化劑和反應(yīng)物均溶解于氣相或液相中，如烴烯聚合，茂金屬催化等。 (3)光催化 吸收光能促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，如光合作用。 (4)電催化 利用化學(xué)方法使電極表面具有催化活性。 (5)酶催化和仿酶催化 酶在生物體內(nèi)起著重要的催化作用，同時(shí)酶也可用于工業(yè)生產(chǎn)，如用酒曲造酒。酶是一種高分子量的蛋白質(zhì)，天然酶的結(jié)構(gòu)測(cè)定以及催化活性與機(jī)理研究是21世紀(jì)催化研究的前沿領(lǐng)域，也是一項(xiàng)十分復(fù)雜和棘手的工作，有待各個(gè)學(xué)科交叉(化學(xué)、物理和生物)配合研究和儀器與方法的創(chuàng)造。 模擬金屬酶是模仿酶的活性中心，即模擬其中某些活性氨基酸與金屬的配位設(shè)計(jì)合成配合物，形成配位催化，以簡(jiǎn)化和模仿酶催化過(guò)程。由于酶的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，搞清楚酶催化過(guò)程，決非短期研究能解決。但酶活性中心的結(jié)構(gòu)信息引起人們的關(guān)注，企圖仿照天然酶人工制造化學(xué)酶。這是設(shè)計(jì)和合成新催化劑的一個(gè)新途徑。如不對(duì)稱催化氫化的手性催化劑就是利用銠或釘?shù)氖中耘浜衔?，使脫氫氨基酸催化氫化成光學(xué)活性的a-氨基酸，其對(duì)映選擇性與酶催化的結(jié)果可相比美。模擬酶催化領(lǐng)域在21世紀(jì)將會(huì)有重大突破。 在20世紀(jì)，盡管化學(xué)家們研制成功了無(wú)數(shù)種催化劑，并應(yīng)用于。但對(duì)催化劑的奧妙所在，即作用原理和反應(yīng)機(jī)理還是沒(méi)有楚。因此科學(xué)家們還不能完全隨心所欲地設(shè)計(jì)某一特定反應(yīng)的高效催化劑，而要靠實(shí)驗(yàn)工作去探索，以比較多種催化劑的性能，篩選出較好的催化劑。所以研究催化劑及其催化過(guò)程的科學(xué)，還將進(jìn)一步深入和發(fā)展。用組合化學(xué)法快速篩選催化劑將是21世紀(jì)的重要研究課題。5．量子化學(xué) 20世紀(jì)量子力學(xué)和化學(xué)相結(jié)合，對(duì)化學(xué)鍵理論和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)起著十分重要的作用，量子化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為化學(xué)以及有關(guān)的其他學(xué)科在解釋和預(yù)測(cè)分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)行為的通用手段。20世紀(jì)中量子化學(xué)曾經(jīng)將化學(xué)帶入一個(gè)新時(shí)代。在這個(gè)新時(shí)代里實(shí)驗(yàn)和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)。如從1928年L.C．Pauling提出的價(jià)鍵理論，R．S．Mulliken的分子軌道理論，到H．A．Bethe的配位場(chǎng)理論，R．B．Woodward和R．Hoffmann的分子軌道對(duì)稱守恒原理，福井謙一的前線軌道理論，一直到1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主W. Kohn的電子密度泛函理論和J．A．Pople的量子化學(xué)計(jì)算方法和模型化學(xué)(Model Chemistry)。這一發(fā)展過(guò)程整整化了70年的時(shí)間。縱觀量子化學(xué)發(fā)展的歷史過(guò)程，不難看出，只有量子力學(xué)基本原理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合，量子化學(xué)的理論研究才能不斷出現(xiàn)新的突破和開(kāi)創(chuàng)新局面。現(xiàn)在根據(jù)量子化學(xué)計(jì)算可以進(jìn)行分子的合理設(shè)計(jì)，如藥物設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、物性預(yù)測(cè)等。20世紀(jì)中有人預(yù)見(jiàn)以量子化學(xué)為基礎(chǔ)可以解決和認(rèn)識(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的所有問(wèn)題。但是目前尚未形成研究分子層次的統(tǒng)一的理論，對(duì)許多化學(xué)現(xiàn)象和問(wèn)題還不能用統(tǒng)一的理論來(lái)歸納、理解和認(rèn)識(shí)。