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展望21世紀(jì)的化學(xué)(二) |
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| 資料類(lèi)型： |
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 |
| 來(lái)源： |
來(lái)源網(wǎng)絡(luò) |
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七、納米化學(xué) 物質(zhì)顆粒尺寸大小與其性質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)，這是人們?cè)缢日J(rèn)識(shí)了的。一般把尺度在l～10 mm范圍的稱(chēng)為微小型(Mini-)； l mm～l mm范圍的為微米級(jí)(Micro-)，1 nm～0.l mm范圍的為納米(Nano-)級(jí)。近年來(lái)，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)顆粒尺寸小到納米級(jí)時(shí)，其性質(zhì)發(fā)生突變，特別是許多納米級(jí)材料在電、光、磁、力學(xué)以至生物學(xué)等方面的性質(zhì)發(fā)生了突變，這種變異開(kāi)拓了一門(mén)新興的交叉學(xué)科——納米化學(xué)。納米材料已成為高新技術(shù)的重要研究領(lǐng)域，納米科學(xué)技術(shù)將成為21世紀(jì)關(guān)鍵的高新技術(shù)之一。 1．納米化學(xué)合成 納米材料有兩大類(lèi)：一是粒度在納米級(jí)的超細(xì)材料；一是具有納米孔、納米通道等納米相結(jié)構(gòu)的材料。納米物質(zhì)的合成是納米化學(xué)首先所面臨的問(wèn)題，要想合成超細(xì)的納米級(jí)粉料和有納米相結(jié)構(gòu)的材料，在合成方法上則有別于一般化學(xué)合成方法?，F(xiàn)有的納米粉料及納米結(jié)構(gòu)材料合成方法可歸納為：氣相法、固相法、液相法和納米結(jié)構(gòu)合成法。表8列示了這四類(lèi)合成方法。 這些方法中，用氣相法、固相法、液相法雖然可以得到不同類(lèi)型的納米微粒，但因納米微粒有巨大的比表面，彼此很容易凝結(jié)而成毫米級(jí)、微米級(jí)的超細(xì)粒子，因此無(wú)法采用簡(jiǎn)單的混合和復(fù)合的方法將上述制備的粒子和其他物質(zhì)(如聚合物)混合來(lái)制備“納米材料”。如何防止制備的納米粒子團(tuán)聚，是一個(gè)尚待解決的難題。 采用直接合成納米結(jié)構(gòu)的方法是目前獲得合成納米材料的可行方法。這方面的工作有下述幾種。 (1)納米插層聚合 即聚合物單體滲入蒙脫土內(nèi)，再聚合成蒙脫土納米片晶分散在聚合物內(nèi)的納米材料。 (2)相分離嵌段聚合物 即選用極性不同、彼此不相容的聚合物鏈段，以嵌段形式聚合到一個(gè)高分子鏈上。這種嵌段高分子形成的聚合物將在連續(xù)相內(nèi)存在相分離的納米尺度鏈段，而形成納米材料。 (3)雜化材料 采用有機(jī)物、低聚物、高分子和金屬鹽、原硅酸酯等無(wú)機(jī)物一起通過(guò)溶膠—凝膠法共聚合，以合成有機(jī)高分子“接枝”無(wú)機(jī)物片斷的“雜化”分子。在這些“雜化”分子中，無(wú)機(jī)物片斷于有機(jī)聚合物中產(chǎn)生納米尺度相分離，而成納米材料；或在溶膠—凝膠法中，無(wú)機(jī)物經(jīng)還原析出，以納米尺度的金屬粒子分散在有機(jī)聚合物中，這也是一類(lèi)納米材料。 (4)組裝合成納米相 即采用分子間弱相互作用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)組裝方法，把不同性質(zhì)的分子一個(gè)個(gè)的有規(guī)則地組裝成二維、三維結(jié)構(gòu)而成為特殊的納米材料。 除此之外，采取特殊的紡絲成纖技術(shù)，紡制直徑為納米尺度的合成纖維；采用特殊的聚合反應(yīng)合成超支化或樹(shù)狀高分子，這類(lèi)分子的結(jié)構(gòu)在宏觀(guān)上是一個(gè)個(gè)的納米球團(tuán)。這兩個(gè)方法也是值得研究的納米材料合成技術(shù)。當(dāng)然各種新的納米化合物的合成方法還在不斷發(fā)現(xiàn)，特別是生物體內(nèi)組裝而成的具有納米相結(jié)構(gòu)物質(zhì)，如象牙、貝殼、珍珠、骨等，雖都是羥基磷酸鈣和碳酸鈣等組成，但其強(qiáng)度、韌性都很特殊。因此探索仿生納米合成亦是納米化學(xué)研究中的新領(lǐng)域。2. 納米檢測(cè)技術(shù)納米化學(xué)合成了相應(yīng)的納米顆粒和納米結(jié)構(gòu)材料，必然要發(fā)展納米檢測(cè)技術(shù)，如納米粉體的粒度分布測(cè)定、孔徑測(cè)定、界面研究等。電子顯微鏡雖可觀(guān)測(cè)到納米尺度，但只是形態(tài)學(xué)手段，不能滿(mǎn)足進(jìn)一步觀(guān)測(cè)結(jié)構(gòu)和獲得更多信息的要求。為此近年宋發(fā)展了掃描探針顯微技術(shù)，如掃描探針顯微鏡(SPM)、原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯微鏡(MFM)、光學(xué)掃描隧道顯微鏡(PSTM)、彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)等。這些顯微鏡利用探針與樣品的不同的相互作用，來(lái)探測(cè)表面和界面在納米尺度表現(xiàn)出來(lái)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。它們都為納米化學(xué)的研究提供了極為有用的工具。表8 四類(lèi)納米粉料及納米結(jié)構(gòu)材料合成的有關(guān)方法激光 蒸發(fā)、凝聚氣相法 等離子體 氣相化學(xué)反應(yīng)電弧 氣相熱分解反應(yīng) 液面蒸發(fā)法(VEROS)固相化學(xué)反應(yīng)法低溫粉碎法、超聲波粉碎法熱分解法(有機(jī)鹽類(lèi)熱分解)固相法 爆炸法（利用瞬間的高溫高壓）高能球磨法超聲空穴法直接沉淀法 非水溶劑洗滌共沉淀法 共沸蒸餾沉淀法 均相沉淀法 冷凍干燥絡(luò)合沉淀法 乳濁化化學(xué)還原法 水介質(zhì)中溶液中的還原法 BH4-還原 BEt3H還原 非水介質(zhì)中 堿金屬還原醇鹽水解法水解法 金屬鹽水解法鹵化物氣相水解法液相法 噴霧熱分解溶劑蒸發(fā)法 火焰干燥法冷凍干燥法熱煤油法反膠團(tuán)技術(shù) 溶解萃取法水熱沉淀法水熱結(jié)晶法液熱法 水熱反應(yīng)法非水溶解熱反應(yīng)法溶膠-凝膠法(Sol-Gel)羰基法(液態(tài)羰基化合物熱分解)電解法；汞合法；溶膠法熔鹽熱解法 快速熱分解微乳液聚合電水錘法 插層聚合法相分離嵌乳共聚法納米相結(jié)構(gòu)合成法 雜化材料法超分子組裝納米纖維超支化高分子 3．納米材料的異常行為及其用途 20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯陶瓷在適當(dāng)溫度下(即在其熔點(diǎn)的0.4～0.5之間)具有很大的塑性存在。不僅是納米的離子型化合物是如此，具有共價(jià)型的納米級(jí)氮化硅陶瓷在適當(dāng)溫度下也是如此，且具有比微米級(jí)氮化硅陶瓷高出1倍以上的形變能力。在室溫下納米氧化鋯陶瓷具有的這種超塑性行為，引起了人們極大的興趣。陶瓷的缺點(diǎn)——脆性是否能在這種具異常性能的納米材料中找到改進(jìn)的途徑?納米陶瓷所呈現(xiàn)的超塑性不但為陶瓷材料帶來(lái)子新的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了許多其他納米材料的特殊性能：如材料晶粒尺寸達(dá)到納米尺度時(shí)，其硬度大幅度增加；納米Ni/ZrO2復(fù)合材料的比熱容行為出現(xiàn)異常；納米顆粒膜產(chǎn)生巨磁阻效應(yīng)；A1203／TiO2和SiO2／Fe2O3納米復(fù)合體系具有紅外隱身和屏蔽效應(yīng)；納米粒子的光譜特性常有“藍(lán)移”和“紅移”現(xiàn)象；還發(fā)現(xiàn)合成稀土ABO3型納米晶體的電阻率和導(dǎo)電活化能有異常現(xiàn)象；納米級(jí)Si02，g-A12O3或稀土氧化物對(duì)緊湊節(jié)能燈的玻管作表面處理，可提高燈的光通維持率……等等。以上列舉的這些例子說(shuō)明納米材料的異常行為拓展了它們?cè)诟鞣N領(lǐng)域中的應(yīng)用。納米陶瓷的超塑性為陶瓷的結(jié)晶成型提供了可能；納米的無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料開(kāi)闊了合成材料的制備范圍；納米粉末在磁記錄、阻燃劑、橡膠添加劑、功能陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷、涂料、隱身材料、催化劑、服裝、化妝品、導(dǎo)電涂料、燃料電池等領(lǐng)域均可找到它的用途。4．納米化學(xué)研究動(dòng)向與課題 鑒于納米化學(xué)的發(fā)展時(shí)間較短，而發(fā)現(xiàn)的異常行為較多，其應(yīng)用前景廣闊，因此必須加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，搞清楚納米材料異常行為的原因和內(nèi)在聯(lián)系。下列各方面均為值得研究的課題： ①納米粉粒和納米相結(jié)構(gòu)的化學(xué)合成新方法的研究及其物理和化學(xué)問(wèn)題； ②納米材料包括纖維、膜和體材料、多孔材料的制備技術(shù)； ③納米材料的特異性質(zhì)、尺寸效應(yīng)及其機(jī)理，以及與顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系； ④局域納米化學(xué)的研究； ⑤納米催化的研究； ⑥納米自組裝材料及其形成機(jī)理； ⑦納米無(wú)機(jī)／聚合物雜化材料，納米仿生材料； ⑧納米化學(xué)表征和檢測(cè)； ⑨納米材料的應(yīng)用，工業(yè)化前景及批量生產(chǎn)納米材料的途徑。 納米材料研究和應(yīng)用將成為21世紀(jì)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，是材料科學(xué)最重要的研究方向之一。八、手性藥物和手性技術(shù)1．什么是手性藥物? 手性是人類(lèi)賴(lài)以生存的自然界的本質(zhì)屬性之一。手性藥物研究是當(dāng)前新藥研究的發(fā)展方向和熱點(diǎn)。手性藥物是指只含單一對(duì)映體的藥物。有手性因素的化合物，其化學(xué)組分相同，但可因空間立體結(jié)構(gòu)不同而成對(duì)映的兩個(gè)異構(gòu)體，稱(chēng)為對(duì)映體，恰姐入的左右手。生物大分子如蛋白質(zhì)、多糖、核酸等全有手征性。除細(xì)菌等生物以外蛋白質(zhì)都是由左旋的L-氨基酸組成；多糖和核酸中的糖則是右旋的D-構(gòu)型。它們?cè)谏矬w內(nèi)造成手性環(huán)境。藥物在進(jìn)人生物體內(nèi)后，其藥理作用多與它和體內(nèi)靶分子之間的手性匹配和分子識(shí)別能力有關(guān)。因此含手性的化學(xué)藥物，其不同對(duì)映體顯示了不同的藥理作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多藥物的手性異構(gòu)體具有不同藥理作用，舉例列于表9。表9 手性藥物兩種不同對(duì)映體的不同藥理作用舉例藥物名稱(chēng)藥物的治療作用有效對(duì)映體的構(gòu)型與作用另一對(duì)映體的構(gòu)型與作用反應(yīng)停鎮(zhèn)靜S構(gòu)型：鎮(zhèn)靜劑R構(gòu)型：無(wú)鎮(zhèn)靜作用，致畸乙胺丁醇抗結(jié)核SS構(gòu)型：抗結(jié)核菌，活性200×RRRR構(gòu)型：導(dǎo)致失明普萘洛爾(心得安) propranolol心臟病S構(gòu)型：b-受體阻斷劑，活性100×RR構(gòu)型：影響或抑制性欲作用氯霉素抗菌RR構(gòu)型：抗菌，活性50～100×SSSS構(gòu)型：抗菌活性低萘必洛爾Nebivolol治療高血壓(+) ：b-受體阻斷劑(-)： 血管舒張酮基布洛芬Ketoprofen抗炎S構(gòu)型：抗炎R(shí)構(gòu)型：防治牙周病 * R型或S型表示單一對(duì)映體分子中所含手性因素的立體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)；(+)或(-)表示單一對(duì)映體整個(gè)分子的旋光表征。 過(guò)去手性藥物往往以消旋體形式(含有兩個(gè)等量對(duì)映體的混合物)出售。1961年出現(xiàn)了外消旋的鎮(zhèn)靜劑反應(yīng)停(Thalidomide)被孕婦服用后產(chǎn)生畸胎事件，直到1965年人們才發(fā)現(xiàn)反應(yīng)停的S-對(duì)映體為鎮(zhèn)靜劑，而另一種R-對(duì)映體非但沒(méi)有鎮(zhèn)靜作用，而且有致畸作用。以后的研究表明，這不是個(gè)別現(xiàn)象，很多手性藥物都有類(lèi)似情況。表9的例子說(shuō)明，應(yīng)對(duì)每一個(gè)含手性因素的藥物進(jìn)行對(duì)映體的藥理研究，不少藥物和毒物的差別僅為兩個(gè)不同立體構(gòu)型的對(duì)映體。這就是要研究和發(fā)展手性藥物的重要性。2．手性藥物分類(lèi) 手性藥物按其作用可分三類(lèi)。 ①異構(gòu)體具有完全不同的藥理作用，如S-構(gòu)型是藥物，R-構(gòu)型是毒物或另一種藥物。反應(yīng)停就是一例；曲托喹酚(喘速寧，Tretoquin01)的S-異構(gòu)體是支氣管擴(kuò)張劑，只—異構(gòu)體則有抑制血小板凝聚的作用。 ②異構(gòu)體具有性質(zhì)類(lèi)似的藥理作用，如異丙嗪(Promethazine)的兩個(gè)異構(gòu)體具有相同的抗組織胺的活性和毒性。 ③異構(gòu)體中一個(gè)有藥理活性，另一個(gè)則沒(méi)有活性：如抗炎鎮(zhèn)痛藥萘普生(Neproxen)其S-異構(gòu)體的療效為R-異構(gòu)體的28倍，后者可認(rèn)為沒(méi)有活性。作為藥物，只—異構(gòu)體相當(dāng)于雜質(zhì)，而S-萘普生則作為商品藥物。 目前手性藥物的開(kāi)發(fā)著重在①和③，特別是①類(lèi)必須分為兩種單一對(duì)映體供藥。 推動(dòng)手性藥物迅速發(fā)展的直接動(dòng)力是藥品管理機(jī)構(gòu)根據(jù)醫(yī)藥研究的結(jié)果而制定的新規(guī)定。1992年美國(guó)食品和藥品管理局(FDA)發(fā)布了手性藥物指導(dǎo)原則，要求所有在美國(guó)上市的消旋體類(lèi)新藥均要說(shuō)明藥物中所含的對(duì)映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果。這一規(guī)定促使對(duì)映純手性藥物研究迅速發(fā)展。手性藥物的世界銷(xiāo)售額從1994年以來(lái)每年以20％以上的速度增長(zhǎng)，預(yù)期2000年的銷(xiāo)售額會(huì)到1000億美元。 市場(chǎng)銷(xiāo)售額的增長(zhǎng)促進(jìn)了手性藥物的研究和開(kāi)發(fā)。世界各國(guó)的制藥公司投入大量人力和物力，紛紛開(kāi)發(fā)手性藥物。目前提出新藥注冊(cè)申請(qǐng)和正在開(kāi)發(fā)的新藥中，單一對(duì)映體占絕大多數(shù)。處于Ⅱ／Ⅲ期臨床試驗(yàn)的化合物中，80％是手性藥物。據(jù)預(yù)測(cè)到2005年全球上市的化學(xué)合成新藥中約有60％為單一對(duì)映體的藥物。因此21世紀(jì)將是發(fā)展手性藥物大好時(shí)機(jī)。 3．如何制造手性藥物? 這是化學(xué)和生物學(xué)研究的重要領(lǐng)域——手性技術(shù)。手性技術(shù)包括手性合成和手性拆分兩個(gè)方面，均為手性藥物制造技術(shù)必不可少的方法和工具。表10概括了手性技術(shù)的研究領(lǐng)域。表10 手性技術(shù)的研究領(lǐng)域手性合成化學(xué)合成手性源誘導(dǎo)合成；手性源不對(duì)稱(chēng)合成化學(xué)計(jì)量型；手性助劑，手性試劑催化計(jì)量型生物合成天然物提取酶催化發(fā)酵工程懸浮生長(zhǎng)細(xì)胞固定化細(xì)胞工程懸浮酶固定化酶手性拆分結(jié)晶法拆分優(yōu)先結(jié)晶法分步結(jié)晶法動(dòng)力學(xué)拆分包結(jié)拆分酶拆分色譜分離模擬移動(dòng)床色譜 (1)手性合成 包括化學(xué)合成和生物合成。 在手性化學(xué)合成(或稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)合成)方面，20世紀(jì)后半葉不對(duì)稱(chēng)合成方法有了快速發(fā)展，它經(jīng)歷了四個(gè)階段(即四種方法)的進(jìn)展。 ①手性源方法(chiral pool) 原料為手性化合物A*，經(jīng)不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)，得到另一手性化合物B*，即手性原料轉(zhuǎn)化成反應(yīng)產(chǎn)物。 A* ® B*
②手性助劑方法(chiral auxiliary) 利用手性助劑R*與原料A結(jié)合成AR*進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)誘導(dǎo)反應(yīng)，產(chǎn)生B*R*，收回R*，則可得到新的手性化合物B*。A AR* ® B*R* ® B* ③手性試劑方法(chiral reagent) 利用手性試劑，直接參與不對(duì)稱(chēng)誘導(dǎo)反應(yīng)，而產(chǎn)生新的手性化合物B*。A B* ④不對(duì)稱(chēng)催化方法(asymmetric catalysis) 用手性催化劑C*參與不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)，得到新的手性化合物。A B* 方法①、②、③是化學(xué)計(jì)量型的反應(yīng)，而方法④是催化量的化學(xué)反應(yīng)，具有手性增值的效應(yīng)。如不對(duì)稱(chēng)催化氫化反應(yīng)，用好的手性催化劑可使手性增值效應(yīng)高至10萬(wàn)倍，即用1個(gè)手性催化劑分子可產(chǎn)生10萬(wàn)個(gè)手性產(chǎn)物。因此近年來(lái)不對(duì)稱(chēng)催化方法引人注目，吸引了世界上許多著名的有機(jī)化學(xué)研究室和各大制藥公司的研究開(kāi)發(fā)部從事手性催化研究，其中既有創(chuàng)新性的基礎(chǔ)研究工作，又有具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的手性藥物合成。不對(duì)稱(chēng)催化合成已經(jīng)不是紙上談兵。表11列舉了不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)的工業(yè)化實(shí)例。預(yù)期在21世紀(jì)不對(duì)稱(chēng)催化的研究將會(huì)有突破性進(jìn)展。表11 用于工業(yè)的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)公司名稱(chēng)金屬反應(yīng)類(lèi)產(chǎn)物發(fā)明者M(jìn)onsanto Monsanto Sumitomo Anic，Enichem T．T. Baker ARCO TakasagoMerckS. MerckTakasagORhRuCuRhTiTiRhBMnRu氫化氫化環(huán)丙烷化氫化環(huán)氧化環(huán)氧化重排羰基還原環(huán)氧化氫化L-多巴S-萘普生西司他丁(Cilastatin) L-苯丙氨酸Disuarlure縮水甘油l-薄荷醇MK-0417CremakatinCarbapenemKnowlesA．C．S. ChanAratani等Fiorini等SharplessSharplessNoyoriCorey JacobsonNoyori 在生物合成方面也有兩種方法。 ①發(fā)酵(懸浮生長(zhǎng)細(xì)胞和固定化細(xì)胞)法。利用細(xì)胞發(fā)酵合成手性化合物，如用發(fā)酵生產(chǎn)L-氨基酸。 ②生物酶法。可將有潛手性的化合物和前體通過(guò)酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化為單一對(duì)映體，可利用氧化還原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羥化酶、環(huán)氧化酶等，直接從前體化合物不對(duì)稱(chēng)合成各種復(fù)雜的手性醇、酮、酸、酯、胺衍生物，以及含磷、硫、氮及金屬的手性化合物。酶法合成的特點(diǎn)是高對(duì)映體選擇性和產(chǎn)物光學(xué)純度高(100％e．e．)，收率高和副反應(yīng)少，反應(yīng)條件溫和，無(wú)環(huán)境污染等，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。特別是酶固定化技術(shù)，可使酶催化反應(yīng)成為固定床連續(xù)生產(chǎn)流程，具有工業(yè)化價(jià)值。 近來(lái)英國(guó)Synopsys科學(xué)系統(tǒng)建立了一個(gè)由酶、微生物和催化抗體進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)庫(kù)“Biocatalysm”。1995年收載了包括專(zhuān)利在內(nèi)的最近文獻(xiàn)中5000個(gè)反應(yīng)，到1996年4月增加到15000個(gè)反應(yīng)，數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)以光盤(pán)發(fā)布。另一個(gè)是制備開(kāi)始階段的數(shù)據(jù)庫(kù)“UM-BBD”，該數(shù)據(jù)庫(kù)目的是幫助基因工程師查明在什么微生物中存在什么代謝途徑，以便找到合適的工程菌。目前“UM-BBD”庫(kù)存有120個(gè)反應(yīng)，可在World Wide Web網(wǎng)上免費(fèi)瀏覽此數(shù)據(jù)庫(kù)。 