如分子的平衡性質(zhì)和非平衡態(tài)，反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)和反應(yīng)途徑，分子-分子體系的相互作用等，都有待于從化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提高到理性認(rèn)識(shí)。能否出現(xiàn)化學(xué)的統(tǒng)一理論，將有待于化學(xué)家們的創(chuàng)造和努力。四、高分子化學(xué) 高分子化學(xué)(其中包括高分子物理和高分子成型)研究鏈狀大分子的合成、大分子的鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，以及大分子聚合物作為高分子材料的成型及應(yīng)用。20世紀(jì)高分子化學(xué)從無(wú)到有、到學(xué)科形成乃至推動(dòng)高分子工業(yè)的形成和發(fā)展，其發(fā)展速度十分快速，發(fā)展周期相對(duì)較短。在20世紀(jì)，高分子材料已是人類社會(huì)文明的標(biāo)志之一。塑料、纖維、橡膠的世界年產(chǎn)量已達(dá)1.3億t，在整個(gè)材料工業(yè)中已占據(jù)重要地位。
研究和強(qiáng)調(diào)化學(xué)反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性、高選擇性、高反應(yīng)活性和環(huán)境友好性。在化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)上去解決和控制污染問(wèn)題，這是根治的辦法(詳見(jiàn)下節(jié)綠色化學(xué)中的敘述)，并要研究如何用這些方法去改造老的化學(xué)過(guò)程和企業(yè)。另一方面對(duì)現(xiàn)有工業(yè)的三廢處理亦不能放松，如石油化工、煤化工、天然氣化工及皮革、造紙、塑膠等工業(yè)，要努力做到化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程和環(huán)境治理相結(jié)合，這也是控制污染化學(xué)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。 (7)環(huán)境計(jì)算化學(xué) 環(huán)境計(jì)算化學(xué)和數(shù)學(xué)、物理有關(guān)學(xué)科相結(jié)合，使以經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的環(huán)境化學(xué)研究趨于更加科學(xué)化和理論化，并解決了一些過(guò)去難以進(jìn)行數(shù)值求解的問(wèn)題，擴(kuò)展了環(huán)境化學(xué)的應(yīng)用范圍，這是一個(gè)應(yīng)該重視的新興領(lǐng)域。環(huán)境計(jì)算化學(xué)研究主要包括多組分體系定量分析，數(shù)據(jù)處理中將隨機(jī)變量引入多元統(tǒng)計(jì)分析方法，遺傳算法等。大氣、水體、土壤環(huán)境過(guò)程模擬和模式得到進(jìn)一步發(fā)展，如模擬水稻田釋放甲烷，小麥釋放N02，高密度有毒氣體擴(kuò)散過(guò)程模擬等。人工智能在環(huán)境化學(xué)中的應(yīng)用包括神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和模糊數(shù)學(xué)等方面。環(huán)境化學(xué)過(guò)程(工藝)的模糊控制在不久將來(lái)可望獲得成功。 四、綠色化學(xué)(Green Chemistry) 傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)給人類環(huán)境帶來(lái)的污染已十分嚴(yán)重，引起了社會(huì)各界的關(guān)注，而且物質(zhì)經(jīng)化學(xué)變化而轉(zhuǎn)化為對(duì)人類有用的產(chǎn)品。世界化學(xué)化工產(chǎn)品已達(dá)到7萬(wàn)種之多，化工總產(chǎn)值約1萬(wàn)億美元(中國(guó)約5000億人民幣)?；瘜W(xué)品極大地豐富了人類的物質(zhì)生活，提高了生活質(zhì)量，并在控制疾病、延長(zhǎng)壽命，增加農(nóng)作物品種和產(chǎn)量，在食物的儲(chǔ)存和防腐等方面起到了重要作用。但在生產(chǎn)、使用這些化學(xué)產(chǎn)品的過(guò)程中也產(chǎn)生了大量的廢物，污染了環(huán)境，全世界目前每年產(chǎn)生的3億～4億噸危險(xiǎn)廢物(中國(guó)化學(xué)工業(yè)排放的廢水，廢氣和固體廢物分別占全國(guó)工業(yè)排放總量的22.5％，7.82％，5.03％)，給人類帶來(lái)了災(zāi)難，解決污染已成為21世紀(jì)人類環(huán)境問(wèn)題的科學(xué)挑戰(zhàn)。1．什么是綠色化學(xué) 化學(xué)工業(yè)能否潔凈地生產(chǎn)化學(xué)品?綠色化學(xué)也就是面對(duì)這樣的問(wèn)題下產(chǎn)生的。其核心是要利用化學(xué)原理從源頭消除污染。