用生物技術(shù)合成手性藥物并使之工業(yè)化是一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。 (2)手性拆分(Chiral resolution) 外消旋體轉(zhuǎn)化(racemlc switch)是研制手性藥物最省事和低成本的方法。據(jù)幾個(gè)大制藥公司的估算(美國(guó)的Merck、Sepracor，英國(guó)的Chioscience等)：將已經(jīng)批準(zhǔn)以消旋體形式上市的手性藥物改成以單一活性對(duì)映體形式申請(qǐng)批準(zhǔn)上市，這個(gè)過(guò)程平均只要化400萬(wàn)美元左右即可完成，與研究一個(gè)新藥的投入(2億美元以上)相比，是便宜的捷徑。外消旋體轉(zhuǎn)化技術(shù)的關(guān)鍵是拆分。表10列舉了5種拆分方法：結(jié)晶法拆分、動(dòng)力學(xué)拆分、包結(jié)拆分、酶拆分和色譜分離。在這些方法中已發(fā)展為較有商業(yè)規(guī)模的有以下幾種。 ①模擬移動(dòng)床色譜(simulated moving bed chromatography， SMBC)。SMBC方法的研究始于1960年，美國(guó)UOP與ChiralTechnologies合作共同開(kāi)發(fā)應(yīng)用模擬移動(dòng)床工藝拆分各種外消旋體。經(jīng)過(guò)30多年的努力和應(yīng)用，SMBC方法在對(duì)映體選擇性分離中發(fā)揮了重要作用，現(xiàn)已發(fā)展成噸級(jí)手性藥物的制備工藝。這類(lèi)手性色譜拆分可得到高光學(xué)純度的對(duì)映體，而且成本較低。在工藝上，SMBC將手性色譜柱的首尾兩端連接成為一個(gè)閉路循環(huán)，操作人員在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中移動(dòng)新鮮樣品與溶劑的注入點(diǎn)和混合組分的移出點(diǎn)。每個(gè)回路中還有8～10根手性色譜柱，柱與柱之間的連接點(diǎn)處有4個(gè)閥門(mén)，分別注入外消旋體及溶劑并取出產(chǎn)品。反復(fù)注入和取出均用微機(jī)軟件控制。這種裝置再配以液相色譜手性分離數(shù)據(jù)庫(kù)(chirbase)，就可以做外消旋體分離成光學(xué)純的手性藥物了。 ②酶拆分。利用水解酶如脂肪酶、蛋白酶、酰胺酶、腈水合酶、酰化酶等對(duì)外消旋化合物進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)水解，以拆分制備光學(xué)純手性藥物。對(duì)于各種外消旋體，均需制成一個(gè)能水解的前體，并試驗(yàn)各種水解酶的立體專(zhuān)一性拆分，這也要做大量的基礎(chǔ)性研究。 ③包結(jié)拆分。這是化學(xué)拆分中較新的一種方法。其原理是用非共價(jià)鍵體系的相互作用而使消旋體與手性拆分劑發(fā)生包結(jié)作用。它不象常規(guī)拆分中那樣受酸、堿等基團(tuán)的影響，可在分子-分子體系層次上進(jìn)行手性匹配和選擇，并通過(guò)結(jié)晶方法將兩個(gè)對(duì)映體分開(kāi)。如抗消化道潰瘍藥物Omeprazole(見(jiàn)28頁(yè)圖3)其分子結(jié)構(gòu)的手性特征是S型，用一般化學(xué)拆分、酶拆分均不能成功，但用包結(jié)法卻能成功地將其拆分，得到S-Omeprazole，預(yù)期這個(gè)手性藥物即將上市。 在手性拆分研究方面將會(huì)出現(xiàn)研究熱潮，再配合拆分技術(shù)和建立數(shù)據(jù)庫(kù)，可為手性藥物的大發(fā)展提出高選擇性和低成本的方法和具有商業(yè)價(jià)值的工藝路線(xiàn)。總之，根據(jù)社會(huì)的需求，在日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)推動(dòng)下，21世紀(jì)將成為手性藥物和手性技術(shù)大發(fā)展的世紀(jì)。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) 1999年世界人口已達(dá)60億，預(yù)期2025年將達(dá)到68億。中國(guó)人口已于1995年2月15日達(dá)到12億，據(jù)預(yù)期2000年中國(guó)人口將突破13.5億。靠什么來(lái)養(yǎng)活這么多的人?增加食物生產(chǎn)除依靠改良品種、擴(kuò)大耕種面積以外，要提高單位面積產(chǎn)量及食物質(zhì)量更重要的是依靠科學(xué)，如肥料、農(nóng)藥、土壤結(jié)構(gòu)和肥力的保持等，這中間都有化學(xué)問(wèn)題有待研究。1. 肥料 氮、磷、鉀及某些微量元素是糧食和農(nóng)作物必不可少的肥料。20世紀(jì)解決了一個(gè)大問(wèn)題，合成氨的研制成功和大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)使氮肥滿(mǎn)足了農(nóng)作物的生長(zhǎng)需要。為此兩屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授于合成氨的發(fā)明者和改進(jìn)者，1918年F．Haber和1931年C．Bosch，表彰他們?yōu)槿祟?lèi)增加糧食生產(chǎn)中的肥料問(wèn)題作出的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在合成氨大型裝置的生產(chǎn)規(guī)?？蛇_(dá)50萬(wàn)t／a。我國(guó)的合成氨產(chǎn)量已達(dá)2000萬(wàn)t／a，居世界第二位。合成氨的原料是氮?dú)夂蜌錃?，它們可分別從煤、石油或天然氣轉(zhuǎn)化成N：H為1：3的混合氣，在鐵系催化劑作用下合成氨。已有各種不同壓力下的合成方法，見(jiàn)表12。 在肥料中除氮肥外，磷、鉀肥料也是很重要的。目前正在發(fā)展復(fù)合肥料，以植物生長(zhǎng)所需的最佳配比來(lái)研制肥料是增產(chǎn)糧食的有效途徑。另外近年來(lái)，在肥料中添加稀土元素增產(chǎn)糧食取得初步成效?？傊?，在肥料這一領(lǐng)域里根據(jù)植物生長(zhǎng)的內(nèi)在需要，尋求各種組分的復(fù)合肥料是大幅度增產(chǎn)農(nóng)作物的關(guān)鍵問(wèn)題，有待21世紀(jì)的研究和開(kāi)發(fā)。表12 氨合成方法名稱(chēng)合成壓力／MPa年份開(kāi)發(fā)國(guó)家哈伯-博施法克勞德法卡塞萊法佛瑟法蒙特·塞尼斯-伍德法氮?dú)夤こ坦痉?0.3101.370.9～81.130．410.1～15.230．4191319171920192119211921德國(guó)法國(guó)意大利意大利德國(guó)美國(guó)2．農(nóng)藥 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，自然界的病蟲(chóng)害帶來(lái)的危害是十分嚴(yán)重的，常?？稍斐梢粋€(gè)地區(qū)顆粒不收的局面。人們對(duì)付病蟲(chóng)害有兩種手段：化學(xué)防治和生物防治。化學(xué)防治就要使用農(nóng)藥，包括殺蟲(chóng)劑、除草劑和殺真菌劑等來(lái)控制病蟲(chóng)害。殺死害蟲(chóng)的化學(xué)品較多，根據(jù)高效、低毒和安全的目標(biāo)，農(nóng)藥的品種不斷更新?lián)Q代，如早期使用的滴滴涕、六六六等有機(jī)氯殺蟲(chóng)劑，由于高毒性和環(huán)境污染問(wèn)題，現(xiàn)已淘汰，禁止使用。有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑如馬拉硫磷、敵百蟲(chóng)、殺螟硫磷、甲基對(duì)硫磷等品種較多，具有強(qiáng)烈殺蟲(chóng)作用且對(duì)人畜毒性較低，所以在農(nóng)田中廣泛使用。有機(jī)硫殺蟲(chóng)劑代森鋅、有機(jī)砷殺菌劑、有機(jī)汞殺菌劑等現(xiàn)已逐漸被擬除蟲(chóng)菊酯殺蟲(chóng)劑(氯甲氰菊酯，甲氰菊酯，溴氰菊酯等)，高效內(nèi)吸性殺菌劑(萎銹靈、苯菌靈、硫菌靈等)和農(nóng)用抗生素等新品種所取代。人們期望創(chuàng)制出一代又一代的新農(nóng)藥為增加糧食做出更大的貢獻(xiàn)。3. 植物激素及生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑 植物體內(nèi)具有調(diào)節(jié)作用的內(nèi)源性物質(zhì)稱(chēng)為植物激素。植物激素包括生長(zhǎng)因子(如植物生長(zhǎng)素、赤霉素和細(xì)胞分裂素類(lèi))和生長(zhǎng)抑制劑(如脫落酸和乙烯)。這類(lèi)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)植物發(fā)育的每一個(gè)時(shí)期均有影響。雖然現(xiàn)已知道一些植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，但對(duì)其產(chǎn)生活性的生物—化學(xué)過(guò)程和作用了解甚少。因此研究植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)及其作用機(jī)制是有待深入探索的領(lǐng)域。如果能搞清楚它們的作用機(jī)制，人們就能提出調(diào)控植物的生長(zhǎng)和死亡的辦法，對(duì)農(nóng)作物增產(chǎn)將起到重要的作用。 已知的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑有數(shù)百種，如吲哚乙酸(IAA，促進(jìn)植物生長(zhǎng))，赤霉酸(GA，誘發(fā)花芽的形成)，細(xì)胞分裂素(促進(jìn)種子萌發(fā)、抑制衰老)，乙烯(促進(jìn)果實(shí)成熟)，獨(dú)腳金酮(誘發(fā)寄生植物種子萌發(fā))，G2因子或N-甲基煙酸內(nèi)酯(影響固氮作用)，Glycinoeclepin A(促進(jìn)蠕蟲(chóng)卵孵化)等，這些化合物的結(jié)構(gòu)是多種多樣的，它們的衍生物及其生物活性有待進(jìn)一步研究。利用各種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，并適時(shí)調(diào)控，以提高糧食產(chǎn)量是完全有可能的，也是一個(gè)值得研究的方向。4．光合作用和固氮 (1)光合作用 植物生長(zhǎng)依靠光合作用把二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成可供植物細(xì)胞使用的原料。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，綠色植物、藻類(lèi)和光合細(xì)菌利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，從而合成糖類(lèi)，放出氧，并進(jìn)一步合成其他生物分子而使植物生長(zhǎng)。有機(jī)化學(xué)家M．Calvin由于找到了二氧化碳通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為糖和其他重要化合物如氨基酸等的變化序列，獲得1961年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在光合作用中，葉綠素是核心化合物。它吸收能量后，一個(gè)電子躍遷到高能級(jí)，這個(gè)電子再轉(zhuǎn)移到光合作用中心的另一個(gè)分子上去。在電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中無(wú)機(jī)磷酸根參與合成三磷酸腺苷(ATP)，形成高能鍵。ATP是推動(dòng)很多生化過(guò)程的化學(xué)能源。光合作用中電子的傳遞終止于一種由煙酸衍生而成的輔酶，并用于完成其他的生物化學(xué)過(guò)程。失去電子的葉綠素最后從水中拿回電子，水則轉(zhuǎn)化為氧氣。這是Calvin的工作成果；而葉綠素的結(jié)構(gòu)則是由H．Michel，J．Diesenhofer和R．Huber用X-射線(xiàn)單晶測(cè)定結(jié)構(gòu)技術(shù)建立的。他們還證明在葉綠體中有序地排列著某些蛋白質(zhì)和葉綠素組裝成的葉綠素聚集體或葉綠素—蛋白質(zhì)聚集體，并因這個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的研究獲得了1988年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 每年地球上的光合作用可把10nt的碳轉(zhuǎn)變成有機(jī)化合物太陽(yáng)能變成化學(xué)能。這是非常吸引人的問(wèn)題。若能闡明其機(jī)理，就有可能人工模擬光合作用以制造農(nóng)產(chǎn)品。但光合作用的機(jī)理還遠(yuǎn)沒(méi)有搞清楚。 (2)固氮 植物生長(zhǎng)除了靠光合作用外，還要靠從土壤中吸收含氮的化合物。雖然空氣中的氮?dú)庹?0％，但單質(zhì)氮不是所有生物都可吸收利用的。因此要把空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氮化合物，這個(gè)固氮過(guò)程十分重要。自然界有些細(xì)菌和藻類(lèi)可把空氣中的氮還原成氨。如豆科植物，包括大豆、三葉草和紫花苜蓿等根瘤菌的固氮菌株具有這種固氮作用。固氮作用與固氮酶有關(guān)。單質(zhì)氮轉(zhuǎn)化為氮化合物的過(guò)程涉及固氮酶及其復(fù)合物的作用。已知固氮酶由兩種蛋白質(zhì)組成：一種蛋白質(zhì)(二氮酶)的相對(duì)分子質(zhì)量約為220000，含2個(gè)鉬原子、32個(gè)鐵原子和32個(gè)活性硫原子；另一種蛋白質(zhì)(二氮還原酶)是由2個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為29000的相同亞基構(gòu)成的，每個(gè)亞基含4個(gè)鐵原子和4個(gè)硫原子。要全部搞清楚固氮酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制是一項(xiàng)甚為復(fù)雜的研究工作，但固氮酶的蛋白質(zhì)及其固氮活性中心的結(jié)構(gòu)信息可啟發(fā)化學(xué)模擬固氮的催化研究。蛋白質(zhì)與鉬和鐵的配合物及鉬、鐵、硫的原子簇化合物均被認(rèn)為是可以模擬固氮酶的活性部位。無(wú)論是生物固氮或是化學(xué)模擬固氮，將都是21世紀(jì)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。5．優(yōu)良品種和基因工程農(nóng)作物的優(yōu)良品種的培育是一個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的研究過(guò)程，但也是增產(chǎn)糧食的重要研究領(lǐng)域。近年來(lái)基因工程的進(jìn)展促使優(yōu)良品種的培育采用基因工程方式來(lái)進(jìn)行，研究把高產(chǎn)植物的基因轉(zhuǎn)人糧食作物的種子中。目前已有一些研究成果，如抗病高產(chǎn)小麥，害蟲(chóng)不吃的棉花、低芥酸的油菜等等。這是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，亦是解決人類(lèi)食物的最有成效的途徑之一。二、能源 經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與能源消費(fèi)增長(zhǎng)是緊密聯(lián)系的，目前人類(lèi)利用的能源有：煤、天然氣、石油、核能、水力、太陽(yáng)能、生物原料等。世界能源結(jié)構(gòu)比例列于表13中。表13 世界能源結(jié)構(gòu)分析(％)范圍年代煤石油天然氣水力、核能?chē)?guó)際195019832020(預(yù)計(jì))61.532.2～3027.041.520.09.822.0451.74.2-國(guó)內(nèi)198779.617.71.61.1其總的趨勢(shì)要看資源情況。國(guó)際上以石油為主，而我國(guó)仍以煤為主。再過(guò)20～30年，天然氣將逐漸成為能源的主力，石油將退居第三位，因此在煤、天然氣、石油三大能源支柱中，化學(xué)在滿(mǎn)足國(guó)家能源需求方面，將仍起中心科學(xué)的作用。 我國(guó)能源資源探明的儲(chǔ)量：煤6000億t、石油34億t、天然氣2萬(wàn)億m3。目前年產(chǎn)量：煤12億t、石油1．5億t、天然氣150億m3。按此速度開(kāi)發(fā)石油，只有23年左右的可供開(kāi)采資源。因此在能源開(kāi)發(fā)和利用上，要實(shí)施近期和遠(yuǎn)期開(kāi)發(fā)相結(jié)合的策略，及早做好準(zhǔn)備。一方面尋找新資源；一方面尋找新能源；另一方面則是合理使用現(xiàn)有資源。 1. 煤的高效和清潔化燃燒目前煤是主要能源，特別是在發(fā)電能源方面76％靠煤炭，應(yīng)向高效率和潔凈化燃燒的方向研究和發(fā)展。若提高效率5％一10％，則每年就能節(jié)煤0.5～1億t，相當(dāng)于幾個(gè)大型煤礦的煤產(chǎn)量。燃燒過(guò)程是包括流體流動(dòng)、傳質(zhì)過(guò)程、傳熱過(guò)程及化學(xué)動(dòng)力學(xué)在內(nèi)的一種系統(tǒng)工程，要綜合考慮。既要高效燃燒，又能清潔而不污染環(huán)境。如圖14所示，以分區(qū)脫硫、分級(jí)送風(fēng)解耦等方法，使煤燃燒后排放的是N2、O2、H20和CaS04，而不再污染環(huán)境。一次空氣脫硫劑(CaO) 熱原煤 半焦 (CO2、NOx、CaSO4) (C、H、N、S) (C、N、S) 加熱（無(wú)氧） 揮發(fā)物 潔凈燃燒：(NH3、HCN、CO、CH4) 二次空氣 NH3 + NO ® N2 + H20N20 ® N2 + 02S02 + CaO ® CaS04圖14 煤的潔凈燃燒2. 天然氣的開(kāi)發(fā)和利用 從我國(guó)天然氣的儲(chǔ)量及可開(kāi)采量來(lái)看，可開(kāi)發(fā)130年之久，為石油的6倍以上。因此要大力推廣使用天然氣能源。特別是作為家用燃料，天然氣優(yōu)于煤和石油。天然氣中甲烷的燃燒值和發(fā)熱量高，再加上管道傳輸方便，宜于家家戶(hù)戶(hù)使用。關(guān)鍵是在天然氣產(chǎn)地要先做好脫硫和去除一些含氮雜質(zhì)。3．石油的開(kāi)采、精煉和燃燒 石油開(kāi)采中，初級(jí)開(kāi)采如靠天然壓力，只能開(kāi)采10～20％；二級(jí)注水、氣等開(kāi)采，可開(kāi)采出35％。二者相加，只能開(kāi)采出儲(chǔ)量的50％左右。近年來(lái)用化學(xué)方法進(jìn)三次采油，即利用表面活性劑和高聚物溶液進(jìn)行強(qiáng)化采油，以期又可得到另一半儲(chǔ)量的石油(當(dāng)然不可能全部開(kāi)采)。這是石油開(kāi)采急待解決的重大問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)意義很大。 汽油的燃燒效率用辛烷值表示。從石油制造的汽油，其碳鏈數(shù)和異構(gòu)化程度均有一定的幅度?，F(xiàn)已有的催化裂解和重整煉油技術(shù)，可使得到的汽油碳鏈長(zhǎng)較為整齊(8個(gè)碳)，異構(gòu)化程度高(異辛烷成分高)。這樣得到的汽油其辛烷值高，汽車(chē)使用時(shí)可大量節(jié)約用油。因此催化研究是至關(guān)重要的，所以石油作為能源仍有許多化學(xué)問(wèn)題有待研究和解決。4．核能利用 核能在20世紀(jì)發(fā)展很快。發(fā)達(dá)國(guó)家已建立了核電廠(chǎng)，核電在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中占5～10％。核能在經(jīng)濟(jì)上與煤、石油、天然氣是可以競(jìng)爭(zhēng)的。我國(guó)的核電工業(yè)開(kāi)發(fā)不久，目前只有大亞灣和秦山兩個(gè)核電廠(chǎng)，在能源結(jié)構(gòu)中比例甚小。但從發(fā)展來(lái)看，我國(guó)的核電工業(yè)將會(huì)在21世紀(jì)有較大發(fā)展。 核能作為能源是應(yīng)該發(fā)展的，它是人類(lèi)利用自然資源的一個(gè)重要方面。但安全和放射性廢物問(wèn)題給核電工業(yè)蒙上了一層陰影。要想減少核電工業(yè)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，很大程度上取決于化學(xué)和化學(xué)工程師們的智慧和能力。核化學(xué)研究涉及到核能生產(chǎn)的各方面，從鈾礦勘探，核燃料的提煉、濃縮，裂變產(chǎn)物的分離，核堆安全棒的制造，直到放射性廢物的處理。綜合分析世界上核電工業(yè)的安全事故，并不是核電工業(yè)本身的技術(shù)安全問(wèn)題，而是核電工業(yè)中的人為事故。所以發(fā)展核電工業(yè)必須加強(qiáng)人材培訓(xùn)和安全制度，使人為事故消滅在發(fā)生之前。 核能中另一個(gè)重要的研究領(lǐng)域是可控?zé)岷朔磻?yīng)，即核聚變反應(yīng)。兩個(gè)較輕的原子核聚變成一個(gè)較重的原子核，同時(shí)釋放出巨大的能量。氫彈爆炸就屬于這種核反應(yīng)。不過(guò)這一過(guò)程是在極短的瞬時(shí)完成的，目前人們尚無(wú)法控制。這在物理學(xué)、核工程和材料科學(xué)方面需要有深入研究和創(chuàng)新突破。使超高溫下產(chǎn)生的熱核反應(yīng)在聚變反應(yīng)器中成為可控和能量可利用，21世紀(jì)可望在可控核聚變領(lǐng)域有新的進(jìn)展。 其他能量如太陽(yáng)能、氫能源、過(guò)氧化氫能源、生物質(zhì)能源等均應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，為21世紀(jì)大規(guī)模利用新能源開(kāi)辟新途徑。三、石油化工、天然氣化工和煤化工 20世紀(jì)作為化工產(chǎn)品的源頭，石油、天然氣、煤的化學(xué)工業(yè)得到了很大的發(fā)展。特別是石油化工，由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)因素，促使其發(fā)展更加快速和廣泛。 1．石油化工 21世紀(jì)石油化工產(chǎn)品仍為化工產(chǎn)品的主流。石油資源在21世紀(jì)尚能供給人類(lèi)消費(fèi)的需求，但作為石油資源開(kāi)采和利用方面，三次采油技術(shù)和相關(guān)化學(xué)品的研制將是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。石油化工方面將出現(xiàn)兩個(gè)重要傾向。一個(gè)是石油化工裝置的大型化，國(guó)際各大化學(xué)公司相繼建立大型煉油裝置和深加工的化工裝置。這是資源利用和經(jīng)濟(jì)成本所驅(qū)動(dòng)的。另一個(gè)是綠色化工方向，要研究和開(kāi)發(fā)新的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，以原子經(jīng)濟(jì)性為前提，設(shè)計(jì)新流程和改進(jìn)原有的化工裝置，以增加石油化工原料的利用率，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減少和根治環(huán)境污染問(wèn)題。2．天然氣化工 世界天然氣儲(chǔ)量較石油更為豐富，在能源結(jié)構(gòu)上，天然氣在21世紀(jì)將逐漸替代石油成為能源的主力。但在化工利用方面，由于石油化工產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)成本低于天然氣化工產(chǎn)品，因此長(zhǎng)期以來(lái)，天然氣化工只在合成氨工業(yè)和甲醇工業(yè)中占主導(dǎo)地位。這也很容易從化學(xué)原理來(lái)解釋?zhuān)褪嵌嗵纪闊N，在加工時(shí)是將高碳烷烴裂解成低碳烷烴和烯烴；而天然氣是以甲烷為主的，其化學(xué)加工是將一個(gè)碳的甲烷轉(zhuǎn)化成兩個(gè)或三個(gè)碳及以上的烷烴和烯烴。用一個(gè)比喻來(lái)講，石油加工是拆房子；而天然氣化工是建房子。所以從能量角度來(lái)講對(duì)生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，石油化工的成本要比天然氣化工低一些。一般C-H鍵平均鍵能為99 kcal／mol，而甲烷中CH3-H的離解能高達(dá)104 kcal／mol。因此如何對(duì)甲烷進(jìn)行有效的化學(xué)轉(zhuǎn)化，并且要能與石油化工產(chǎn)品相競(jìng)爭(zhēng)，一直是化學(xué)家們的難題。關(guān)鍵問(wèn)題在于高選擇性和高催化活性的新型催化劑的研究。20世紀(jì)70年代兩次石油危機(jī)導(dǎo)致了天然氣化工發(fā)展。尤其在尋找替代能源，即以天然氣或煤轉(zhuǎn)化為液體燃料和化工產(chǎn)品以替代石油資源方面，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些有工業(yè)前景的新化工過(guò)程。 天然氣化學(xué)轉(zhuǎn)化主要有兩個(gè)途徑：一是直接化學(xué)轉(zhuǎn)化，如氧化偶聯(lián)、選擇性氧化等可制成烯烴、甲醇、二甲醚等，進(jìn)而合成液體燃料；另一途徑是由天然氣制造合成氣(一氧化碳和氫氣)，在不同配比情況下可合成氨和各種含氧有機(jī)化合物(醇、醛和醚類(lèi)化合物)。 甲烷轉(zhuǎn)化的其他方法如甲烷生物氧化、甲烷電催化氧化、甲烷芳構(gòu)化直接合成芳烴等也正在開(kāi)發(fā)中。天然氣化學(xué)轉(zhuǎn)化的方法不少，但是達(dá)到工業(yè)化水平并在經(jīng)濟(jì)上有競(jìng)爭(zhēng)力的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程并不多。因此21世紀(jì)對(duì)天然氣化工的發(fā)展帶來(lái)了很好的機(jī)遇，同時(shí)亦帶來(lái)了對(duì)科學(xué)技術(shù)難題的挑戰(zhàn)。 3．煤化工 煤多油少是我國(guó)能源資源的現(xiàn)狀。中國(guó)煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量約占世界總量的20％，可開(kāi)采儲(chǔ)量1400億t，年產(chǎn)量達(dá)12億t，占世界產(chǎn)量的25％左右。煤炭占一次能源總消耗量的74.9％，它提供了76％的發(fā)電能源和75％的工業(yè)燃料和動(dòng)力。但在煤化工利用方面，由十段不和經(jīng)濟(jì)尚不如石油化工和天然氣化工，所以相對(duì)來(lái)講發(fā)展較慢，只有一些煤焦油化工，而且規(guī)模不大，在化工領(lǐng)域所占份額很小。 煤化工主要應(yīng)從以下兩個(gè)方面開(kāi)發(fā)： (1)煤的拔頭工藝生產(chǎn)液體燃料 在較年輕的煤種中具有較高的揮發(fā)性組分，一般可從中提出20％左右的氣體和液體產(chǎn)物，而其中2％為汽油，10％為柴油，15％為高熱值煤氣和化工原料，剩下的半焦仍可作固體燃料。若我國(guó)將10億t煤采用拔頭工藝生產(chǎn)，將可得到2億t氣體和液體燃料，其中400萬(wàn)t為汽油，2000萬(wàn)t柴油，這是一個(gè)不小的數(shù)字，將可解決我國(guó)一部分液體能源問(wèn)題。煤拔頭提抽技術(shù)正在開(kāi)發(fā)，快速裂解和快速冷凝技術(shù)是拔頭工藝的關(guān)鍵。此工藝不僅可得到可觀(guān)的液體燃料，還可得到潔凈半焦。后者用作固體燃料可進(jìn)行潔凈燃燒，有利于環(huán)境保護(hù)。這一領(lǐng)域的研究對(duì)我國(guó)能源利用十分重要，在21世紀(jì)將大有發(fā)展前景。 (2)煤制合成氣(CO+H2) 其工藝和天然氣化工中制合成氣工藝相似，由制成的合成氣也可合成液體燃料和化工產(chǎn)品。目前，由于煤化學(xué)轉(zhuǎn)化為合成氣的工藝過(guò)程所需設(shè)備投資太大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)尚不如石油化工和天然氣化工，所以難于大規(guī)模生產(chǎn)；只有小規(guī)模的生產(chǎn)合成氨和甲醇的裝置。在技術(shù)上還有待進(jìn)行創(chuàng)新的研究。四、健康與醫(yī)藥 世界各國(guó)政府均把人的健康列為社會(huì)發(fā)展計(jì)劃的首位。社會(huì)發(fā)展是由生產(chǎn)力所決定的，而生產(chǎn)力的最重要最活躍的因素是人。研究如何保護(hù)人的健康和安全，充分發(fā)揮人的積極因素和能力是當(dāng)今世界的頭等大事。人類(lèi)健康與醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，世界各國(guó)在醫(yī)藥工業(yè)上均有巨額投資用以發(fā)展新藥。在國(guó)外開(kāi)發(fā)一個(gè)新藥，平均需要投資近2億美元，約需10年左右的時(shí)間；而嚴(yán)格的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，保證了投入的收益。世界各大制藥公司幾乎每年都有新藥上市，利潤(rùn)十分豐厚，世界藥物的年銷(xiāo)售額達(dá)3000億美元。 我國(guó)醫(yī)藥工業(yè)總體來(lái)講還處于急待發(fā)展的階段。過(guò)去我國(guó)生產(chǎn)和使用的絕大多數(shù)藥品均系仿制國(guó)外創(chuàng)制的藥品，自行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的新藥僅有100余種，但能大量生產(chǎn)供應(yīng)市場(chǎng)的藥品甚少。迄今為止還沒(méi)有一個(gè)新藥在國(guó)外注冊(cè)和銷(xiāo)售，出口國(guó)際市場(chǎng)的藥品每年僅為3億美元左右(一般均為國(guó)外專(zhuān)利已過(guò)期的藥品)。我國(guó)特有的中草藥，由于尚未建立現(xiàn)代藥物的質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，而難于進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。因此在即將到來(lái)的21世紀(jì)應(yīng)著重于新藥設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，發(fā)展我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新藥。尤應(yīng)注意下列幾個(gè)動(dòng)向。1．基因藥物 21世紀(jì)醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的一個(gè)重大進(jìn)展是人類(lèi)基因組計(jì)劃的實(shí)施和完成。從發(fā)現(xiàn)癌基因開(kāi)始，人們逐漸認(rèn)識(shí)到人類(lèi)可能發(fā)生的疾病都與基因直接和間接的有關(guān)。至今對(duì)癌癥產(chǎn)生的起因、過(guò)程和治療仍處于一種只知其一、不知其二的似懂非懂階段。很多生命現(xiàn)象尚不清楚。研制基因藥物的思路是在發(fā)現(xiàn)基因變異的基礎(chǔ)上，利用向細(xì)胞釋放DNA片段的方法，來(lái)修復(fù)或替代基因有缺損的部分，從而達(dá)到治療的效果。對(duì)這一領(lǐng)域，目前世界各國(guó)在進(jìn)行人類(lèi)基因組計(jì)劃的同時(shí)均已開(kāi)始研究，預(yù)期該領(lǐng)域?qū)⒊蔀樗幬镅芯康那把睾托聼狳c(diǎn)。2．酶抑制劑的研究和開(kāi)發(fā) 酶是一種生物催化劑，體內(nèi)所有化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。例如，血液中膽固醇過(guò)多是產(chǎn)生心血管病的危險(xiǎn)因子之一，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生膽固醇是肝臟中3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A (HMGCoA)還原酶起重要作用。因此HMGCoA酶抑制劑有抑制膽固醇的生成、治療高膽固醇引起的動(dòng)脈粥樣硬化癥的潛在藥理作用。 如前所述，血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(ACE)抑制劑是治療高血壓的有效藥物，如美國(guó)Merck制藥公司的依那普利(Enalapril)，瑞士Ciba-Geigy公司的苯那普利(Benazepril)等都是研究酶抑制劑而開(kāi)發(fā)成功的血心管病的有效藥物。ACE酶抑制劑目前上市的有17種之多，年銷(xiāo)售額達(dá)60億美元。因此研究酶抑制劑是藥物開(kāi)發(fā)的重要趨勢(shì)之一，與人體不同功能有關(guān)的酶抑制劑將不斷問(wèn)世。尋找一種酶的抑制劑并不困難，難的是要求它能夠有效地選擇性很高地作用于靶酶的特定部位。這就要使抑制劑分子的結(jié)構(gòu)與結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)在空間上匹配，在結(jié)合強(qiáng)度上合適。為此就要從分離各種酶的亞型，測(cè)定其空間結(jié)構(gòu)，然后對(duì)酶抑制劑進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著酶分子結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展，以及計(jì)算機(jī)分子設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，這種研究將有更快發(fā)展。3．受體拮抗劑或阻斷劑 受體是對(duì)底物有特異性結(jié)合能力的蛋白質(zhì)。內(nèi)源性的激素或神經(jīng)遞質(zhì)在極低濃度下就能和有關(guān)受體相互作用，生成可逆性復(fù)合物，啟動(dòng)功能性變化，如開(kāi)啟離子通道或激活有關(guān)的酶，最終導(dǎo)致生理變化。若藥物作用于某受體，與受體結(jié)合，但并不能產(chǎn)生生理作用，反而阻礙了激素、遞質(zhì)等物質(zhì)與受體結(jié)合。這種物質(zhì)稱(chēng)為拮抗劑或阻斷劑。許多藥物是受體的拮抗劑，如組胺通過(guò)結(jié)合到稱(chēng)為H1的受體上，促成變態(tài)性反應(yīng)，并通過(guò)活化所謂的H2受體，促使胃酸分泌。去甲腎上腺素是腎上腺素類(lèi)的神經(jīng)系統(tǒng)化學(xué)信息物。已經(jīng)證明它結(jié)合于至少4種亞型的受體上，通過(guò)不同的途徑促成各種類(lèi)型的生物學(xué)反應(yīng)。它們對(duì)心血管病、癌癥、中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂、內(nèi)分泌失調(diào)等疾病具有很好的治療作用，這是一類(lèi)很有發(fā)展前景的藥物。 與酶抑制劑相同，要對(duì)各受體亞型做結(jié)構(gòu)研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)拮抗劑或阻斷劑。4．手性藥物自1992年美國(guó)FDA發(fā)布了手性藥物指導(dǎo)性原則后，直接開(kāi)發(fā)單對(duì)映體藥物的比例已越來(lái)越高。1990年世界范圍新批準(zhǔn)上市的47種新藥中手性藥物僅有26種(占55％)；1995年39種新藥中有23種手性藥物(占59％)。1996年51種新藥中有29種手性藥物(占57％)。總體發(fā)展趨勢(shì)是手性藥物越來(lái)越多。因此21世紀(jì)的新藥創(chuàng)制中，手性藥物將占主導(dǎo)地位。5．常見(jiàn)病和多發(fā)病治療藥物的研制 在人類(lèi)的眾多疾病中有一些常見(jiàn)和多發(fā)的疾病，特別是慢性疾病。如神經(jīng)系統(tǒng)的帕金森病、早老性癡呆癥、中風(fēng)、精神分裂癥、癲癇等，據(jù)報(bào)導(dǎo)美國(guó)有5000萬(wàn)患者，每年在醫(yī)療保健方面的費(fèi)用多達(dá)3050億美元。腸胃道疾病胃潰瘍、十二指腸潰瘍等，僅奧美拉唑一種藥，1997年世界銷(xiāo)售額就為29億美元。糖尿病在美國(guó)的患者達(dá)1000萬(wàn)人，而且還以每年6％的速度遞增。心血管病、病毒感染、骨質(zhì)疏松、關(guān)節(jié)炎等疾病，都屬常見(jiàn)病和多發(fā)病，并難于根治，因此，針對(duì)這些疾病研制的新藥是重點(diǎn)研究對(duì)象，它們一方面具有科學(xué)意義，另一方面亦是商業(yè)驅(qū)動(dòng)的必然結(jié)果。21世紀(jì)將會(huì)更重視防治這些疾病的藥物研究。 6. 中醫(yī)藥現(xiàn)代化 中醫(yī)藥是中華民族智慧結(jié)晶的重要組成部分。其歷史悠久，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富。中藥的現(xiàn)代化和國(guó)際化離不開(kāi)中醫(yī)藥學(xué)的現(xiàn)代化和國(guó)際化，二者結(jié)合將對(duì)形成具有中國(guó)特色的中醫(yī)藥理論起重要作用，也將是中華民族對(duì)世界醫(yī)藥發(fā)展的一大貢獻(xiàn)。中醫(yī)藥現(xiàn)代化的關(guān)鍵包括探明中醫(yī)藥藥效的物質(zhì)基礎(chǔ)，如中藥成分化學(xué)與藥理作用、中藥質(zhì)量控制等。21世紀(jì)是推進(jìn)中醫(yī)藥現(xiàn)代化的很好機(jī)遇。由于我國(guó)在合成藥方面具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的市場(chǎng)暢銷(xiāo)藥物甚少，所以從戰(zhàn)略上考慮，發(fā)展中醫(yī)藥是在醫(yī)藥領(lǐng)域得到自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一條重要途徑。其發(fā)展思路有如下幾點(diǎn)。①中成藥生產(chǎn)的成分與質(zhì)量控制。在中國(guó)藥典中有上百種中成藥，這些中成藥在民間已經(jīng)使用了數(shù)百年，藥效比較肯定，安全系數(shù)比較高。應(yīng)當(dāng)組織研究力量，選擇幾種藥效明顯、又能明確成分和控制質(zhì)量的中成藥，進(jìn)行GLP標(biāo)準(zhǔn)藥理試驗(yàn)，建立GMP生產(chǎn)車(chē)間，實(shí)行現(xiàn)代化生產(chǎn)，并將其推向國(guó)際市場(chǎng)。 ②收集和整理民間藥方。將幾千年累積的中醫(yī)藥寶庫(kù)進(jìn)行現(xiàn)代化醫(yī)藥研究，并用專(zhuān)利保護(hù)其研究成果，以形成我國(guó)自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，醫(yī)藥工業(yè)就不能發(fā)展壯大，也沒(méi)有人敢投入去研究，更無(wú)法形成上百億元銷(xiāo)售額的規(guī)模產(chǎn)業(yè)。 ③充分挖掘中草藥資源。從中草藥中尋找先導(dǎo)化合物，以創(chuàng)制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新藥。這是中草藥現(xiàn)代化的一條出路。 20世紀(jì)中化學(xué)合成藥物有了很大的發(fā)展，但由于從合成的新化合物中篩選藥物的命中率愈來(lái)愈低，成本愈來(lái)愈高，人們又回到了從天然產(chǎn)物中尋找新藥的老路上。我國(guó)的天然資源豐富，理應(yīng)集中力量，加強(qiáng)投入，為迎接21世紀(jì)中醫(yī)藥的大發(fā)展做出貢獻(xiàn)。五、新功能材料 21世紀(jì)被稱(chēng)是高新技術(shù)時(shí)代。信息產(chǎn)業(yè)、航天、生物工程、材料、能源、微電子和光纖等新一代科學(xué)技術(shù)成為現(xiàn)代文明的重要支柱，而其中材料是最根本的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于一種新材料的出現(xiàn)和使用可能導(dǎo)致許多產(chǎn)業(yè)面貌煥然一新。最使人們直接的感受是計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代。眾所周知，最早出臺(tái)的老一代計(jì)算機(jī)是用電子管裝配的，一個(gè)50 m2的房間只能放一臺(tái)計(jì)算機(jī)；80年代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興起，很快就使計(jì)算機(jī)小型化，蘋(píng)果機(jī)、286、386、486、586、P-MMX、PⅡ-166、266、300、450、PⅢ-300、450、500，基本上是一年一個(gè)型號(hào)，這是計(jì)算芯片不斷更新，光刻技術(shù)不斷升級(jí)，使計(jì)算機(jī)越來(lái)越小，計(jì)算速度越來(lái)越快的結(jié)果。因此各種新功能材料的研制和應(yīng)用已成為推動(dòng)高新技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力之一。美國(guó)商業(yè)部預(yù)測(cè)2000年的美國(guó)新技術(shù)市場(chǎng)將達(dá)到3660億美元的銷(xiāo)售額，其中先進(jìn)材料為1500億美元(占42％)。從全世界來(lái)看新技術(shù)市場(chǎng)的銷(xiāo)售額為10000億美元，先進(jìn)材料占44％。從中可看到新材料在高新技術(shù)中所占的份額及其重要性。對(duì)21世紀(jì)新材料產(chǎn)業(yè)，作如下展望。 1．微電子材料和器件 微電子學(xué)的發(fā)展已對(duì)世界工業(yè)革命產(chǎn)生了巨大影響。以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)把世界變得越來(lái)越小，地球上任何一個(gè)地方發(fā)生的事情，傾刻在世界各地傳播。Internet網(wǎng)絡(luò)把世界各地每一個(gè)辦公室聯(lián)系起來(lái)。這都依靠一塊微小的芯片。幾十萬(wàn)個(gè)晶體管或其他部件都可以光刻在2～3 mm見(jiàn)方的硅片上，光刻的細(xì)度可小至0.1 mm，即100 nm。這要依靠光刻膠材料(光敏聚合物的有機(jī)薄膜)和光刻技術(shù)。其技術(shù)涉及到有機(jī)化學(xué)、光化學(xué)、高分子化學(xué)和工程學(xué)。近年來(lái)正在研究和開(kāi)發(fā)的DNA生物芯片是一種三維空間的分子電路元件，其包容密度可比目前的硅芯片高100萬(wàn)倍，其運(yùn)行速度將會(huì)更快。這將又會(huì)引起計(jì)算機(jī)和信息產(chǎn)業(yè)的巨大變革。 2．超導(dǎo)材料 21世紀(jì)超導(dǎo)材料的研究目標(biāo)是室溫超導(dǎo)，這將是能源工業(yè)的一次革命。目前能源消耗在輸送過(guò)程中所占的份額頗大。電阻為零的導(dǎo)線(xiàn)將使電力得以最高效率的傳輸，這對(duì)能源和電子工業(yè)的貢獻(xiàn)將是難以想像的。各種超導(dǎo)原件的出現(xiàn)，將使各行各業(yè)產(chǎn)生新的變革。 3．新型納米陶瓷 其目標(biāo)是解決陶瓷的脆性，并使其成為燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。這對(duì)汽車(chē)工業(yè)、航空和航天工業(yè)和電力工業(yè)將會(huì)引發(fā)一次重大革新。用納米陶瓷做成的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度將比現(xiàn)有合金材料的發(fā)動(dòng)機(jī)提高200～300℃，熱效率提高20％左右。 4．光纖通訊材料 現(xiàn)代信息社會(huì)中通訊聯(lián)系是家喻戶(hù)曉，幾乎人人都要用到它。過(guò)去用銅線(xiàn)聯(lián)結(jié)的電話(huà)電訊已經(jīng)不能滿(mǎn)足城市通訊的需要，近年來(lái)研制成功了光導(dǎo)纖維，利用透明的光纖傳輸光脈沖信號(hào)進(jìn)行通訊。光速比電子流動(dòng)快得多，加快了通訊的速度；而且光纖可做成直徑約為人頭發(fā)1／10的細(xì)絲，一根光纖電纜可以容納上千個(gè)通道。多通道增加了通訊的容量、提高了效率。另外光纖傳輸?shù)墓鈸p失小，約為0.2 dB／km，因此失真度小，通訊質(zhì)量高。光纜的敷設(shè)使全世界通訊進(jìn)行了一次革新?