綠色化學(xué)是指化學(xué)反應(yīng)和過(guò)程以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基本原則，即在獲取新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)中充分利用參與反應(yīng)的每個(gè)原料原子，實(shí)現(xiàn)“零排放”。不僅充分利用資源，而且不產(chǎn)生污染；并采用無(wú)毒、無(wú)害的溶劑、助劑和催化劑，生產(chǎn)有利于環(huán)境保護(hù)、社區(qū)安全和人身健康的環(huán)境友好產(chǎn)品。綠色化學(xué)化工的目標(biāo)是尋找充分利用原材料和能源，且在各個(gè)環(huán)節(jié)都潔凈和無(wú)污染的反應(yīng)途徑和工藝。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，綠色化學(xué)包括：節(jié)約原材料和能源，淘汰有毒原材料，在生產(chǎn)過(guò)程排放廢物之前減降廢物的數(shù)量和毒性；對(duì)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，綠色化學(xué)旨在減少?gòu)脑系募庸さ疆a(chǎn)品的最終處置的全周期的不利影響。綠色化學(xué)不僅將為傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)帶來(lái)革命性的變化，而且必將推進(jìn)綠色能源工業(yè)及綠色農(nóng)業(yè)的建立與發(fā)展。因此綠色化學(xué)是更高層次的化學(xué)，化學(xué)家不僅要研究化學(xué)品生產(chǎn)的可行性和現(xiàn)實(shí)用途，還要考慮和設(shè)計(jì)符合綠色化學(xué)要求、不產(chǎn)生或減少污染的化學(xué)過(guò)程。這是一個(gè)難題，也是化學(xué)家面臨的一項(xiàng)新挑戰(zhàn)。國(guó)際上對(duì)此很重視，1996年美國(guó)設(shè)立了“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”，并首次授予Monsanto公司(變更合成路線獎(jiǎng))，Dow化學(xué)公司(改變?nèi)軇┌鎽?yīng)條件獎(jiǎng))，Rohm ＆ Haas公司(設(shè)計(jì)更安全化學(xué)品獎(jiǎng))，Donlar公司(小企業(yè)獎(jiǎng))和Taxas A ＆ M大學(xué)的M．Holtapple教授(學(xué)術(shù)獎(jiǎng))，以表彰他們?cè)诰G色化學(xué)領(lǐng)域中的杰出成就。綠色化學(xué)將使化學(xué)工業(yè)改變面貌，這一趨勢(shì)將在21世紀(jì)更加強(qiáng)勁，并將出現(xiàn)嶄新的局面。 我國(guó)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，特別是化工、染料、造紙、皮革等污染較嚴(yán)重的工廠應(yīng)從環(huán)境保護(hù)大局出發(fā)，一方面研究和改革工藝流程，采用符合綠色化學(xué)要求的化學(xué)過(guò)程，減少和消除污染；另一面要重視現(xiàn)有的廢物處理，要嚴(yán)格控制排放標(biāo)準(zhǔn)，解決三廢治理問(wèn)題。做好環(huán)境保護(hù)，為子孫后代造福。這是對(duì)人類負(fù)責(zé)和關(guān)心的態(tài)度。2. 綠色化學(xué)的發(fā)展方向 從綠色化學(xué)的目標(biāo)來(lái)看有兩方面必須重視：一是開(kāi)發(fā)以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基本原則的新化學(xué)反應(yīng)過(guò)程；另一個(gè)是改進(jìn)現(xiàn)有化學(xué)工業(yè)，減少和消除污染。 (1)新的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程研究 在原子經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上研究合成化學(xué)和催化的基礎(chǔ)問(wèn)題，即綠色合成和綠色催化問(wèn)題。如美國(guó)Monsanto公司不用劇毒的氫氰酸和氨、甲醛為原料，從無(wú)毒無(wú)害的二乙醇胺出發(fā)，開(kāi)發(fā)了催化脫氫安全生產(chǎn)氨基二乙酸鈉的技術(shù)，從而獲得了1996美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)中的變更合成路線獎(jiǎng)。美國(guó)Dow化學(xué)公司用C02代替對(duì)生態(tài)環(huán)境有害的氟氯烴作苯乙烯泡沫塑料的發(fā)泡劑，因而得到美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)中的改變?nèi)軇?