，F(xiàn)在不僅是電話(huà)電訊用光纖，高清晰電視傳送也用光纖，計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)也是光纖，一根光纜可做多種用途，對(duì)現(xiàn)代信息社會(huì)作出了巨大的貢獻(xiàn)。我國(guó)光纜實(shí)際敷設(shè)量已達(dá)120～150萬(wàn)公里，1998年生產(chǎn)光纖250萬(wàn)公里，光纖通信市場(chǎng)每年以20％速度遞增，光纖通訊產(chǎn)品的銷(xiāo)售額約為200億元／年左右。 目前光纖通訊材料主要用高透明度的二氧化硅材料，可用化學(xué)蒸汽沉積法(CVD)制成純二氧化硅。近年來(lái)還有新的光纖材料，如ZrF4、LaF4和BaF2三元混合體的氟玻璃，其性能優(yōu)于二氧化硅，光損失更小，上萬(wàn)公里光信號(hào)傳輸不需要任何中繼站。當(dāng)然21世紀(jì)將會(huì)推出更多種類(lèi)、更優(yōu)性能的光纖通訊材料。5．聚合物結(jié)構(gòu)材料 過(guò)去鋼鐵是主要的結(jié)構(gòu)材料，造房子、汽車(chē)、架橋等均離不了鋼鐵。主要因?yàn)槠渌牧系膹?qiáng)度和綜合性能不如鋼鐵。但是20世紀(jì)后半葉高強(qiáng)度高分子材料的工業(yè)化生產(chǎn)使其逐步在替代金屬，而成為結(jié)構(gòu)材料。聚(對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺)的比強(qiáng)度已略高于鋼鐵，其強(qiáng)度—質(zhì)量比為鋼鐵的6倍。21世紀(jì)將會(huì)有一批聚合物結(jié)構(gòu)材料替代鋼鐵用于各種不同需要的場(chǎng)合。用聚合物替代鋼鐵作為結(jié)構(gòu)材料已為期不遠(yuǎn)了。 6．醫(yī)用材料 隨著生命科學(xué)研究的不斷深入和開(kāi)拓，人體的奧秘逐漸被人們所了解，模擬和合成與人體生物相容性強(qiáng)的醫(yī)用材料將會(huì)高速發(fā)展。替代骨骼和牙齒并能被人身所接受的新材料會(huì)在臨床使用；替代皮膚的聚氨酯材料可用于植皮，替代血管的高彈性、抗凝血新材料可植人人體……等?？傊梭w器官有如機(jī)器的零配件那樣，可以用合成材料替換。這是新功能材料中的前沿領(lǐng)域。六、日用化學(xué)品和精細(xì)化工 迄今為止，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的1200多萬(wàn)個(gè)化合物各自有其性質(zhì)和功能。在20世紀(jì)人類(lèi)發(fā)展過(guò)程中，很多化合物都被用于人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)方面，農(nóng)輕重、吃穿用、衣食住行無(wú)不緊密地依賴(lài)化學(xué)品，應(yīng)該講化學(xué)對(duì)人類(lèi)社會(huì)和物質(zhì)文明作出了重大貢獻(xiàn)。 精細(xì)化工和日用化學(xué)工業(yè)可以提供人們生活所需要的各種各樣的化學(xué)品。以下按其功能和用途進(jìn)行分類(lèi)。 (1)衣 人們的衣著原料有毛、絲、棉、麻、人造纖維、合成纖維、皮革等，在其制造和紡織過(guò)程中都用了大量的化學(xué)品，如染料、軟化劑、整理劑、洗滌劑、干洗劑、鞣劑、加脂劑、光亮劑、漂白劑……等各種助劑。 (2)食 糧食、酒、飲料、瓜果、蔬菜、肉類(lèi)等，在其種植、飼養(yǎng)、釀造過(guò)程中都用了大量的化學(xué)品，如肥料、農(nóng)藥、發(fā)酵劑、碳酸氣、保鮮劑、飼料添加劑……等。 (3)住 住房、裝修和家庭陳設(shè)晶等材料中，除了天然的木材、沙子、石子外、鋼鐵、水泥、玻璃、陶瓷產(chǎn)品、地毯、空調(diào)機(jī)、燈具、電源、衛(wèi)生用品等也都用了大量的化學(xué)品，如鋼鐵冶煉用的助劑，水泥的不同化學(xué)組分，燒結(jié)陶瓷的二氧化硅、三氧化鋁，制造玻璃的不同配料，地毯的原料，塑料和橡膠制品……等。 (4)行 汽車(chē)、飛機(jī)、火車(chē)、摩托車(chē)、自行車(chē)等交通工具需要鋼鐵、鋁合金、塑料、橡膠、合成纖維、皮革制品……等，以及在整個(gè)制造過(guò)程中所使用的各種助劑均為精細(xì)化工產(chǎn)品。 (5)看 人們生活中所觀(guān)察到的各種文化用品及電視攝像所用的器具和材料，如紙、印刷晶、電視機(jī)、照相機(jī)、膠卷、眼鏡、望遠(yuǎn)鏡等在其制造過(guò)程中均需用大量化學(xué)品。 (6)聽(tīng) 收音機(jī)、隨身聽(tīng)、樂(lè)器、唱片、錄音／錄像帶等用品，是用化學(xué)品為原料制造出來(lái)的，也使用了大量的化學(xué)助劑。 在衣、食、住、行、看、聽(tīng)過(guò)程中所用的各種原料、器具，在其制造過(guò)程中用了上萬(wàn)種助劑，并用高新技術(shù)組合和制造出來(lái)，而每一種助劑均為一個(gè)精細(xì)化工行業(yè)。因此精細(xì)化學(xué)品的品種繁多，技術(shù)復(fù)雜，質(zhì)量要求高。如染料有上千種，用于不同的材料就有不同品種的染料；毛織品的染整劑和絲、棉的不同，用于皮革的更另有品種。因此精細(xì)化工行業(yè)是人類(lèi)日用化學(xué)品中最不起眼和最常用，但亦是技術(shù)要求很高的一類(lèi)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 在本書(shū)第一篇中重點(diǎn)介紹了20世紀(jì)末在化學(xué)各分支學(xué)科以及與化學(xué)交叉的學(xué)科中出現(xiàn)的動(dòng)向。在這一篇中將介紹化學(xué)界對(duì)21世紀(jì)化學(xué)發(fā)展前景的展望。顯然，未來(lái)發(fā)展要有根基，而根基來(lái)自眼前的動(dòng)向。不過(guò)，盡管可以從動(dòng)向談21世紀(jì)的化學(xué)可能在哪些方面突破，我們應(yīng)該在哪些方面努力；但是科學(xué)上的重大突破往往出自不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題。而且科學(xué)是一個(gè)整體，化學(xué)一個(gè)學(xué)科的發(fā)展還受整個(gè)科學(xué)體系發(fā)展的牽制和影響；并且科學(xué)的發(fā)展還由當(dāng)時(shí)技術(shù)條件所決定。因此，我們不可能現(xiàn)在就準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)未來(lái)100年化學(xué)的發(fā)展方向，也不可能制定未來(lái)100年的研究規(guī)劃?？墒?，如果現(xiàn)在不去從現(xiàn)今的動(dòng)向分析未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，那就不知道應(yīng)本著什么思路，掌握什么方向和從何處著手；也就只能簡(jiǎn)單地跟在人家后面，從別人已經(jīng)打開(kāi)的大門(mén)、進(jìn)入別人已經(jīng)開(kāi)拓的領(lǐng)域里去，作些拾遺補(bǔ)缺，填平補(bǔ)齊的工作?，F(xiàn)在擺在我們眼前的，有一個(gè)個(gè)已經(jīng)打開(kāi)大門(mén)的領(lǐng)域，但是也有別人正在試著打開(kāi)還沒(méi)能打開(kāi)的大門(mén)，甚至還有一些問(wèn)題不得其門(mén)而入。我們要爭(zhēng)取比別人更早發(fā)現(xiàn)新的大門(mén)；至少比別人早些打開(kāi)大門(mén)。所以在此次大范圍的討論中，許多化學(xué)家高屋建瓴地探討了通向未來(lái)化學(xué)的門(mén)；提出一些研究方向的建議。這些建議目標(biāo)有寬有窄，有遠(yuǎn)有近；有的僅屬一個(gè)學(xué)科，有的需要與其他學(xué)科交叉融合?？紤]到學(xué)科交叉融合是今后發(fā)展的大勢(shì)，在這里從整個(gè)化學(xué)出發(fā)，探討化學(xué)的整體發(fā)展方向和從其他學(xué)科中抽出的化學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題，并進(jìn)一步闡述這些問(wèn)題中近期研究的重點(diǎn)問(wèn)題。的確，我們只能討論今后較短期間的發(fā)展趨勢(shì)。或許在10—20年后，還有新的發(fā)現(xiàn)、新的技術(shù)和新的問(wèn)題使我們重新考慮發(fā)展方向問(wèn)題。正象趙翼在一首詩(shī)中所說(shuō)的：“滿(mǎn)眼生機(jī)轉(zhuǎn)化鈞，天工人巧日爭(zhēng)新；預(yù)支五百年新意，到了千年又覺(jué)陳”(《甌北集．論詩(shī)》卷28)。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 在人類(lèi)發(fā)展史中，貫穿著一條推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)步的主線(xiàn)，即對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)不斷深化；改造、創(chuàng)造和利用物質(zhì)的能力不斷提高。依靠這兩方面，20世紀(jì)成為人類(lèi)社會(huì)高速發(fā)展的100年。不過(guò)，反思之余人們不得不想到同時(shí)發(fā)生的一個(gè)問(wèn)題，過(guò)去人類(lèi)過(guò)于自信自己的創(chuàng)造力一定能夠無(wú)限地戰(zhàn)勝自然，忽視了自然的和自己創(chuàng)造的物質(zhì)對(duì)人類(lèi)的反作用。只有認(rèn)識(shí)了這種反作用，才能全面地規(guī)劃科技發(fā)展?；仡櫲祟?lèi)認(rèn)識(shí)和利用物質(zhì)的歷史，可以看出認(rèn)識(shí)提高的三個(gè)階段。這三個(gè)階段是決定科技發(fā)展能否與人類(lèi)進(jìn)步同步的三個(gè)組成部分：在第一階段，人類(lèi)活動(dòng)只為滿(mǎn)足生存的基本需要；后來(lái)就進(jìn)一步要求滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的生存質(zhì)量的需要；再后來(lái)，到20世紀(jì)后期才認(rèn)識(shí)到要在保證生存安全的前提下提高生存質(zhì)量。既要保證現(xiàn)今地球上的人，也要保證未來(lái)子孫后代，因此提出了可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略思想?，F(xiàn)在大家都知道可持續(xù)性發(fā)展要依賴(lài)科技進(jìn)步；但也要知道并非一切科技進(jìn)步都支持可持續(xù)性發(fā)展。只有滿(mǎn)足人類(lèi)生存、生存質(zhì)量和生存安全三方面的要求，科技進(jìn)步才能夠成為人類(lèi)不斷進(jìn)步的推動(dòng)力。 從20世紀(jì)初，人類(lèi)就致力于滿(mǎn)足迅速增長(zhǎng)的衣食住行的基本需求。在這方面，化學(xué)所提供的肥料(合成氨，1918年Nobel化學(xué)獎(jiǎng))、合成纖維和其他高分子材料(Staudinger，1953年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)；Ziegler-Natta催化劑，1963年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)；金屬茂化合物催化劑，1973年Nobel化學(xué)獎(jiǎng))、石油化工產(chǎn)品等作出了貢獻(xiàn)。其后為滿(mǎn)足不斷提高生存質(zhì)量的需要，化學(xué)又創(chuàng)造子許多種飼料和肥料的添加劑，食品添加劑，生產(chǎn)了更多、更可口的食物；化學(xué)還創(chuàng)造了許多功能材料，用以制造各種服裝材料、高速交通工具、高效計(jì)算機(jī)和通訊設(shè)備以及生活用具?；瘜W(xué)創(chuàng)造了藥物和診斷方法，使人類(lèi)在20世紀(jì)戰(zhàn)勝和消滅某些疾病，如此等等?？梢哉f(shuō)沒(méi)有化學(xué)品，現(xiàn)代生活便難以想象。有人會(huì)覺(jué)得化學(xué)的貢獻(xiàn)無(wú)非是提供了這些化學(xué)品，但實(shí)際上，每種適用的化學(xué)品的創(chuàng)造、生產(chǎn)和使用，都需要掌握有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系以及對(duì)有關(guān)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。另外，化學(xué)使人們認(rèn)識(shí)了物質(zhì)的變化規(guī)律，成為了解不斷變化中的環(huán)境、生物和人類(lèi)自我的基礎(chǔ)，也成為駕御物質(zhì)世界的基礎(chǔ)。在這方面，化學(xué)更是無(wú)所不在。 化學(xué)的創(chuàng)造力的確給人們營(yíng)造了一個(gè)全新的物質(zhì)環(huán)境。這些成果一度使人們樂(lè)而忘憂(yōu)，先發(fā)達(dá)國(guó)家的人們毫無(wú)顧慮地改變著和影響著自然。但是經(jīng)過(guò)100多年的工業(yè)大發(fā)展之后，人們才漸漸明白了一件事實(shí)：生產(chǎn)和生活上的不當(dāng)會(huì)反過(guò)來(lái)影響人類(lèi)的安全。其中最引人注意的是天然資源的濫采和化學(xué)品的濫用所引起的負(fù)面作用。因此，合理使用化學(xué)品成為20世紀(jì)末提給科學(xué)技術(shù)界極其重要的問(wèn)題。一時(shí)之間合成化學(xué)品被當(dāng)作“定時(shí)炸彈”，或者當(dāng)作污染物的代名詞。 事實(shí)上，任何物質(zhì)和能量以至于生物，對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)都有兩面性。天然化合物也有其兩面性，甚至其中有的毒性非常強(qiáng)。不論化學(xué)創(chuàng)造的新物質(zhì)和自然界原有的物質(zhì)，都要合理使用?；瘜W(xué)能夠幫助人們了解化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)和變化規(guī)律，了解它們兩面性的本質(zhì)，這就是合理使用它們的科學(xué)基礎(chǔ)。化學(xué)也能幫助人們認(rèn)識(shí)自然界發(fā)生的各種化學(xué)過(guò)程，使之能夠正確地使用它們和控制它們。例如，通過(guò)化學(xué)的研究，使人們發(fā)現(xiàn)，破壞臭氧層的是氟里昂之類(lèi)的化學(xué)物質(zhì)。但是，破壞臭氧層的化學(xué)物質(zhì)并非只有氟里昂；而且影響臭氧層的也并非都是化學(xué)品。反而是靠化學(xué)才解決了臭氧層的形成和破壞的機(jī)理，才找到了保護(hù)臭氧層的途徑。Molina，Rowland和Crutzen就是因?yàn)樗麄冊(cè)谘芯看髿鈱踊瘜W(xué)，特別是臭氧層的形成和破壞方面所取得的成果而獲得了1997年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)?；瘜W(xué)不僅對(duì)于解決化學(xué)品濫用問(wèn)題上起到關(guān)鍵作用，而且在處理物理的和生物的危險(xiǎn)因素方面也能夠發(fā)揮主要作用。例如，對(duì)受到放射性、紫外線(xiàn)等輻照的人的處理與治療就是利用螯合清除金屬，或者用自由基清除劑、抑制劑以及細(xì)胞保護(hù)劑等化學(xué)物質(zhì)去阻止對(duì)人體的損傷。 2．20世紀(jì)的化學(xué)在推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)步和科技發(fā)展中起了核心科學(xué)的作用 化學(xué)的研究對(duì)象是物質(zhì)，研究物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律和控制手段。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的人工轉(zhuǎn)化和合成；并且對(duì)生活、生命和生產(chǎn)中的化學(xué)過(guò)程實(shí)現(xiàn)按需調(diào)控。 (1)為人類(lèi)進(jìn)步提供物質(zhì)基礎(chǔ) 進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)開(kāi)始遇到人口增長(zhǎng)、資源匱乏，環(huán)境惡化等問(wèn)題的威脅。不過(guò)在過(guò)去100多年中，化學(xué)以其理論和方法通過(guò)分析、合成和控制化學(xué)過(guò)程等手段，在解決這些問(wèn)題時(shí)起到了核心和基礎(chǔ)作用。 化學(xué)之所以在20世紀(jì)中成為解決人類(lèi)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)的核心科學(xué)，主要有三個(gè)原因。 ①化學(xué)不但能夠大量制造各種自然界已有的物質(zhì)，而且能夠根據(jù)人類(lèi)需要?jiǎng)?chuàng)造出自然界本不存在的物質(zhì)。最初還認(rèn)為生物體內(nèi)的生物物質(zhì)不可能人工制造，但是1928年尿素的合成打破了不能人工合成生物物質(zhì)的思想禁錮，在這以后合成化學(xué)獲得了大發(fā)展。最為突出的成果是模擬天然高分子的合成高分子材料(如合成橡膠、合成纖維和塑料)。它們不但為人類(lèi)吃穿用提供丁大量適用的材料，而且使化學(xué)家能夠在認(rèn)識(shí)聚合反應(yīng)和聚合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的基礎(chǔ)上邁向蛋白質(zhì)、核酸等大分子的合成。這為研究后者的結(jié)構(gòu)—功能關(guān)系打下基礎(chǔ)。目前這些生物大分子的合成已經(jīng)在一定程度上“自動(dòng)化”，并與生物學(xué)中的PCR技術(shù)一起構(gòu)成制造和創(chuàng)造生物大分子的核心技術(shù)。 ②化學(xué)能夠提供組成分析和結(jié)構(gòu)分析手段，使人們能夠在分于層次上認(rèn)識(shí)天然的和合成的物質(zhì)與材料的組成和結(jié)構(gòu)，掌握和解釋結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功能的關(guān)系，并且能夠預(yù)測(cè)某種結(jié)構(gòu)的分子是否可以存在?在什么條件下存在?有了這些基礎(chǔ)，化學(xué)就能針對(duì)需要“裁剪”和設(shè)計(jì)分子。 ③化學(xué)掌握了決定化學(xué)過(guò)程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論，并用于解決生產(chǎn)和生活問(wèn)題；而且能從理論上指導(dǎo)新物質(zhì)(如催化劑)和反應(yīng)新條件(如高壓、高溫、超臨界狀態(tài))的設(shè)計(jì)和創(chuàng)造，從而能夠達(dá)到大自然所不能達(dá)到的目標(biāo)。 (2)在相關(guān)學(xué)科的發(fā)展中起了牽頭作用 ①牽動(dòng)其他學(xué)科向分子層次發(fā)展。在20世紀(jì)，整個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域中出現(xiàn)過(guò)一個(gè)大變化，即所有物質(zhì)科學(xué)都向分子層次發(fā)展。最為明顯的是生物學(xué)。在20世紀(jì)50～60年代，生命科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列在分子層次研究問(wèn)題的新學(xué)科：分子生物學(xué)，分子遺傳學(xué)，分子病理學(xué)，分子免疫學(xué)等等，不一而足。這不是偶然的。從20～30年代起生物小分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)研究(在糖、血紅素、葉綠素、維生素等方面)就多次獲得Nobel化學(xué)獎(jiǎng)，這是有機(jī)化學(xué)向生命科學(xué)逼近的第一步。其后化學(xué)家在研究生物大分子結(jié)構(gòu)上又有了突破，首先是在分離純化方法上為進(jìn)一步研究生物大分子結(jié)構(gòu)作好準(zhǔn)備：如蛋白質(zhì)的結(jié)晶(Sumner等1946年Nobel化學(xué)獎(jiǎng))、層析法分離(Tiselius 1948年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)，Martin等1952年Nobel化學(xué)獎(jiǎng))。新的領(lǐng)域打開(kāi)以后，生物化學(xué)作為化學(xué)的一個(gè)分支成為熱點(diǎn)，吸引了許多研究者，包括化學(xué)家和物理學(xué)家。關(guān)心結(jié)構(gòu)問(wèn)題的化學(xué)家開(kāi)始用研究小分子結(jié)構(gòu)的理論和方法去研究生物大分子的結(jié)構(gòu)，這一力量使生物大分子結(jié)構(gòu)研究從50年代起出現(xiàn)一系列重大突破(Pauling，Sanger，Perutz／Kendrew，Watson／Crick等分別因此獲Nobel獎(jiǎng))。與此同時(shí)，復(fù)雜的活性生物大分子合成也成為攻關(guān)對(duì)象。Woodward因所完成的艱巨復(fù)雜的合成維生素B12的工作獲得了1965年Nobel獎(jiǎng)，是當(dāng)時(shí)有機(jī)合成最高水平的標(biāo)志；但這距離生物大分子合成還有一定距離。不久，由北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所聯(lián)合合成胰島素成功，成為人工合成蛋白質(zhì)的最早成果之一。蛋白質(zhì)(包括酶)和核酸的研究成果不僅使生物化學(xué)迅速獨(dú)立發(fā)展，而且由此誕生了結(jié)構(gòu)生物學(xué)和分子生物學(xué)，引出后來(lái)的圍繞基因的研究?？梢哉f(shuō)20世紀(jì)中期因化學(xué)和生物學(xué)一起攻克遺傳信息分子結(jié)構(gòu)—功能關(guān)系問(wèn)題，才使生命科學(xué)的研究軌跡進(jìn)入以基因組成、結(jié)構(gòu)、功能為核心的新階段?