反應(yīng)條件獎(jiǎng)。在有機(jī)化學(xué)品的生產(chǎn)中，有許多新的化學(xué)流程正在研究開(kāi)發(fā)。如以新型鈦硅分子篩為催化劑，開(kāi)發(fā)烴類氧化反應(yīng)；用過(guò)氧化氫氧化丙烯制環(huán)氧丙烷；用過(guò)氧化氫氨氧化環(huán)己酮合成環(huán)己酮肟；用催化劑的晶格氧作烴類選擇性氧化反應(yīng)，如用晶格氧氧化丁烷制順酐，用晶格氧氧化鄰二甲苯制苯酐等，這些新流程的開(kāi)發(fā)是綠色化學(xué)領(lǐng)域中的新進(jìn)展。 (2)傳統(tǒng)化學(xué)過(guò)程的綠色化學(xué)改造 這是一個(gè)很大的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。如在烯烴的烷基化反應(yīng)生產(chǎn)乙苯和異丙苯生產(chǎn)過(guò)程中需要用酸催化反應(yīng)，過(guò)去用液體酸HF催化劑，而現(xiàn)在可以用固體酸——分子篩催化合成，并配合固定床烷基化工藝，解決了環(huán)境污染問(wèn)題。在異氰酸酯的生產(chǎn)過(guò)程，過(guò)去一直是用劇毒的光氣作為合成原料，而現(xiàn)可用C02和胺催化合成異氰酸酯，成為環(huán)境友好的化學(xué)工藝。 (3)能源中的綠色化學(xué)問(wèn)題和潔凈煤化學(xué)技術(shù) 我國(guó)現(xiàn)今能源結(jié)構(gòu)中，煤是主要能源。由于煤含硫量高和燃燒不完全，造成S02和大量煙塵排出，使大氣污染。我國(guó)每年由燃煤排放的S02達(dá)1600萬(wàn)t，煙塵達(dá)1300萬(wàn)t。由S02而產(chǎn)生的酸雨對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞十分嚴(yán)重。因此研究和開(kāi)發(fā)潔凈煤化學(xué)技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急，這方面要重視研究催化燃燒技術(shù)，等離子除硫除塵，生物化學(xué)除硫等新技術(shù)。嚴(yán)格控制排放標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)察大氣的質(zhì)量，這是大氣凈化中的首要任務(wù)。 (4)資源再生和循環(huán)使用技術(shù)研究 自然界的資源有限，因此人類生產(chǎn)的各種化學(xué)品能否回收、再生和循環(huán)使用也是綠色化學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。世界塑料的年產(chǎn)量已達(dá)1億t，大部分是由石油裂解成成乙烯、丙烯，經(jīng)催化聚合而成的。而這1億t中約有5％經(jīng)使用后當(dāng)年就作為廢棄物排放，如包裝袋、地膜、飯盒、汽車?yán)取Ｎ覈?guó)推廣地膜覆蓋面積達(dá)7000萬(wàn)畝，塑料用量高達(dá)30萬(wàn)t，“白色污染”和石油資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。西歐各國(guó)提出三R原則：首先是降低(reduce)塑料制品的用量，第二是提高塑料的穩(wěn)定性，倡導(dǎo)推行塑料制品特別是塑料包裝袋的再利用(reuse)，第三是重視塑料的再資源化(recycle)?；厥諒U棄塑料，再生或再生產(chǎn)其他化學(xué)品、燃料油或焚燒發(fā)電供氣等。同時(shí)在礦物資源方面亦有三R原則的問(wèn)題。開(kāi)礦提煉和制造金屬材料亦是大量消耗能源和勞動(dòng)力的工業(yè)，如鋁材現(xiàn)已廣泛用于建材、飛機(jī)和日用品等方面，而純鋁要電解法制備，是一個(gè)大量耗電的工業(yè)，應(yīng)該做好鋁廢棄物的回收和再生技術(shù)研究。 (5)綜合利用的綠色生化工程 如用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行煤的脫硫、微生物造紙以及生物質(zhì)能源等的研究。 綜上所述，綠色化學(xué)是近年來(lái)才被人們認(rèn)識(shí)和開(kāi)展研究的一門(mén)新興學(xué)科，是實(shí)用背景強(qiáng)、國(guó)計(jì)民生急需解決的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。在21世紀(jì)中它必將大展宏圖，為人類可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。五、能源化學(xué) 國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中能源是先行。能源供應(yīng)水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的發(fā)達(dá)程度?，F(xiàn)在我國(guó)人口12億，每年能源需求量為10億t標(biāo)準(zhǔn)煤，仍是發(fā)展中國(guó)家的工業(yè)水平。