，F(xiàn)在無(wú)論農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)藥學(xué)、優(yōu)生學(xué)無(wú)不想在基因基礎(chǔ)上重新考慮。回顧這100多年，生物學(xué)從描述性科學(xué)發(fā)展成為20世紀(jì)末的前沿學(xué)科，在很大程度上是依靠化學(xué)所提供的理論、概念、方法，甚至試劑和材料。但是，當(dāng)人們隨著世界范圍的大趨勢(shì)在分子生物學(xué)所牽頭的領(lǐng)域中尋找基本化學(xué)問(wèn)題的時(shí)候，必須估計(jì)到在21世紀(jì)的生命科學(xué)中基因之外的研究必將興起，因?yàn)樯锵到y(tǒng)的復(fù)雜性不僅僅在于基因。整個(gè)生命過(guò)程的研究還將更全面的開(kāi)展。實(shí)際上，信號(hào)已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)。Prigogine在非平衡態(tài)熱力學(xué)方面的研究(1977年Nobel化學(xué)獎(jiǎng))、Mitchell在生物能轉(zhuǎn)換方面的研究(1978年Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，特別是Williams提出從系統(tǒng)論的角度研究生命過(guò)程的觀(guān)點(diǎn)至今還沒(méi)有開(kāi)花結(jié)果。 與生物學(xué)一樣，經(jīng)典天文學(xué)與化學(xué)的互動(dòng)在科學(xué)史中起過(guò)極其重要的作用。如氦的發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)和星體光譜的分析，以至原子分子結(jié)構(gòu)理論的建立和發(fā)展，既是化學(xué)的、也是天文學(xué)的重要里程碑。在化學(xué)和天文學(xué)相互促進(jìn)下，天文學(xué)進(jìn)入分子水平，并且從研究天體擴(kuò)展到星際空間，誕生了宇宙化學(xué)。 ②化學(xué)研究帶動(dòng)其他學(xué)科的過(guò)程研究?；瘜W(xué)研究使人們逐漸掌握了物質(zhì)變化的規(guī)律和各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理；也使人們能夠在掌握化學(xué)反應(yīng)的時(shí)空變化規(guī)律的基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)化學(xué)過(guò)程，揭示自然界物質(zhì)變化的本質(zhì)。這方面的研究是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、能源等方面科學(xué)研究的推動(dòng)力。在各個(gè)方面，化學(xué)與其他學(xué)科融合之后分化出許多研究各種化學(xué)過(guò)程的學(xué)科。例如，化學(xué)引用化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)的概念和方法與土壤學(xué)融合，研究土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和遷移規(guī)律，發(fā)展了土壤化學(xué)；同樣，引用化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)概念和方法，研究水體中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和遷移規(guī)律誕生了水化學(xué)。接著，水化學(xué)和土壤化學(xué)又進(jìn)一步在解決水體、土壤中有害物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和遷移問(wèn)題上發(fā)揮其重要作用，成為環(huán)境化學(xué)的基礎(chǔ)。再如，石油之所以從作為燃料發(fā)展到成為化工原料，依賴(lài)許多化學(xué)的基礎(chǔ)研究。從僅僅了解石油的組成和燃燒性質(zhì)的石油化學(xué)到石油加工、以至石油化工的成熟和發(fā)達(dá)，幾乎每一步都需要研究如何控制化學(xué)過(guò)程。由于幾乎每一步都需要催化劑加速和控制反應(yīng)過(guò)程，所以石油化工幾乎與催化化學(xué)和表面化學(xué)同步進(jìn)展。河流和港灣的泥砂淤積過(guò)程從用惰性微粒加惰性流體的物理模型發(fā)展成為活性微粒加活性流體的物理化學(xué)模型；光化學(xué)霧形成和大氣臭氧層消失從單純現(xiàn)象的觀(guān)察、宏觀(guān)測(cè)量以及來(lái)源的尋找，發(fā)展到認(rèn)識(shí)機(jī)理，跟蹤、模擬和控制過(guò)程，如此等等，都是化學(xué)推動(dòng)的結(jié)果?？梢哉f(shuō)，化學(xué)過(guò)程無(wú)所不在。今后還要用化學(xué)研究解決過(guò)程控制的問(wèn)題。例如，所有材料(從天然材料如皮膚、骨、橡膠等到合成材料如塑料、合成纖維等)的老化和降解是極其普遍的自由基參與的氧化過(guò)程，需要用化學(xué)研究過(guò)程的本質(zhì)，設(shè)法阻止和推遲其進(jìn)程。 ③化學(xué)帶動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展。從利用天然材料到創(chuàng)造和利用合成材料是人類(lèi)歷史中的一大關(guān)鍵性進(jìn)步，是化學(xué)發(fā)展的里程碑。從萌芽時(shí)期起，化學(xué)家就積累了不少制備與合成化學(xué)物質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)，而后總結(jié)這些經(jīng)驗(yàn)形成了化學(xué)合成理論和技術(shù)，發(fā)展成為合成化學(xué)。到40年代以后，以模仿生物材料(如橡膠、蠶絲等)為目標(biāo)的高分子合成以及作為它的基礎(chǔ)的聚合反應(yīng)研究蓬勃發(fā)展，成為現(xiàn)代材料科學(xué)建立和發(fā)展的第一步。Ziegler-Natta催化劑是一個(gè)突破(1963年Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，它實(shí)現(xiàn)了定向有規(guī)高分子的合成，是有序結(jié)構(gòu)研究的極其重要的提示。做到控制聚合過(guò)程和聚合物結(jié)構(gòu)就引起了后來(lái)的一系列重要進(jìn)展，其中最為突出的是作為控制條件的催化劑研究。20世紀(jì)早期的材料研究大部分針對(duì)結(jié)構(gòu)材料和基本材料。后來(lái)，功能材料成為熱點(diǎn)，電子、航天、高速運(yùn)輸工具、快速通信等進(jìn)展主要起端于象高純單晶硅、光導(dǎo)纖維、耐極端條件的材料、各種能量轉(zhuǎn)化材料和敏感材料等。在這些無(wú)機(jī)和有機(jī)功能材料研究中，化學(xué)是原始創(chuàng)新的龍頭。只有掌握結(jié)構(gòu)…睦質(zhì)—功能的關(guān)系以及合成和組裝的化學(xué)過(guò)程，才能設(shè)計(jì)合成新的功能材料。半導(dǎo)體、液晶、分子篩等就是突出的例子。目前的智能材料研究方興未艾，從傳感器開(kāi)始，進(jìn)而研究仿生材料、仿生器件、能夠工作的芯片，以及微流體技術(shù)(microfluidic technique)。在這里需要化學(xué)的不僅在于化學(xué)合成所提供的分子和材料，更重要的是依靠化學(xué)弄清工作原理以及功能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。化學(xué)創(chuàng)立了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和形態(tài)的理論、方法和實(shí)驗(yàn)手段，認(rèn)識(shí)了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系和規(guī)律，為設(shè)計(jì)具有各種特殊功能的化學(xué)品提供了有效的方法和手段。 ④化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法學(xué)推動(dòng)其他學(xué)科在分子層次上觀(guān)察和測(cè)定物質(zhì)的變化過(guò)程?；瘜W(xué)不斷研究和建立各種分析和檢測(cè)方法，檢測(cè)物質(zhì)組成、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)的原理、方法和技術(shù)，推動(dòng)了各個(gè)學(xué)科的發(fā)展。例如，20世紀(jì)40年代因?yàn)楣鈱W(xué)分析技術(shù)的發(fā)達(dá)而發(fā)展起來(lái)的有機(jī)試劑的構(gòu)-效關(guān)系研究(如Feigl和Tananaev的開(kāi)拓性工作)，竟然成為20年后推出能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)活細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子濃度變化的試劑的基礎(chǔ)；而且因此造就了圍繞鈣離子的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的研究，開(kāi)拓了以鈣離子為主要角色的細(xì)胞乃至整體的調(diào)控系統(tǒng)的新研究領(lǐng)域。這已成為生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力，推出了一系列以調(diào)控鈣離子濃度為基礎(chǔ)的藥物。實(shí)際上，新測(cè)試原理和新測(cè)試技術(shù)往往是打開(kāi)新領(lǐng)域的鑰匙。例如，開(kāi)始時(shí)環(huán)境檢測(cè)不過(guò)是分析化學(xué)的應(yīng)用，后來(lái)發(fā)展到基于熱力學(xué)平衡的形態(tài)分布(speclatlon)分析和理論估計(jì)。而后，又針對(duì)環(huán)境的開(kāi)放系統(tǒng)不可能建立和維持平衡的特征，進(jìn)一步研究建立動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法與計(jì)算機(jī)估算和模擬形態(tài)變化的方法。3．對(duì)20世紀(jì)宋化學(xué)現(xiàn)狀和地位的不同估計(jì) 沉浸在20世紀(jì)化學(xué)所創(chuàng)造的輝煌之中的化學(xué)家，自信在合成制備新分子、新材料、控制反應(yīng)過(guò)程以及獲取物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)信息和結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功效關(guān)系方面有無(wú)限的潛力。但是，就在化學(xué)家繼續(xù)抱著創(chuàng)造新物質(zhì)、新材料為人類(lèi)生存和生存質(zhì)量的提高作出新的貢獻(xiàn)的時(shí)候，他們卻感覺(jué)到化學(xué)的作用和地位似乎被淡化了；似乎化學(xué)從認(rèn)識(shí)、控制和改變客觀(guān)世界的核心科學(xué)以及引導(dǎo)其他學(xué)科前進(jìn)的牽頭學(xué)科退后了。這里有客觀(guān)和主觀(guān)兩方面的原因。 從客觀(guān)上講，首先是化學(xué)學(xué)科和技術(shù)的進(jìn)步使一部分化學(xué)研究方法自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)化。各種合成儀和分析用、結(jié)構(gòu)測(cè)定用的儀器以及各種計(jì)算機(jī)軟件的出現(xiàn)，使人誤認(rèn)為分析與合成化學(xué)這兩大手段已經(jīng)不是科學(xué)而是技術(shù)了。其次，19世紀(jì)末、20世紀(jì)初物質(zhì)科學(xué)的一系列研究成果(從1900年發(fā)表量子理論起)決定了的物質(zhì)科學(xué)的大方向和基礎(chǔ)理論研究的主流——尋求物質(zhì)世界的微觀(guān)、基本、統(tǒng)一解。使物理學(xué)成為20世紀(jì)前期的帶頭學(xué)科，也使化學(xué)研究的理論、觀(guān)點(diǎn)和方法趨于物理化，期望在量子化學(xué)基礎(chǔ)上尋求所有化學(xué)過(guò)程的統(tǒng)一理論。其后，生物科學(xué)從化學(xué)獲取關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)關(guān)系的概念和研究方法，在分子層次突破后有了兩大進(jìn)展：一是進(jìn)入基因?yàn)橹行牡难芯款I(lǐng)域，二是從原來(lái)研究生物和生物分子變成創(chuàng)造新生物和新生物分子的科學(xué)。眾所周知，在科學(xué)的歷史中，創(chuàng)造決定進(jìn)步。因此20世紀(jì)后期的生物科學(xué)理所當(dāng)然地成為帶頭學(xué)科。這時(shí)化學(xué)的一部分分化成為生物化學(xué)，而化學(xué)沒(méi)有抓住時(shí)機(jī)推動(dòng)生命體系中的研究而有所突破。還有一個(gè)客觀(guān)原因是在創(chuàng)造新的肥料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、材料方面以及解決工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境中的問(wèn)題時(shí)，化學(xué)研究的原理、機(jī)理和方法，處于上游。必須經(jīng)過(guò)其他科學(xué)技術(shù)才能轉(zhuǎn)化為可資利用的物質(zhì)和可運(yùn)作的方法。從功能分子到功能材料，從有藥理作用的分子到臨床可用的藥物，從具有某些光、電、磁性質(zhì)的化合物到功能材料，都還需要一段開(kāi)發(fā)性的研究。以往化學(xué)不去做這方面研究，需要材料學(xué)、藥學(xué)去研究，它們處于下游，由它們推出實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品。近年來(lái)，人們才感到?jīng)]有化學(xué)研究做墓礎(chǔ)，這一段工作也不能很好的完成。例如，把有藥理作用的化合物變成制劑，需要化學(xué)去研究諸如制劑的高級(jí)結(jié)構(gòu)與制劑的穩(wěn)定性和活性的關(guān)系，有效成分的釋放動(dòng)力學(xué)和代謝動(dòng)力學(xué)等等。 從主觀(guān)原因看，首先是迄今為止化學(xué)研究的主流仍以創(chuàng)造新分子、新材料為目標(biāo)；因而過(guò)多地注意建立新合成方法和獲得新型結(jié)構(gòu)，而不夠重視分子的功能研究?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，材料的功能并不只由分子的結(jié)構(gòu)決定，在很大程度上是由這些功能分子組裝起來(lái)的高級(jí)結(jié)構(gòu)決定。而高級(jí)結(jié)構(gòu)又由構(gòu)筑它的單元分子和構(gòu)筑條件決定。唯有化學(xué)參與這些問(wèn)題的研究，找到設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)受控組裝的方法，才能擺脫偶然性，有目的地產(chǎn)生功能材料。另外，受大趨勢(shì)影響，20世紀(jì)的化學(xué)理論重點(diǎn)由宏觀(guān)轉(zhuǎn)向微觀(guān)。過(guò)多重視細(xì)微的結(jié)構(gòu)的本質(zhì)的微觀(guān)研究，很少注意快速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)對(duì)化學(xué)理論、觀(guān)點(diǎn)和方法提出的大量新問(wèn)題。使化學(xué)理論研究沒(méi)能跟上需要。上述原因都是國(guó)際性的。不過(guò)，在我國(guó)還有另一些原因。一是化學(xué)工業(yè)不夠發(fā)達(dá)，創(chuàng)造有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品的意識(shí)不夠強(qiáng)；二是在學(xué)科交叉融合中，化學(xué)先是沒(méi)有抓住機(jī)會(huì)，其后又沒(méi)有能夠找到起主導(dǎo)作用的研究方向和領(lǐng)域；第三，化學(xué)作為精細(xì)學(xué)科，在研究生物、環(huán)境、材料等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題時(shí)缺少必要的想象力。 不過(guò)現(xiàn)在正蘊(yùn)釀著化學(xué)學(xué)科走出這種狀態(tài)的契機(jī)：化學(xué)已經(jīng)在理論和方法上有了極為豐富的成果積累(如結(jié)構(gòu)研究、過(guò)程研究等)；生物和材料等學(xué)科也已與化學(xué)在大量問(wèn)題上相遇，化學(xué)家開(kāi)始發(fā)現(xiàn)其中的化學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題，而相關(guān)學(xué)科的科學(xué)家也意識(shí)到了需要解決的化學(xué)問(wèn)題；可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略向化學(xué)科學(xué)提出了大量化學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題；國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需求和化學(xué)學(xué)科自身發(fā)展的需求已經(jīng)結(jié)合成為推動(dòng)21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的動(dòng)力。二、未來(lái)化學(xué)的作用和地位 未來(lái)化學(xué)在人類(lèi)生存、生存質(zhì)量和安全方面將以新的思路、觀(guān)念和方式發(fā)揮核心科學(xué)的作用。應(yīng)該說(shuō)，20世紀(jì)的化學(xué)科學(xué)在保證人們衣食住行需求、提高人民生活水平和健康狀態(tài)等方面起了重大作用。展望未來(lái)，人口、環(huán)境、資源、能源問(wèn)題更趨嚴(yán)重，人類(lèi)的生存會(huì)不會(huì)成問(wèn)題，生存質(zhì)量是會(huì)再提高，還是要下降?雖然這些難題的解決要依賴(lài)各個(gè)學(xué)科，但是無(wú)論如何總是要依靠物質(zhì)基礎(chǔ)。那就要優(yōu)化資源利用、更有效地控制自然的和人為的過(guò)程、提供更有效、更安全的化學(xué)品等等。在這些方面未來(lái)化學(xué)將仍然是提供解決人類(lèi)賴(lài)以進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)這一難題的核心科學(xué)。1．化學(xué)仍是解決食物短缺問(wèn)題的主要學(xué)科之一 食物問(wèn)題是涉及人類(lèi)生存和生存質(zhì)量的最大問(wèn)題。以我國(guó)人口來(lái)說(shuō)，預(yù)期在本世紀(jì)上半葉將達(dá)到16億。今后任務(wù)的嚴(yán)重性在于：既要增加食物產(chǎn)量保證人類(lèi)生存；又要保證質(zhì)量以保證人類(lèi)安全；還要保護(hù)耕地草原，改善農(nóng)牧業(yè)生態(tài)環(huán)境，以保持農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展；生物學(xué)將在提供優(yōu)良物種、提供轉(zhuǎn)基因生物等方面作出貢獻(xiàn)。但是這一切必須得到化學(xué)的支撐。化學(xué)將在設(shè)計(jì)、合成功能分子和結(jié)構(gòu)材料以及從分子層次闡明和控制生物過(guò)程(如光合作用、動(dòng)植物生長(zhǎng))的機(jī)理等方面，為研究開(kāi)發(fā)高效安全肥料、飼料和肥料飼料添加劑、農(nóng)藥、農(nóng)用材料(如生物可降解的農(nóng)用薄膜)、環(huán)境友好的生物肥料、生物農(nóng)藥等打下基礎(chǔ)。 再進(jìn)一步看，未來(lái)的食品將不只滿(mǎn)足人類(lèi)生存的需要，還要在提高人類(lèi)生存質(zhì)量、提高健康水平和身體素質(zhì)方面起作用。因此將從僅僅維持生命到加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)，并將進(jìn)一步要求能發(fā)揮預(yù)防疾病的作用。已經(jīng)看到利用食品保健是大勢(shì)所趨，不能因目前保健食品的泛濫無(wú)度和虛夸不實(shí)而忽視這一趨勢(shì)。除確定可食性動(dòng)植物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外、用化學(xué)方法研究有預(yù)防性藥理作用的成分，包括無(wú)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值但有活性的成分，顯然是重要的。利用化學(xué)和生物的方法增加動(dòng)植物食品的防病有效成分，提供安全有疾病預(yù)防作用的食物和食物添加劑(特別是抗氧化劑)，改進(jìn)食品儲(chǔ)存加工方法，以減少不安全因素，保持有益成分等，都是化學(xué)研究的重要內(nèi)容。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 經(jīng)過(guò)20世紀(jì)竭澤而漁的開(kāi)采以后，人們開(kāi)始醒悟到能源的開(kāi)采和利用必須基于國(guó)情，貫徹可持續(xù)性發(fā)展的原則。雖然在21世紀(jì)初期，我國(guó)重點(diǎn)能源仍然為煤炭(包括煤層氣轉(zhuǎn)化)、天然氣和石油等化石能源。但上述這些不可再生的能源將在100年后變得稀缺，必須提早節(jié)約和保存，并為后代作好利用新能源的準(zhǔn)備。況且它們已經(jīng)成為20世紀(jì)人類(lèi)影響環(huán)境的主要因素。因此，必須建立適合我國(guó)國(guó)情的、有步驟的開(kāi)發(fā)利用能源的計(jì)劃。第一，要研究高效潔凈的轉(zhuǎn)化技術(shù)和控制低品位燃料的化學(xué)反應(yīng)，使之既能保護(hù)環(huán)境又能降低能源的成本。這不僅是化工問(wèn)題，也有基礎(chǔ)化學(xué)問(wèn)題。例如，要解決煤、天然氣、石油的高效潔凈轉(zhuǎn)化，就要研究它們的組成和結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化過(guò)程中的反應(yīng)，研究高效催化劑，以及如何優(yōu)化反應(yīng)條件以控制過(guò)程等等。第二，要開(kāi)發(fā)新能源，新能源必須滿(mǎn)足高效、潔凈、經(jīng)濟(jì)、安全的要求。利用太陽(yáng)能以及新型的高效、潔凈化學(xué)電源與燃料電池都將成為21世紀(jì)的重要能源。除去已經(jīng)有研究基礎(chǔ)和生產(chǎn)經(jīng)歷的上述能源以外，從基本上尋找更新型的能源(例如天然氣水合物)的工作不可忽視。而這些研究大多數(shù)要從化學(xué)基本問(wèn)題作起，研究有關(guān)的理論與技術(shù)。 礦產(chǎn)資源也是不可再生的。如何合理使用同樣事關(guān)重大。例如，稀土是戰(zhàn)略物資。我國(guó)稀土礦物儲(chǔ)量豐富，為世界矚目。但是我們面臨稀土資源的浪費(fèi)：一方面出口原料和粗制品，進(jìn)口產(chǎn)品和精制品；另一方面在國(guó)內(nèi)仍然停留在“粗用”水平，把粗加工的混合稀土加人肥料，大量撒在耕地、林區(qū)中，造成資源浪費(fèi)。保護(hù)稀土礦藏和精細(xì)加工利用勢(shì)所必然。這要靠深入研究稀土的分離和深加工，研究稀土的精細(xì)利用，研究開(kāi)拓各種稀土化合物的特種功能和應(yīng)用等等。在其他礦產(chǎn)資源中，鹽湖資源和土資源等都應(yīng)該做更深的基礎(chǔ)研究，尋找發(fā)揮更高層次的作用。例如，法國(guó)用天然膨潤(rùn)土制作成為藥物(國(guó)內(nèi)商品名思密達(dá))，頓時(shí)身價(jià)百倍。3．化學(xué)繼續(xù)推動(dòng)材料科學(xué)發(fā)展 各種結(jié)構(gòu)材料和功能材料與糧食一樣永遠(yuǎn)是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。在滿(mǎn)足人類(lèi)衣食住行基本需求之后，為提高生存質(zhì)量和安全，為可持續(xù)性發(fā)展，不斷提出新材料的要求。新功能材料研究已經(jīng)是物質(zhì)科學(xué)研究重點(diǎn)，未來(lái)會(huì)更加發(fā)展擴(kuò)大?；瘜W(xué)是新材料的“源泉”。任何功能材料都是以功能分子為基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)具有某種功能的新型結(jié)構(gòu)會(huì)引起重要突破。回顧以往卟啉、茂金屬化合物、冠醚以及后來(lái)的富勒烯的研究都是如此。但還要看到以往功能材料化學(xué)研究的歷史特點(diǎn)，往往新型功能結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是偶然的。但一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，再擴(kuò)展研究，比較有章可循，容易變成為大家爭(zhēng)先恐后(研究)的熱點(diǎn)。于是在高潮之中，不可避免盲目性、重復(fù)性以及低水平工作?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)，今后的研究必須減少盲目性和低水平重復(fù)，要重視通過(guò)總結(jié)結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功能關(guān)系設(shè)計(jì)和尋找新材料。 最初化學(xué)家研究材料主要是用合成-篩選模式尋找功能分子。后來(lái)，利用構(gòu)磁關(guān)系在尋找新藥和新農(nóng)藥方面有了較大的進(jìn)展。基于化合物物理性質(zhì)的定量構(gòu)-效關(guān)系一時(shí)引人人勝，很快量子化學(xué)和分子力學(xué)又借高功能計(jì)算機(jī)進(jìn)入分子設(shè)計(jì)，于是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)一步一步地使分子設(shè)計(jì)更加合理。但是藥物和農(nóng)藥是主要以活性分子的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，設(shè)計(jì)的僅僅是分子的結(jié)構(gòu)。而對(duì)于大多數(shù)功能材料來(lái)說(shuō)，一個(gè)分子即便具有某種性質(zhì)和功能，還不是材料。作為材料必須有三個(gè)層次的結(jié)構(gòu)因素：分子結(jié)構(gòu)決定它有潛在的功能；分子以上的有序結(jié)構(gòu)決定它具有可表現(xiàn)的功能；而構(gòu)筑成的材料的外形決定它具有某種特定的有效的功能。例如，貝殼的基本性質(zhì)由構(gòu)成它的文石(碳酸鈣)和多糖基質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定，但是二者通過(guò)有序組裝構(gòu)成的復(fù)合材料決定了它的基本材料性質(zhì)。而且只有當(dāng)這種材料構(gòu)成一定形狀的殼狀結(jié)構(gòu)時(shí)，它才能起貝殼的作用。同樣是碳酸鈣和多糖基質(zhì)構(gòu)成的蛋殼就因?yàn)橛胁煌M裝方式和不同外形而有不同功能。與之相似，有催化活性的化合物還不是催化劑；有非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)還不是非線(xiàn)性光學(xué)材料。作為材料必須有分子結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)，但是還要重視由功能分子組裝成具有特定功能的材料這重要的一步。過(guò)去的功能材料研究，物理學(xué)和生物學(xué)只重視研究功能，而化學(xué)只做到合成有功能的分子。兩方面都很少考慮材料的結(jié)構(gòu)。從超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、到催化劑載體、藥物控釋載體，都需要從根本上研究材料的結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)可以從分子結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)兩個(gè)層次上研究結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，提出分子設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。除多層次結(jié)構(gòu)決定材料功能以外，還將注意到材料的超微尺度問(wèn)題。超微尺度的化學(xué)包括：超微尺寸的凝聚態(tài)和分散系的特殊行為、以及宏觀(guān)物體中的超微結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。過(guò)去化學(xué)已注意到分散系中的納米級(jí)分散相和細(xì)微分散顆粒的化學(xué)性質(zhì)不同于宏觀(guān)物體。近年來(lái)，物理學(xué)提出的納米尺度介觀(guān)效應(yīng)，并從理論上加以詮釋。超微尺度的化學(xué)會(huì)有更寬的內(nèi)涵。 探求特定結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律和方法，包括合成、組裝和構(gòu)筑是今天一個(gè)廣闊的研究領(lǐng)域。以往合成的材料自然也有高級(jí)結(jié)構(gòu)，不過(guò)那是自發(fā)形成的。如何按照要求設(shè)計(jì)高級(jí)結(jié)構(gòu)?這是要求化學(xué)家們深入探索的問(wèn)題。生物材料具有獨(dú)特的分子組成和高級(jí)結(jié)構(gòu)，因此有獨(dú)特的性能。模仿天然材料的高級(jí)結(jié)構(gòu)是一條目前可以探索的途徑。例如，人們已經(jīng)在模擬沸石結(jié)構(gòu)合成分子篩方面取得很大成就，開(kāi)發(fā)了許多催化劑載體。未來(lái)化學(xué)在研究仿生功能材料中將越來(lái)越重要。值得注意的是，仿生材料研究已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段。如以模擬骨的生物礦物材料為例，首先是模仿組成，如磷灰石生物陶瓷以及磷灰石加膠原蛋白的復(fù)合材料；后來(lái)注意到復(fù)合材料不是混合材料，必須模擬其結(jié)構(gòu)，于是用材料學(xué)方法制備有復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料。直到最近，開(kāi)始意識(shí)到更重要的是模擬生物材料形成過(guò)程。預(yù)期今后生物礦化的模擬會(huì)有所突破。 象酶這樣的生物催化劑也會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。在20世紀(jì)，先只是模擬酶的活性中心。例如，模擬超氧化物歧化酶的活性中心，合成—篩選了許多銅的配合物，但是距離酶的特異性和高效性很遠(yuǎn)。人們意識(shí)到?jīng)Q定酶的全面功能的不僅僅是活性中心，還在于活性中心以外的其他結(jié)構(gòu)部分?？捎糜谏a(chǎn)、生活、醫(yī)療的模擬酶在21世紀(jì)將會(huì)有所突破，而突破是基于構(gòu)筑既有活性中心又有保證活性功能的高級(jí)結(jié)構(gòu)的化合物。 電子—信息技術(shù)將在21世紀(jì)以更快的速度發(fā)展。那就要求化學(xué)家作出更大的努力?；仡?0世紀(jì)電子喵息技術(shù)的發(fā)展歷程，經(jīng)歷了由電子管到半導(dǎo)體、到集成電路、再到大規(guī)模集成電路幾個(gè)階段。在每個(gè)階段中，化學(xué)家創(chuàng)造了必需的材料，諸如早期的單晶硅、半導(dǎo)體材料、光刻膠等以及后期的液晶及其他顯示材料、信號(hào)儲(chǔ)存材料、電致發(fā)光材料、光導(dǎo)材料、光電磁記錄材料、光導(dǎo)纖維材料和技術(shù)等。這些推動(dòng)了電子信號(hào)技術(shù)的發(fā)展。21世紀(jì)電子信息技術(shù)將向更快、更小、功能更強(qiáng)的方向發(fā)展。目前大家正在致力于量子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、分子電路、生物芯片等新技術(shù)，標(biāo)志著進(jìn)入“分子信息技術(shù)”階段。這需要物理學(xué)家提供器件設(shè)計(jì)思路，化學(xué)家則設(shè)計(jì)、合成所需的物質(zhì)和材料?？梢韵胂笪磥?lái)各國(guó)之間信息科學(xué)的領(lǐng)先地位之爭(zhēng)會(huì)異常猛烈。依靠外國(guó)的技術(shù)和材料不可能領(lǐng)先于別人。領(lǐng)先一靠創(chuàng)新思路，二靠實(shí)現(xiàn)新思路的物質(zhì)基礎(chǔ)。有時(shí)并不一定先有思路，后造材料；也可能先發(fā)現(xiàn)獨(dú)特性能的材料，后成思路。所以化學(xué)家應(yīng)該更加主動(dòng)地研究各種與電子信息有關(guān)的材料的性質(zhì)和功能以及與個(gè)層次結(jié)構(gòu)的關(guān)系，特別是物質(zhì)與能的相互作用的化學(xué)特征；進(jìn)一步吸收其他學(xué)科提出的新思路和概念，把化學(xué)理論和概念融合進(jìn)去，創(chuàng)造具有特殊功能的新物質(zhì)和新材料。此外，化學(xué)必須推進(jìn)凝聚態(tài)化學(xué)的研究，如納米科學(xué)技術(shù)、超分子凝聚態(tài)構(gòu)筑、晶體工程等，創(chuàng)造新的聚集態(tài)構(gòu)筑技術(shù)。4．化學(xué)是提高人類(lèi)生存質(zhì)量和生存安全的有效保障 在滿(mǎn)足生存需要之后，不斷提高生存質(zhì)量和生存安全是人類(lèi)進(jìn)步的標(biāo)志。生存質(zhì)量高低和安全程度要看生活水平和健康水平，由飲食、環(huán)境和精神等關(guān)鍵因素的合理程度決定。這些都取決于人與自然環(huán)境相互作用中外來(lái)物質(zhì)和能量是否滿(mǎn)足人體需要，同時(shí)維持最佳狀態(tài)。外來(lái)物質(zhì)和能量(包括飲水、食物、空氣、電磁波、放射性、熱等)有的是有利于生存質(zhì)量的提高，有的反而對(duì)健康形成威脅，還有許多有兩面性。優(yōu)化物質(zhì)利用，避害趨利是保證生存質(zhì)量和安全的基礎(chǔ)。生存質(zhì)量不僅僅以個(gè)人滿(mǎn)足感為依據(jù)，更應(yīng)該考慮人以外的整個(gè)環(huán)境的應(yīng)答。例如過(guò)多的汽車(chē)、空調(diào)、吸煙、不當(dāng)?shù)纳a(chǎn)、生活方式等等都與人類(lèi)生存質(zhì)量有關(guān)。化學(xué)研究可以從三方面對(duì)保證生存質(zhì)量的提高做出貢獻(xiàn)： ①通過(guò)研究各種物質(zhì)和能的生物效應(yīng)(正面的和負(fù)面的)的化學(xué)基礎(chǔ)，特別是搞清楚兩面性的本質(zhì)，找出最佳利用條件； ②研究開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境無(wú)害的化學(xué)品和生活用品，研究對(duì)環(huán)境無(wú)害的生產(chǎn)方式，這兩方面是綠色化學(xué)的兩個(gè)主要內(nèi)容； ③研究大環(huán)境和小環(huán)境(如室內(nèi)環(huán)境)中不利因素的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和與人體的相互作用，提出優(yōu)化環(huán)境建立潔凈生活空間的途徑。 健康是重要的生存質(zhì)量的標(biāo)志。維持健康狀態(tài)靠預(yù)防和治療兩方面，以預(yù)防為主。預(yù)防疾病將是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展的中心任務(wù)。首先是腫瘤、心血管病和腦神經(jīng)退行性病變等一系列疾病，將要在相當(dāng)程度上可以預(yù)防?；瘜W(xué)可以從分子水平了解病理過(guò)程，提出預(yù)警生物標(biāo)志物的檢測(cè)方法，建議預(yù)防途徑。目前已經(jīng)有人研究癌預(yù)防性治療。三、21世紀(jì)化學(xué)科學(xué)發(fā)展的總趨勢(shì) 從21世紀(jì)初期化學(xué)科學(xué)發(fā)展的總趨勢(shì)看，目前化學(xué)研究應(yīng)該把握以下幾個(gè)原則。 1．微觀(guān)與宏觀(guān)相結(jié)合 從20世紀(jì)開(kāi)始，化學(xué)就在迅速發(fā)展的原子物理學(xué)和后來(lái)的量子力學(xué)的推動(dòng)下，致力于從電子層次解釋和預(yù)測(cè)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。由此產(chǎn)生的量子化學(xué)以及關(guān)聯(lián)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。人們以為物質(zhì)世界的一切結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都能在量子力學(xué)基礎(chǔ)上解釋和預(yù)測(cè)。電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)容量的爆炸性增加和計(jì)算能力的大幅度提高，使人們可處理的分子越來(lái)越大，可比較的分子數(shù)目越來(lái)越多。這增強(qiáng)了人們?cè)谶@方面的希望。以微觀(guān)結(jié)構(gòu)研究為基礎(chǔ)的藥物和材料的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成已經(jīng)為研究熱點(diǎn)。但是，現(xiàn)在看來(lái)，由于物質(zhì)世界里的現(xiàn)象既有微觀(guān)的基礎(chǔ)，也有宏觀(guān)的基礎(chǔ)，所以絕對(duì)不應(yīng)該忽視宏觀(guān)化學(xué)研究——化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究。微觀(guān)研究應(yīng)該與宏觀(guān)研究相結(jié)合，這在研究生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等宏觀(guān)系統(tǒng)的問(wèn)題時(shí)尤其重要。不應(yīng)只看到化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的經(jīng)典內(nèi)容，而應(yīng)該看到它們的發(fā)展趨勢(shì)。例如，非平衡態(tài)熱力學(xué)(Prigogine，1977年Nobel獎(jiǎng))的貢獻(xiàn)是教給化學(xué)家一把開(kāi)啟從分子層次洞察生命過(guò)程的鑰匙。迄今還需要更好的理論和方法描述實(shí)際開(kāi)放系統(tǒng)(生物體、河流、大氣等)的時(shí)-空動(dòng)態(tài)變化。盡管在溝通微觀(guān)與宏觀(guān)研究中已經(jīng)取得一些成績(jī)，也建立了一些方法，但是大多數(shù)工作還是微觀(guān)與宏觀(guān)分離。由于解決實(shí)際問(wèn)題的需要，也因?yàn)樵诶碚撋虾头椒ㄉ弦呀?jīng)有了一定的基礎(chǔ)，預(yù)期未來(lái)微觀(guān)與宏觀(guān)將會(huì)更深入更廣泛的結(jié)合。 2．靜態(tài)與動(dòng)態(tài)(過(guò)程)相結(jié)合采取合成—結(jié)構(gòu)表征和測(cè)定的研究模式由來(lái)已久，曾經(jīng)吸引了相當(dāng)多的化學(xué)家從事這類(lèi)工作，為人們留下一大批新的化學(xué)物質(zhì)的資料，也是化學(xué)界的重要財(cái)富。多少年來(lái)，這類(lèi)研究引導(dǎo)人們集中于靜態(tài)結(jié)構(gòu)研究。X-射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)分析的進(jìn)步與普及，促使這類(lèi)研究更為方便快捷，成為化學(xué)一些學(xué)科研究的主流。當(dāng)然，作為研究物質(zhì)化學(xué)變化的科學(xué)，化學(xué)一直重視化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的研究。不過(guò)由于方法和思路的限制，化學(xué)反應(yīng)歷程的早期研究?jī)H限于小分子參與的宏觀(guān)動(dòng)力學(xué)研究，而且只能研究速率較慢的簡(jiǎn)單反應(yīng)。后來(lái)停流技術(shù)(stopped flow technique)加上各種快速檢測(cè)和收集數(shù)據(jù)的手段才使人們有可能研究快速反應(yīng)過(guò)程。近年來(lái)，把微觀(guān)概念引進(jìn)反應(yīng)過(guò)程研究的微觀(guān)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有了重大突破，形成現(xiàn)代化學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)。另外，近年來(lái)單分子操作能夠用來(lái)觀(guān)察分子的動(dòng)態(tài)過(guò)程，計(jì)算機(jī)能夠模擬分子間相互作用的過(guò)程。這些都提示著在不遠(yuǎn)的將來(lái)化學(xué)過(guò)程的微觀(guān)動(dòng)態(tài)跟蹤的可能性。不過(guò)目前還是只能研究簡(jiǎn)單系統(tǒng)，缺少跟蹤研究復(fù)雜過(guò)程的實(shí)驗(yàn)方法和理論解析方法。而生物科學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)所要求化學(xué)解決的大多數(shù)是復(fù)雜系統(tǒng)。將來(lái)的化學(xué)既要能從分子層次解釋靜態(tài)結(jié)構(gòu)和行為的關(guān)系，更需要的是解釋有關(guān)過(guò)程中發(fā)生的事件。例如，極快速生成和轉(zhuǎn)化的氧自由基會(huì)引起合成高分子材料(塑料、橡膠等)的老化，人類(lèi)的活性氧疾病群(白內(nèi)障、腫瘤、心血管病以及各種退行性病變)和衰老的發(fā)生，以及金屬的腐蝕、食品和糧食的氧化性變質(zhì)等緩慢過(guò)程。這些過(guò)程包含從微秒到幾十年、幾百年的極快和極慢的反應(yīng)。3．由復(fù)雜到簡(jiǎn)單，再由簡(jiǎn)單到復(fù)雜 人們現(xiàn)在所遇到的許多實(shí)際問(wèn)題，都涉及周?chē)奈镔|(zhì)世界。物質(zhì)世界的一切表現(xiàn)都是復(fù)雜的、多樣的，而且是多變的。經(jīng)典物質(zhì)科學(xué)(包括化學(xué))研究物質(zhì)世界的最終目的在于尋求簡(jiǎn)單的、普適的、永恒的基本解。他們或者用簡(jiǎn)化的方法、抽象的方法去研究復(fù)雜系統(tǒng)，建立各種模型和概念去解釋實(shí)際生命現(xiàn)象；或者把生物系統(tǒng)拆成個(gè)別生物分子，研究它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系，用微觀(guān)來(lái)解釋宏觀(guān)。經(jīng)典物質(zhì)科學(xué)在認(rèn)識(shí)生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系方面的確取得了重要的成果，而且今后這種研究還要更細(xì)致深入地認(rèn)識(shí)生物現(xiàn)象。但是，近來(lái)大家逐漸意識(shí)到，研究現(xiàn)實(shí)事物必須回到真實(shí)條件中去，即必須研究復(fù)雜系統(tǒng)中的復(fù)雜過(guò)程。具體地說(shuō)，必須把一個(gè)個(gè)分子、一個(gè)個(gè)反應(yīng)放回到實(shí)際環(huán)境條件中，在原來(lái)制約它的條件和關(guān)聯(lián)反應(yīng)存在下去認(rèn)識(shí)。