到21世紀(jì)中葉，我國(guó)經(jīng)濟(jì)將達(dá)到中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平時(shí)，對(duì)能源的需求量也將達(dá)到40～50億t標(biāo)準(zhǔn)煤。目前，能源結(jié)構(gòu)主要是煤，還有石油、天然氣、核能等，研究和開(kāi)發(fā)清潔而又用之不竭的能源將是21世紀(jì)發(fā)展的首要任務(wù)。1．氫能這是未來(lái)最理想的能源。氫作為水的組成，用之不竭；而且氫燃燒后唯一的產(chǎn)物是水，無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題。氫作為能源放出的能量還遠(yuǎn)大于煤、石油、天然氣等能源，1g氫燃燒能釋放出142kJ的熱量，是汽油發(fā)熱量的3倍。目前世界上氫的年產(chǎn)量為3600萬(wàn)t，但絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制??；水電解制氫因消耗電能太多，經(jīng)濟(jì)上不合算，只占4％份額。對(duì)化學(xué)家來(lái)講，研究新的經(jīng)濟(jì)上合理的制氫方法是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略性的研究課題。理想的氫能源如圖12所示。 太陽(yáng)能光分解催化劑2H2O 電能 2H2 + O2
氫發(fā)電機(jī)燃料電池圖12 氫能源圖12是一種最理想的氫能源循環(huán)體系，太陽(yáng)能和H20是用之不竭的，而且價(jià)格低廉。極需化學(xué)家研究的是尋找合適的光分解催化劑，它能在光照下促使水的分解速度加快。當(dāng)然氫發(fā)電機(jī)的反應(yīng)器和燃料電池也是化學(xué)家的工作領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)這一良性循環(huán)，將使人類永遠(yuǎn)可以各取所需地消耗電能。 光分解水制氫的研究已有一段歷史。目前也找到一些好的催化劑，如鈣和聯(lián)吡啶形成的配合物，它所吸收的陽(yáng)光正好近似于水分解成氫和氧所需的能量。另外，二氧化鈦和某些含鈣的化合物也是較適用作催化劑。酶催化水解制氫亦是一種途徑。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些微生物，通過(guò)氫化酶誘發(fā)電子與水中氫離子結(jié)合起來(lái)，生成氫氣?？傊夥纸馑茪浞矫孢€應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，尋求新的方法和催化劑。一旦有所突破，這將能使人類在能源問(wèn)題上一勞永逸。這是一個(gè)可能獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的研究課題。2．燃料電池與干電池和蓄電池不同，這種電池的化學(xué)燃料不是裝在電池內(nèi)部，而是儲(chǔ)存在電池外部。可以按電池的需要，源源不斷地提供化學(xué)燃料，就像在燃?xì)忮仩t中添加煤和油一樣。燃料所具有的化學(xué)能連續(xù)而直接地轉(zhuǎn)變成電能。其發(fā)電效率比現(xiàn)在應(yīng)用的火力發(fā)電還高，并在發(fā)電的同時(shí)還可得到優(yōu)質(zhì)水蒸氣，達(dá)到發(fā)電又供熱的需要，其總熱效率可達(dá)到80％。 燃料電池在結(jié)構(gòu)上與蓄電池相似，也是由正極、負(fù)極和電解質(zhì)組成。正極和負(fù)極大都是用鐵和鎳等惰性微孔材料制成。這些電極既不參與化學(xué)反應(yīng)，又有利于氣體燃料及空氣或氧氣的通過(guò)。從電池正極把空氣或氧輸送進(jìn)去，而從負(fù)極將氫氣或碳?xì)浠衔铩⒓状肌⒓淄?、一氧化碳等氣體輸送進(jìn)去。這時(shí)，在電池內(nèi)部氣體燃料和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，于是燃料的化學(xué)能就直接轉(zhuǎn)變成了電能。目前已有一些處于研制階段的新型高效燃料電池。它們由片狀陶瓷制成，工作溫度高達(dá)800～1000℃，足以將所有的輕質(zhì)烴燃料分解成氫氣和一氧化碳。預(yù)期21世紀(jì)初燃料電池將會(huì)在汽車、軍艦、通訊電源等方面得到實(shí)際應(yīng)用。3．生物質(zhì)能源 光合作用創(chuàng)造的綠色植物是取之不竭的生物資源。它們主要由碳?xì)浠衔锝M成，也是一種可供人們利用的能源。綠色植物生長(zhǎng)的過(guò)程是二氧化碳和水通過(guò)光合作用合成單糖，并把太陽(yáng)能儲(chǔ)存在其中；然后又把單糖聚合成淀粉、纖維和其他大分子生物質(zhì)。其中占絕大多數(shù)的纖維構(gòu)成細(xì)胞壁的主體，它們的主要成分是纖維素(50～55％)、半纖維素(15～25％)和木質(zhì)素(20～30％)等。