其實(shí)，早在經(jīng)典物理科學(xué)發(fā)展初期，有人就已經(jīng)提出不能把真實(shí)的復(fù)雜系統(tǒng)(如細(xì)胞)簡(jiǎn)單處理，但是限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，無(wú)法進(jìn)行觀(guān)察或?qū)嶒?yàn)。現(xiàn)在不但技術(shù)水平已經(jīng)使人們可以在一定范圍內(nèi)研究復(fù)雜系統(tǒng)，而且系統(tǒng)論、控制論等現(xiàn)代理論也為探索復(fù)雜系統(tǒng)創(chuàng)造了理論基礎(chǔ)。對(duì)于化學(xué)，首先需要建立對(duì)復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法，特別是對(duì)過(guò)程中事件的動(dòng)態(tài)跟蹤；其次，需要分析和模擬多反應(yīng)組合的理論方法。從簡(jiǎn)單到復(fù)雜不是一蹴而就的。目前仍然需要簡(jiǎn)化處理。即便未來(lái)技術(shù)條件再進(jìn)步，理論基礎(chǔ)再深入，簡(jiǎn)化處理方法仍然不可或缺。從復(fù)雜系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，到回歸復(fù)雜性，再抽出個(gè)別問(wèn)題進(jìn)一步做簡(jiǎn)化研究，這將是今后一段時(shí)期內(nèi)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)研究的主要方法。四、未來(lái)化學(xué)研究模式 原始創(chuàng)新是科研的靈魂，但是科學(xué)的創(chuàng)新不可能脫離原有研究基礎(chǔ)。創(chuàng)新也有不同模式和水平。既有思想或思路上的突破，也有方法學(xué)上的革命。思路上的創(chuàng)新有不同模式：或是原有研究思路的延伸和擴(kuò)展，或與原有方向相反，或?yàn)閮煞N思路的銜接和交叉等。方法學(xué)上的革命曾經(jīng)樹(shù)立了許多科學(xué)的里程碑。組合化學(xué)就是反向思路加上方法學(xué)革命(擺脫有單一目標(biāo)的定向合成技術(shù)和各個(gè)化合物分別篩選的方法)的結(jié)果。 普遍認(rèn)為，未來(lái)化學(xué)將在與其他學(xué)科綜合研究中有所突破。這種綜合將會(huì)產(chǎn)生若干新的領(lǐng)域，是未來(lái)科學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn)。 (1)從實(shí)際問(wèn)題中抽出化學(xué)基本問(wèn)題來(lái)研究 研究天、地、生任何物質(zhì)體系的變化規(guī)律都需要化學(xué)的理論和方法。這方面的研究涉及許多化學(xué)現(xiàn)今沒(méi)有探索過(guò)的問(wèn)題和目前化學(xué)還不能解決的問(wèn)題，因此解決這些問(wèn)題都會(huì)反過(guò)來(lái)推動(dòng)化學(xué)發(fā)展?；瘜W(xué)家應(yīng)該積極主動(dòng)地與生命、材料、信息、環(huán)境、資源、農(nóng)業(yè)等科學(xué)交叉、滲透和融合。但要從中抽出化學(xué)基本問(wèn)題來(lái)研究，要發(fā)揮化學(xué)理論和方法的作用，以求在解決問(wèn)題的同時(shí)深化或豐富化學(xué)學(xué)科。 (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) 當(dāng)化學(xué)滲透到其他學(xué)科中去研究一個(gè)問(wèn)題時(shí)，要汲取其他學(xué)科的理論和方法。它們可以豐富和深化化學(xué)的理論和方法，成為蘊(yùn)藏著重要內(nèi)容的生長(zhǎng)點(diǎn)。 (3)與其他學(xué)科融合，開(kāi)拓化學(xué)新領(lǐng)域 上述兩方面還只是學(xué)科交叉。進(jìn)一步如果發(fā)展到由兩個(gè)不同學(xué)科的理論、概念和方法融合產(chǎn)生新的理論、概念和方法，就有可能產(chǎn)生一個(gè)新的研究領(lǐng)域。例如，化學(xué)和生物學(xué)融合產(chǎn)生了生物化學(xué)；分析化學(xué)用于環(huán)境檢測(cè)然后融人環(huán)境科學(xué)之中。化學(xué)結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)的融合產(chǎn)生量子化學(xué)，量子化學(xué)與分子藥理學(xué)又融合成量子藥理學(xué)。今后還會(huì)有這種學(xué)科重組的現(xiàn)象。這既不是化學(xué)被“肢解”，也不是化學(xué)湮滅在其他學(xué)科之中，重要的是化學(xué)家進(jìn)入其他領(lǐng)域后，要找出并且抓住化學(xué)基本問(wèn)題，用化學(xué)理論和方法去研究，不能用其他學(xué)科的理論和方法去做其他學(xué)科本身就能做的工作。(4)把握動(dòng)向和時(shí)機(jī)，提出新的思路和新的研究方向 和其他學(xué)科一樣，化學(xué)科學(xué)的研究總有它的傳統(tǒng)；在一個(gè)時(shí)期有當(dāng)時(shí)的主流和熱點(diǎn)。可是經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)期以后，熱點(diǎn)會(huì)降溫，主流會(huì)讓位于迅速壯大的支流，人們長(zhǎng)期耕耘的傳統(tǒng)學(xué)科或課題會(huì)暫時(shí)老化，變成冷點(diǎn)，變成潛流，等待著新的突破。在繼承與創(chuàng)新之間必須把握動(dòng)向和時(shí)機(jī)，提出新的思路和新的研究方向，同時(shí)必須隨時(shí)調(diào)整研究模式，適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和面臨的新問(wèn)題。例如，藥物研究過(guò)去沿襲20世紀(jì)初開(kāi)始采用的合成+篩選模式。這種模式是在合成化學(xué)與藥理、毒理學(xué)分工下各自研究?；瘜W(xué)家主要從結(jié)構(gòu)出發(fā)去設(shè)計(jì)化合物的分子，不以作用機(jī)理為基礎(chǔ)，所以考慮問(wèn)題不全面，盲目性很大。后來(lái)的研究思路前進(jìn)了一步，根據(jù)結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系研究，總結(jié)設(shè)計(jì)思想，再去設(shè)計(jì)。再后又進(jìn)一步引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了從已知靶點(diǎn)出發(fā)的設(shè)計(jì)-合成-篩選模式。但是無(wú)論如何最初先要有一個(gè)先導(dǎo)化合物，而先導(dǎo)化合物的尋找依然有盲目性。世界各國(guó)近來(lái)之所以如此積極地研究中藥和其他動(dòng)植物來(lái)源的天然化合物，主要是尋找先導(dǎo)化合物。但是，目前的情況又有重要變化。由于對(duì)病理化學(xué)過(guò)程的分子機(jī)理有了比較深入的了解，有可能從干預(yù)病理過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)推測(cè)新的活性化合物。因此產(chǎn)生了在分子機(jī)理基礎(chǔ)上，醫(yī)和藥結(jié)合的病理-藥理-靶點(diǎn)-設(shè)計(jì)-合成-篩選新模式?；瘜W(xué)在這幾個(gè)環(huán)節(jié)中都是研究的基礎(chǔ)。以上僅僅列舉化學(xué)如何推動(dòng)新藥和新農(nóng)藥研究中的模式轉(zhuǎn)變；其他交叉領(lǐng)域中也都有同樣的模式改造問(wèn)題需要化學(xué)來(lái)推動(dòng)。 (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 雖然學(xué)科融合是大勢(shì)所趨，考慮實(shí)際問(wèn)題是基礎(chǔ)研究的源泉，但是也要重視化學(xué)學(xué)科的自身發(fā)展和建設(shè)，研究本學(xué)科的基本問(wèn)題，即純化學(xué)問(wèn)題。當(dāng)然純化學(xué)研究要逐步深化，要發(fā)展化學(xué)科學(xué)的新理論、新方法，只有這樣才能夠解決其他學(xué)科向化學(xué)提出的問(wèn)題。例如，20世紀(jì)末的世界范圍內(nèi)的中藥研究熱以及其中的中藥復(fù)方研究熱，向化學(xué)提出了一個(gè)如何在復(fù)方提取物中分離確定活性成分的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解決基礎(chǔ)是分離、測(cè)定、結(jié)構(gòu)分析三方面的結(jié)合。這三方面分開(kāi)來(lái)研究，已經(jīng)有了一定的手段，但是要想合起來(lái)一次完成從數(shù)百個(gè)極微量成分中找出活性成分，還能確定活性成分的結(jié)構(gòu)，就要研究建立新的方法。五、其他學(xué)科中的基本化學(xué)問(wèn)題 化學(xué)進(jìn)入其他學(xué)科必須“能進(jìn)能出”。即化學(xué)家能夠深入有關(guān)學(xué)科，了解他們的現(xiàn)狀和問(wèn)題，力求與那個(gè)學(xué)科的科學(xué)家有共同語(yǔ)言。但是隨后，必須找到他們有待解決、而化學(xué)能夠解決，并且在解決他們的問(wèn)題的同時(shí)化學(xué)得以突破的問(wèn)題。及時(shí)從那里走出來(lái)，不能采用純粹屬于他們的思路和方法，而應(yīng)采用化學(xué)的理論和方法，或者移植修改他們的變?yōu)榛瘜W(xué)的，或者雜交的理論和方法。因此在其他領(lǐng)域中尋找化學(xué)基本問(wèn)題是極端重要的。1．生命科學(xué)中的基本化學(xué)問(wèn)題 從Fisher(1902 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，Wieland(1927 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，Windaus(1928 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，F(xiàn)ischer／Haworth／Karrer(1930 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，Ruzicka／Butenandt(1939 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，Sumner／Northrop／Stanley(1946 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，Robinson(1947 Nobel獎(jiǎng))，Pauling(1954 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，Todd(1957 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，Sanger(1958 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))，Perutz／Kendrew(1962 Nobel化學(xué)獎(jiǎng))這一連串Nobel化學(xué)獎(jiǎng)的名單(另外還有不少化學(xué)研究在這方面獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，如1923 Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))就可以看出，過(guò)去化學(xué)基礎(chǔ)研究在推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)發(fā)展，提高人類(lèi)健康水平，延長(zhǎng)人類(lèi)壽命所起的關(guān)鍵作用。從這一系列成果還可以看出生物學(xué)和化學(xué)的相互融合、相互推動(dòng)的過(guò)程。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，20世紀(jì)30年代以前，雖然有發(fā)現(xiàn)胰島素(Banting／Macleod，1923 Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))、維生素(E；kman／Hopkins l929 Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))和酶(Warburg l931 Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))的重要成果，但是深入到分子層次，擴(kuò)展到過(guò)程和機(jī)理，則要到30年代末。劃時(shí)代的工作如Szent-Gyorgyi關(guān)于生物氧化(1937 Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))、Dam／Doisy關(guān)于維生素K(1944 Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))和Kendall／Reichstein／Hench關(guān)于腎上腺皮質(zhì)激素的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的工作。它們體現(xiàn)了生命科學(xué)越來(lái)越重視結(jié)構(gòu)、分子機(jī)理和過(guò)程的研究。在20世紀(jì)末生物科學(xué)中發(fā)現(xiàn)的一系列新現(xiàn)象和新自然規(guī)律都提示化學(xué)基本規(guī)律在生物學(xué)中的意義，并且說(shuō)明結(jié)構(gòu)、機(jī)理和過(guò)程三方面化學(xué)研究的重要性。目前，化學(xué)關(guān)于結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的理論和規(guī)律已經(jīng)比20世紀(jì)上半葉完善得多，知識(shí)也積累得多，所以更容易看清事物的本質(zhì)。例如，當(dāng)Furchgott等報(bào)告一氧化氮的生物功能后很快就進(jìn)入機(jī)理研究，而且就因?yàn)镹O和CO的分子結(jié)構(gòu)相似性，有人很快報(bào)告了CO的生物功能?，F(xiàn)今尚未解決的新問(wèn)題如Prion蛋白、細(xì)胞凋亡、疾病自愈、低濃度毒物的刺激作用(hormesis)等等都和化學(xué)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化過(guò)程有關(guān)。預(yù)計(jì)對(duì)生命體系的研究越深入，化學(xué)基本問(wèn)題會(huì)越突出。生命科學(xué)中基本化學(xué)問(wèn)題的研究將成為自然科學(xué)的前沿領(lǐng)域。 生命體系中的基本化學(xué)問(wèn)題是什么?現(xiàn)在需要化學(xué)解決而且化學(xué)能夠解決的問(wèn)題是什么?化學(xué)可以用什么理論和方法去解決?由于個(gè)人背景和研究領(lǐng)域不同，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的看法很不相同。一種看法是要從現(xiàn)代生命科學(xué)的前沿中尋找化學(xué)問(wèn)題。例如研究人類(lèi)基因組計(jì)劃、腦科學(xué)、生物個(gè)體的克隆技術(shù)中的基本化學(xué)問(wèn)題。也有人認(rèn)為化學(xué)主要研究對(duì)象是生物物質(zhì)，所以主要還是研究它們的結(jié)構(gòu)—功能關(guān)系和作用機(jī)理，進(jìn)一步模擬和應(yīng)用它們。還有人認(rèn)為目前化學(xué)研究的生命科學(xué)問(wèn)題還應(yīng)該結(jié)合應(yīng)用目標(biāo)，諸如藥物與靶分子的作用，疾病發(fā)生、發(fā)展的機(jī)理，藥物結(jié)構(gòu)—活性關(guān)系等等，包括研究確定天然藥物的化學(xué)活性成分，創(chuàng)造各種診斷治療預(yù)防藥物和材料。但是歸根到底，這里面的基本化學(xué)問(wèn)題是什么，目前并不十分清楚。生命科學(xué)中的基本化學(xué)問(wèn)題在不同時(shí)期是不同的。但是有一點(diǎn)，即它們應(yīng)該是當(dāng)前研究生命系統(tǒng)屢屢遇到的、各種生物系統(tǒng)所共有的基本問(wèn)題。那么，可以認(rèn)為以下幾個(gè)方面是主要的基本問(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 生物大小分子之間相互作用的規(guī)律是生命過(guò)程，也是生物應(yīng)答的普遍基礎(chǔ)。它們不但普遍存在，而且有共同本質(zhì)和作用規(guī)律。生物應(yīng)答取決于構(gòu)成它的分子應(yīng)答；而分子應(yīng)答實(shí)際上是生物體系與外來(lái)物質(zhì)之間相互作用的化學(xué)過(guò)程。例如，與單電子轉(zhuǎn)移有關(guān)的自由基鏈反應(yīng)是正常的和異常的生物氧化過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它們?cè)趧?dòng)植物和生物分子的氧化性損傷中是共同的基本環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在已經(jīng)積累了相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尚有待深入地從分子層次來(lái)研究。特別是研究其中化學(xué)過(guò)程的機(jī)理和控制規(guī)律，將是解決許多疾病診斷防治、環(huán)境因子對(duì)人和生物的脅迫、提高農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、安全合理利用化學(xué)品和天然物質(zhì)的依據(jù)和途徑。(2)生物功能分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究 有關(guān)這方面的研究結(jié)果都說(shuō)明，生物大分子的功能不僅決定于分子結(jié)構(gòu)，也決定于其特定的高級(jí)結(jié)構(gòu)和所處的特定結(jié)構(gòu)環(huán)境。例如，膜上的功能分子以一定取向、按一定方式組裝在磷脂雙層之中。這是它之所以能夠表現(xiàn)功能的基本條件。這是細(xì)胞以下、分子以上的中間層次的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究?jī)?nèi)容之一。實(shí)際上，生物體結(jié)構(gòu)都是多層次的。從分子結(jié)構(gòu)到分子聚集體結(jié)構(gòu)，再到細(xì)胞結(jié)構(gòu)，然后到組織結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)。所以在結(jié)構(gòu)生物學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)之間需要有一個(gè)生物結(jié)構(gòu)化學(xué)，從多層次結(jié)構(gòu)解釋生物功能的由來(lái)。生物結(jié)構(gòu)化學(xué)不只從多層次研究結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，也研究如何能夠自組裝成所需的高級(jí)結(jié)構(gòu)，以及在生物系統(tǒng)的變化中高級(jí)結(jié)構(gòu)如何變化等等。(3)生命過(guò)程復(fù)雜性的研究 以分子科學(xué)為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展，使人們意識(shí)到運(yùn)用化學(xué)知識(shí)、研究方法和手段來(lái)研究生命體系過(guò)程和再現(xiàn)生命過(guò)程功能，會(huì)成為21世紀(jì)化學(xué)科學(xué)追求的目標(biāo)之一?；瘜W(xué)不同于生物學(xué)，它通過(guò)研究某一過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)及其組合認(rèn)識(shí)生物過(guò)程。生理過(guò)程和病理過(guò)程可以用生物學(xué)事件來(lái)描述，例如細(xì)胞的周期、機(jī)體的免疫作用、一個(gè)疾病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程等等都有它們的化學(xué)基礎(chǔ)。研究某一生物過(guò)程中的化學(xué)過(guò)程可以掌握關(guān)鍵環(huán)節(jié)、調(diào)控途徑、發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志[漏一頁(yè)]不過(guò)在這以后，化學(xué)、物理學(xué)和材料學(xué)都不同程度地忽視了兩個(gè)問(wèn)題。首先是雖然利用的是物理性質(zhì)，但都是由化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的。例如超導(dǎo)材料的超導(dǎo)性質(zhì)不僅僅看材料含有什么元素，而更重要的是這些元素如何構(gòu)筑成材料。因此在人們探索新型超導(dǎo)材料時(shí)要掌握結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)性質(zhì)的關(guān)系。其次，不僅分子要用化學(xué)方法合成，高級(jí)結(jié)構(gòu)也必須通過(guò)化學(xué)過(guò)程來(lái)構(gòu)筑?；瘜W(xué)將在以上兩方面作出貢獻(xiàn)。 應(yīng)該說(shuō)，近年來(lái)化學(xué)家提出的新型“準(zhǔn)材料”不少，高分子電子材料、富勒烯和納米碳管、自組裝單分子層、納米晶體等等，但卻有以下兩個(gè)弱點(diǎn)。 ①缺少基于化學(xué)的設(shè)計(jì)思想。因此，采取大量合成并加大范圍篩選的研究模式。