纖維素是由葡萄糖基組成的線型大分子；半纖維素是一群復(fù)合聚糖的總稱，不同植物的復(fù)合聚糖的組分也不同；木質(zhì)素是自然界最復(fù)雜的天然聚合物之一，它的結(jié)構(gòu)中重復(fù)單元之間缺乏規(guī)則性和有序性。木質(zhì)素是可再生的植物纖維資源和組分中蘊(yùn)藏太陽(yáng)能最高的部分，也是地球上最豐富的可再生資源(估計(jì)全世界每年可產(chǎn)生600萬(wàn)億t)。以纖維素微纖的形式作為“骨骼”，其周圍是由半纖維素和具有三元網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素巨大分子粘結(jié)成的天然增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體，是一種不熔、不溶的天然復(fù)合材料。 作為長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，木質(zhì)素在植物體內(nèi)的存在就是為了保護(hù)植物體不受生物和化學(xué)環(huán)境的降解，因此木質(zhì)素和纖維素、半纖維素的分離是十分困難的工作。至今仍沒(méi)有辦法(包括化學(xué)和生物酶法)把木質(zhì)素分離出來(lái)，其根本原因是人們對(duì)植物細(xì)胞壁中木質(zhì)素和纖維素等各種化學(xué)組分的排列順序和聯(lián)結(jié)方式了解甚少；對(duì)自然界中廣泛存在的酶降解等生物過(guò)程的機(jī)理仍不完全清楚。因此要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，研究植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分及結(jié)構(gòu)與組分的關(guān)系，為開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源提供重要的新信息，以推動(dòng)生物質(zhì)利用，最終將為人類打開(kāi)一個(gè)豐富而且可再生的糧食、能源和有機(jī)化合物的寶庫(kù)。4．太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池是一種能把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)換器。這種電池是利用“光生伏打效應(yīng)”原理制成，即當(dāng)物體受到光照射時(shí)，物體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)或電流的現(xiàn)象。 太陽(yáng)能電池主要靠半導(dǎo)體的作用。當(dāng)陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體的p-n結(jié)時(shí)，就會(huì)在p-n結(jié)的兩端出現(xiàn)電壓，如果將p-n結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來(lái)，就會(huì)產(chǎn)生電流。當(dāng)陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流不僅能滿足當(dāng)時(shí)的供電需求，而且還能將部分電能儲(chǔ)存于蓄電池中，可用作汽車、飛機(jī)、宇航、電視、航標(biāo)燈等的電源。太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵是半導(dǎo)體材料，如何研制和選擇適用于太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體，是化學(xué)家們研究的領(lǐng)域。目前各種半導(dǎo)體材料中以單晶硅太陽(yáng)能電池的性能較好，光電轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)。這是利用太陽(yáng)能的一個(gè)重要方向。5．海水鹽差發(fā)電 利用海水鹽差能發(fā)電也是一種獲得能源的途徑。鹽差能是以化學(xué)能形態(tài)出現(xiàn)的一種海洋能。眾所周知，地球上的水有二類：淡水和咸水，其中咸水占97.2％，而2.15％的淡水儲(chǔ)存在南極和北極的冰川或高山冰川中，這其中只有2.65％的淡水可供人類直接利用。海洋中的咸水鹽含量很高，每立方千米的海水里溶有3500萬(wàn)t食鹽，含鹽濃度高的海水以較大的滲透壓力向淡水?dāng)U散，這種滲透壓力差所產(chǎn)生的能量稱為海水鹽差能。 海水鹽差能發(fā)電的原理很簡(jiǎn)單，只要用一層多孔質(zhì)隔膜置于海水和淡水之間，兩邊插入電極，由于滲透壓力差而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。較理想的放電場(chǎng)是在江河入海口處，大量淡水不停地流向大海，在交界處形成鹽濃度差。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于多孔隔膜如何能將淡水和海水隔開(kāi)而又要形成滲透壓。這種海水鹽差發(fā)電技術(shù)和裝置將是21世紀(jì)發(fā)展能源的一個(gè)研究方面。 當(dāng)然，目前常規(guī)能源(煤、石油、天然氣)和核能發(fā)電在技術(shù)上已經(jīng)成熟，大型化的發(fā)展趨勢(shì)使其經(jīng)濟(jì)成本降低。關(guān)于可控?zé)岷朔磻?yīng)的研究仍是新能源的一個(gè)重要開(kāi)發(fā)方向，這個(gè)方向需要物理學(xué)和材料科學(xué)的新進(jìn)展和突破。有關(guān)潔凈燃燒和核能放射性廢物的處理，從環(huán)境保護(hù)的角度還有不少研究工作可做。然而21世紀(jì)能源化學(xué)的發(fā)展方向應(yīng)注重新能源的開(kāi)發(fā)，特別是清潔而又取之不竭的能源，將有大量的化學(xué)研究課題等待著人們?nèi)ヅ﹂_(kāi)發(fā)。六、計(jì)算化學(xué) 信息科學(xué)的堀起是與電子計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展分不開(kāi)的。化學(xué)家們?cè)谘芯恐兴枰@得的各種信息也逐漸通過(guò)電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行。如分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定可以通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算分子體系的能量和過(guò)渡態(tài)來(lái)判斷；未知化合物的性能可通過(guò)計(jì)算機(jī)按結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)，如藥物設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)等；化學(xué)鍵及分子穩(wěn)定性可通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算得到確切的信息?？傊?，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)深入到化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。成千上萬(wàn)的化學(xué)家都在使用計(jì)算機(jī)從事各種化學(xué)研究。特別是化學(xué)理論研究，離開(kāi)了計(jì)算機(jī)將寸步難行，大量的計(jì)算工作很難想像用手工勞動(dòng)。因此化學(xué)和計(jì)算相結(jié)合，逐漸形成了計(jì)算化學(xué)這個(gè)新興交叉學(xué)科。1．什么是計(jì)算化學(xué)計(jì)算化學(xué)是用量子化學(xué)理論和計(jì)算數(shù)學(xué)來(lái)認(rèn)識(shí)、理解、預(yù)言和發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)現(xiàn)象的科學(xué)?；瘜W(xué)的兩大支柱——實(shí)驗(yàn)和形式理論——都是化學(xué)發(fā)展的重要研究領(lǐng)域。過(guò)去對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重視遠(yuǎn)超過(guò)理論計(jì)算。這是因?yàn)榱孔踊瘜W(xué)理論還不完善，許多化學(xué)現(xiàn)象還不能用理論來(lái)理解和歸納。由于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，給計(jì)算化學(xué)創(chuàng)造了很好的研究條件，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究工作之前，化學(xué)家就可在計(jì)算機(jī)上根據(jù)現(xiàn)有化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息和量子化學(xué)理論來(lái)計(jì)算和預(yù)測(cè)一下實(shí)驗(yàn)工作的結(jié)果；在實(shí)驗(yàn)工作中，可用計(jì)算機(jī)記錄所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)；在實(shí)驗(yàn)后再用計(jì)算機(jī)來(lái)處理數(shù)據(jù)和得出結(jié)論。這一工作方式將會(huì)越來(lái)越被化學(xué)家們所接受和利用，成為化學(xué)研究工作中很重要的一個(gè)工作程序。2．計(jì)算化學(xué)的發(fā)展方向 (1)研究分子結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的化合物有1200萬(wàn)種以上。雖然化學(xué)家們給化合物進(jìn)行了分類，并了解它們的性質(zhì)和用途，但目前尚沒(méi)有一個(gè)完整的化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)把它們的結(jié)構(gòu)和性能聯(lián)系起來(lái)。這是一個(gè)工作量很大的工作，不僅是要做一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，而且要研究總結(jié)各種化合物結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，并深入到為什么某種結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生某種性能的內(nèi)在聯(lián)系。這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的基本要求，要靠計(jì)算化學(xué)通過(guò)計(jì)算機(jī)的邏輯思維和運(yùn)算把二者結(jié)合起來(lái)。 (2)研究化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的 至今人們尚不能直接觀察化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的。只能是通過(guò)間接的辦法，如反應(yīng)中間體、產(chǎn)物及反應(yīng)的能態(tài)等信息來(lái)推測(cè)化學(xué)反應(yīng)的途徑和機(jī)制。計(jì)算化學(xué)可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)速率以及溫度等對(duì)反應(yīng)速率的影響等問(wèn)題的計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)反應(yīng)結(jié)果。 (3)預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物及新化合物具有什么樣的化學(xué)性質(zhì) 一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，可根據(jù)反應(yīng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)其反應(yīng)產(chǎn)物，也可經(jīng)過(guò)各種參數(shù)的綜合運(yùn)算預(yù)測(cè)最可能生成的反應(yīng)產(chǎn)物。若反應(yīng)后得到的是新化合物，通過(guò)計(jì)算化學(xué)還可以預(yù)測(cè)其化學(xué)性質(zhì)及可能的用途。 (4)生物大分子的空間結(jié)構(gòu)、取向和形態(tài)研究 以共價(jià)鍵結(jié)合的生物大分子(如蛋白質(zhì)、糖、核酸等)除了一級(jí)結(jié)構(gòu)外，還有空間結(jié)構(gòu)和取向，如DNA的空間結(jié)構(gòu)是雙螺旋型。這種分子的形態(tài)是靠什么力量決定的?每個(gè)分子都有其穩(wěn)定態(tài)，這種穩(wěn)定態(tài)的形狀又是什么樣的?計(jì)算化學(xué)如能對(duì)分子的形狀進(jìn)行可靠的計(jì)算，對(duì)了解分子結(jié)構(gòu)會(huì)提供更多的信息。 (5)研究分子-分子體系的排列和相互作用 一群分子在一起是以什么形式排列組合起來(lái)的?它們是靠什么力場(chǎng)相互作用的?分子與分子之間的排列組合是非共價(jià)鍵體系的，那么各種分子與分子之間的排列順序的穩(wěn)定態(tài)是否可用計(jì)算化學(xué)來(lái)確定或預(yù)測(cè)?這種分子以上層次的化學(xué)研究有否可能在計(jì)算機(jī)屏幕作出各種可能的排列組合的演示，是一個(gè)十分有意義和新興的化學(xué)研究領(lǐng)域。 (6)計(jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)過(guò)程的模擬 計(jì)算化學(xué)希望參于物質(zhì)分子內(nèi)部和分子與分子之間變化的研究，從而預(yù)見(jiàn)化合物的性質(zhì)、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方向和可能生成的產(chǎn)物等。這樣可以減輕實(shí)驗(yàn)工作量，告訴人們那些可做，那些不可做，讓理性認(rèn)識(shí)來(lái)指導(dǎo)化學(xué)實(shí)驗(yàn)工作的進(jìn)行。這在21世紀(jì)將會(huì)被更多的化學(xué)家所接受。來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng) |
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2005-09-16 15:58:51 |
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