一旦發(fā)現(xiàn)個(gè)別結(jié)構(gòu)，便引起許多人跟蹤研究。結(jié)果命中率低。近來(lái)，引用組合化學(xué)方法大大擴(kuò)大了化合物庫(kù)，如建立組合材料庫(kù)。雖然加快了工作效率，但是缺少根據(jù)功能與結(jié)構(gòu)關(guān)系的深入了解。這種了解必須由化學(xué)和材料學(xué)及物理學(xué)結(jié)合起來(lái)研究。 ②僅僅基于分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，缺少對(duì)于材料高級(jí)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。多數(shù)研究目的定位在功能分子，沒(méi)有考慮什么樣的材料結(jié)構(gòu)才能表現(xiàn)所需的功能。目前正在研究用計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜材料的合成、特性和預(yù)計(jì)理論最佳結(jié)構(gòu)。不過(guò)，沒(méi)有高級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定以及對(duì)于材料結(jié)構(gòu)與功能定量關(guān)系的深入了解，計(jì)算機(jī)就沒(méi)有設(shè)計(jì)依據(jù)。 因此，可以設(shè)想最近的將來(lái)推動(dòng)材料科學(xué)發(fā)展的化學(xué)基本問(wèn)題有以下幾點(diǎn)。 (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 掌握這些關(guān)系(特別是定量關(guān)系)便可以減少盲目性，增加命中率。但是，目前還需要建立測(cè)定高級(jí)結(jié)構(gòu)的方法，研究理化性質(zhì)和功能與高級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系等。為了有效地總結(jié)和運(yùn)用上述關(guān)系，建立功能材料庫(kù)和材料信息系統(tǒng)是非常重要的。(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如何構(gòu)筑成有序的高級(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)新的合成化學(xué)問(wèn)題。或是在合成結(jié)構(gòu)單元的時(shí)候如何使其能夠自組裝成為所需的高級(jí)結(jié)構(gòu)；或是在獲得功能分子之后，再組裝成為材料。 (3)分子器件的研究 分子器件研究要有實(shí)際目標(biāo)，微流體器件即是一種可行的可用的手段。基于芯片的器件也有多種機(jī)會(huì)和可能。 (4)模擬生物材料形成過(guò)程的基礎(chǔ)研究 酶、生物礦物材料(動(dòng)物的內(nèi)外骨骼、某些生物的重力、磁場(chǎng)敏感材料)、生物粘合劑、生物微粒、生物控釋材料等，它們都是大自然設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年演化的結(jié)果，都是在生物體控制和指導(dǎo)下在特定條件下通過(guò)特定過(guò)程合成和組裝的。材料科學(xué)研究仿生材料已有多年歷史，開(kāi)始多從組成上模擬，其后是從結(jié)構(gòu)上模擬，但是由于沒(méi)有模擬生物體內(nèi)材料合成組裝過(guò)程，因此不能產(chǎn)生所需的高級(jí)結(jié)構(gòu)和外形，也就不能有生物材料原有的功能或達(dá)不到生物材料的工作水平。今后，模擬生物材料形成過(guò)程的基礎(chǔ)研究將會(huì)成為熱點(diǎn)。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) 在20世紀(jì)中，由于竭力滿(mǎn)足迅速增長(zhǎng)的人口對(duì)物質(zhì)日益增長(zhǎng)的需求，到世紀(jì)末出現(xiàn)了資源耗竭、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等威脅。因此提出了可持續(xù)性發(fā)展這一人類(lèi)進(jìn)步的基本戰(zhàn)略。它包含保證人類(lèi)(現(xiàn)在的和未來(lái)的)生存、生存質(zhì)量和生存安全三個(gè)方面。所用的物質(zhì)資源和造成損害的環(huán)境物質(zhì)都通過(guò)各自的化學(xué)性質(zhì)而被利用或影響環(huán)境?；瘜W(xué)科學(xué)是研究生態(tài)環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)在各種環(huán)境介質(zhì)中的存在、化學(xué)特性、行為和效應(yīng)及其控制的化學(xué)原理和方法的重要基礎(chǔ)。所以采用化學(xué)手段研究如何合理開(kāi)發(fā)和利用資源，以及如何保護(hù)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的主要手段。其中基本化學(xué)問(wèn)題歸屬于兩個(gè)學(xué)科，即綠色化學(xué)和環(huán)境化學(xué)。它們二者是不可分的。環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)、物理因素和生物物質(zhì)對(duì)人的迫脅和防護(hù)問(wèn)題是兩個(gè)學(xué)科要處理的關(guān)鍵問(wèn)題。綠色化學(xué)是從“源頭”上杜絕不安全因素。其主導(dǎo)思想是在工業(yè)中采用無(wú)毒、無(wú)害的原料和溶劑，新化學(xué)反應(yīng)達(dá)到選擇性高，生產(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品；在農(nóng)業(yè)中減少農(nóng)藥、有害化肥、污水灌溉以及有害于土壤結(jié)構(gòu)和肥力的材料(如塑料)；在生活中，減少使用有害環(huán)境的材料和過(guò)度消耗能源。環(huán)境科學(xué)則要尋找凈化環(huán)境的途徑。首先在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究環(huán)境污染的來(lái)源和治理問(wèn)題，如倫敦的霧就是一例。環(huán)境化學(xué)就是這時(shí)出現(xiàn)的。顯然，治理不如預(yù)防。因此自90年代以來(lái)，綠色化學(xué)逐漸得到普遍關(guān)注。美國(guó)率先在1996年設(shè)立了綠色化學(xué)總統(tǒng)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)，以鼓勵(lì)綠色化學(xué)的研究與發(fā)展。 環(huán)境化學(xué)的基本化學(xué)問(wèn)題在空間和時(shí)間的尺度上不同于一般化學(xué)過(guò)程，而且具有綜合及邊緣交叉的特征。環(huán)境中的基本化學(xué)問(wèn)題研究，不但對(duì)有效地解決環(huán)境問(wèn)題起直接推動(dòng)作用，而且對(duì)經(jīng)典化學(xué)的發(fā)展也會(huì)作出一定貢獻(xiàn)。環(huán)境問(wèn)題既有全球性又有地區(qū)性。因此，既要與國(guó)際同步研究大環(huán)境問(wèn)題，又要研究我國(guó)的重要環(huán)境問(wèn)題。環(huán)境化學(xué)經(jīng)歷過(guò)幾度變化。先是圍繞環(huán)境中有害物質(zhì)的分析測(cè)定進(jìn)行研究。其后重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到環(huán)境中有害物質(zhì)的形成、轉(zhuǎn)歸與物種分析。目前又極其重視環(huán)境生物化學(xué)，即研究人和其他生物對(duì)外來(lái)物質(zhì)和能量(例如紫外線(xiàn)、放射性輻照)作出應(yīng)答的化學(xué)依據(jù)。以這方面的認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)就可以尋找出生物標(biāo)志物，用來(lái)預(yù)報(bào)受影響的程度與階段，也可能提出針對(duì)性預(yù)防方法。目前最引入注意的是研究外來(lái)因素通過(guò)自由基過(guò)程引發(fā)癌形成的過(guò)程，以及此過(guò)程的預(yù)警和階段預(yù)防方法。所以要對(duì)環(huán)境污染的重要化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及偶合效應(yīng)的痕量污染物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與生物活性分析及生物標(biāo)記物進(jìn)行研究。 近年來(lái)，雖然環(huán)境化學(xué)在污染物的種類(lèi)和來(lái)源、污染物在自然環(huán)境中的化學(xué)變化過(guò)程及其產(chǎn)生的化學(xué)生態(tài)效應(yīng)，化學(xué)污染控制和防治等環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方面發(fā)揮了重要作用，但要從源頭上完全解決環(huán)境污染的問(wèn)題，必須尋求綠色化學(xué)的新途徑。綠色化學(xué)又稱(chēng)環(huán)境無(wú)害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、潔凈化學(xué)，即是用化學(xué)的技術(shù)和方法把使用和生產(chǎn)對(duì)人類(lèi)健康和安全、生態(tài)環(huán)境有害的原材料、產(chǎn)物及副產(chǎn)物減少到最低。綠色化學(xué)是貫徹可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)不可分割的部分。在考慮對(duì)環(huán)境無(wú)害的同時(shí)還要考慮資源的合理使用等其他問(wèn)題。目前，其主要內(nèi)容有二： ①改變現(xiàn)有生產(chǎn)的化學(xué)合成路線(xiàn)和工藝路線(xiàn)，使其成為保證人類(lèi)可持續(xù)性發(fā)展、并與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的潔凈、節(jié)能和節(jié)約的生產(chǎn)方式； ②用新的化學(xué)品取代現(xiàn)在使用的有害化學(xué)品，用新的工作方法代替原來(lái)的有害工作方法。 達(dá)到上述目標(biāo)并非簡(jiǎn)單的工藝改革所能做到的。必須從化學(xué)基礎(chǔ)人手。例如，許多生產(chǎn)過(guò)程都包含先高溫后深冷的步驟，解決這個(gè)問(wèn)題的途徑之一是尋求在低溫下轉(zhuǎn)化的反應(yīng)或反應(yīng)條件，比如尋找新催化劑。另外，一個(gè)理想的合成路線(xiàn)是要盡可能使原料中的每一原子進(jìn)入產(chǎn)品，不產(chǎn)生任何廢物和副產(chǎn)品，也不采用有毒、有害的原材料，并生產(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品。為了這個(gè)目的，必須從尋找新合成反應(yīng)和路線(xiàn)開(kāi)始。而新的合成反應(yīng)也不是簡(jiǎn)單的改變路線(xiàn)，應(yīng)該找出基本規(guī)律，尋找解決此類(lèi)問(wèn)題的一般途徑。例如，如何根據(jù)各種催化原理尋找安全無(wú)害的催化劑，如何根據(jù)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的關(guān)系尋找替代物等。六、21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展方向 預(yù)計(jì)21世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)是各學(xué)科縱橫交叉解決實(shí)際問(wèn)題。那么對(duì)于化學(xué)學(xué)科，其自身的繼續(xù)發(fā)展和與相關(guān)學(xué)科融合發(fā)展相結(jié)合；化學(xué)學(xué)科內(nèi)部的傳統(tǒng)分支的繼續(xù)發(fā)展和作為整體發(fā)展相結(jié)合；研究科學(xué)基本問(wèn)題與解決實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合。在本書(shū)第一篇里已經(jīng)總結(jié)提出目前看到的各個(gè)學(xué)科和某些交叉學(xué)科的發(fā)展動(dòng)向。在本篇展望未來(lái)化學(xué)整體發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，先要說(shuō)科學(xué)的發(fā)展常常會(huì)出現(xiàn)預(yù)料不到的突破，但是又有可能從現(xiàn)時(shí)動(dòng)向、從解決正在解決的問(wèn)題的可能性來(lái)分析較近期的發(fā)展展望。例如，在20世紀(jì)初的人們看到了放射性、量子力學(xué)、原子結(jié)構(gòu)的初期模型之后，應(yīng)該可以設(shè)想物質(zhì)科學(xué)向更微觀(guān)方向發(fā)展的趨勢(shì)。但是在發(fā)現(xiàn)病原微生物的時(shí)候，雖然可以看到制服傳染病的途徑(正是因此才開(kāi)始了化學(xué)治療劑研究)，而人們卻還不可能想得到傳染性的Prion蛋白。所以，下面所提出的僅僅是可以預(yù)計(jì)的、有苗頭的趨勢(shì)。1．尋求結(jié)構(gòu)多樣性的研究與功能研究結(jié)合 面對(duì)日益增長(zhǎng)的各種功能分子和材料的需要，合成化學(xué)在研究?jī)?nèi)容、目標(biāo)和思路上也要有較大的改變。合成化學(xué)家心里想的是分子，實(shí)際上是它的結(jié)構(gòu)。先構(gòu)思一系列新型結(jié)構(gòu)，再建立方法去合成。怎樣構(gòu)思?或者單從結(jié)構(gòu)的新穎性和復(fù)雜性；或者為了合成出的結(jié)構(gòu)有某種性質(zhì)和功能。不管什么目標(biāo)，有一點(diǎn)是共同的，那就是：結(jié)構(gòu)是可能穩(wěn)定存在的，合成方法是有一定基礎(chǔ)的。如果為了合成具有某種性質(zhì)的化合物，那還要從結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系方面去設(shè)計(jì)。所以，合成化學(xué)包含合成技術(shù)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出合成技術(shù)。未來(lái)從事合成化學(xué)工作的人要能夠根據(jù)需要和可能去設(shè)計(jì)、合成新結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)末的發(fā)展還說(shuō)明，未來(lái)的合成化學(xué)不僅是研究合成分子的結(jié)構(gòu)，也要研究構(gòu)筑分子以上的高級(jí)結(jié)構(gòu)。那么，就還要了解分子以上層次的化學(xué)理論和方法?？偟膩?lái)說(shuō)，未來(lái)一段時(shí)期，隨著各個(gè)領(lǐng)域?qū)τ诟鞣N功能的分子和材料需要的迅速增加，合成化學(xué)將要開(kāi)拓若干新領(lǐng)域。 (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) 合成化學(xué)既研究傳統(tǒng)的分子合成化學(xué)，也應(yīng)研究高級(jí)結(jié)構(gòu)，特別是高級(jí)有序結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑學(xué)(Tectonics)。高級(jí)結(jié)構(gòu)是以分子間弱相互作用為基礎(chǔ)的。因此，與以合成分子為目的的合成化學(xué)有所不同，高級(jí)結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)單元分子組裝成的，有時(shí)也可能是在合成分子的時(shí)候生成的分子自組裝成的。研究這兩方面的可能性已經(jīng)有一些進(jìn)展。不過(guò)，許多基本規(guī)律尚未解決。例如，怎樣設(shè)計(jì)單元分子結(jié)構(gòu)使它能夠自組裝成所需的高級(jí)結(jié)構(gòu)?怎樣使構(gòu)筑的高級(jí)結(jié)構(gòu)成單一、無(wú)雜結(jié)構(gòu)?怎樣控制生成物的尺度?在這方面應(yīng)該看到，無(wú)機(jī)化合物的合成的發(fā)展前景廣闊。無(wú)機(jī)單一分子可能是簡(jiǎn)單的，但是構(gòu)筑的分子聚集體則是非常復(fù)雜的，非常多樣的。(2)組合化學(xué)研究 組合化學(xué)是基于與傳統(tǒng)合成思路相反的反向思維，加上固相合成技術(shù)，并受生物學(xué)大規(guī)模平行操作(如用96孔板操作)啟發(fā)而產(chǎn)生的。它一開(kāi)始就在篩選藥物方面顯示出潛在力量?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了液相方法，并且推廣到肽和核苷酸以外的有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物。不能把組合化學(xué)僅僅看作是一種技術(shù)，還應(yīng)該看到以它為基礎(chǔ)的生長(zhǎng)點(diǎn)。首先，平行合成要求所用的反應(yīng)能夠在緩和條件下，經(jīng)過(guò)相同步驟，以基本相等的速度合成出摩爾數(shù)大體相等的反應(yīng)產(chǎn)物。所以，誰(shuí)能夠發(fā)現(xiàn)新的適用的反應(yīng)系統(tǒng)，誰(shuí)就能領(lǐng)先一步；其次，組合化學(xué)要求以可更換的分子片(合成子)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行合成反應(yīng)，誰(shuí)能發(fā)現(xiàn)新的可用的分子片，誰(shuí)就又領(lǐng)先一步；再有平行合成要求有平行檢測(cè)配合，在藥物篩選中有生物活性檢測(cè)配合，在材料篩選中有物理性質(zhì)檢測(cè)配合，但是人們必須建立方法用以檢測(cè)化合物結(jié)構(gòu)的，如此等等，就可能打開(kāi)許許多多新的領(lǐng)域。(3)發(fā)現(xiàn)和尋找新合成方法 這是永久課題。最基本的是無(wú)機(jī)物、有機(jī)物和高分子化合物的化學(xué)合成、生物合成以及合成技術(shù)。由于化學(xué)合成的主要目的是提供解決實(shí)際需要的功能分子或功能材料，所以在一定時(shí)期它的發(fā)展方向由各方面決定。目前，除了研究尋找新合成反應(yīng)和方法[包括以一定手性(類(lèi)手性)、對(duì)稱(chēng)性和構(gòu)象為目標(biāo)的反應(yīng)和方法]外，重要的是為可持續(xù)發(fā)展提供新反應(yīng)、新路線(xiàn)，以及現(xiàn)在使用的化學(xué)品的安全替代物。此外，還有基于結(jié)構(gòu)—功能關(guān)系設(shè)計(jì)—合成新功能分子或功能材料；基于分子或合成子組裝的合成、構(gòu)筑高級(jí)結(jié)構(gòu)的研究，其中包括控制大分子纏繞、折疊和有序聚集研究(多層次)；基于模擬生物材料形成過(guò)程的合成方法研究等。 (4)結(jié)構(gòu)化學(xué)與合成化學(xué)結(jié)合 C60是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中偶然發(fā)現(xiàn)的。出自意外必是偶然，在發(fā)現(xiàn)之后，人們又覺(jué)得它的存在是合理的，應(yīng)該可以預(yù)計(jì)的。是否可能在合成化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)結(jié)合處增加合成前的設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)? 2．復(fù)雜化學(xué)體系的研究 目前，數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)以至金融、社會(huì)學(xué)都在研究復(fù)雜性問(wèn)題。他們著重于理論研究，主要目的是建立數(shù)學(xué)或物理模型?；瘜W(xué)界最早涉及復(fù)雜性的研究可以舉出三個(gè)里程碑工作：化學(xué)振蕩的時(shí)空表現(xiàn)的機(jī)理研究；Prigogin非平衡態(tài)熱力學(xué)；Williams提出的解釋生物大分子和細(xì)胞參與的化學(xué)過(guò)程的模型。他們的工作說(shuō)明了一點(diǎn)：化學(xué)過(guò)程的宏觀(guān)與微觀(guān)復(fù)雜性都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)做定量研究，并用化學(xué)理論加以解釋。這包括對(duì)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、過(guò)程和狀態(tài)四個(gè)方面的復(fù)雜性研究。從系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，復(fù)雜性具有多組分、多反應(yīng)和多物種的特征；結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的特征主要是多層次的有序高級(jí)結(jié)構(gòu)；而過(guò)程的復(fù)雜性指復(fù)雜系統(tǒng)參與化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)的過(guò)程，復(fù)雜過(guò)程由時(shí)空有序的受控的一系列事件構(gòu)成；狀態(tài)變化的復(fù)雜性又是過(guò)程復(fù)雜性的表現(xiàn)。這些特點(diǎn)在生物和無(wú)生物系統(tǒng)中廣泛存在，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療、環(huán)境等等領(lǐng)域中也無(wú)處不是，所以研究復(fù)雜系統(tǒng)的化學(xué)過(guò)程有普遍意義。 (1)復(fù)雜系統(tǒng)中的多層次結(jié)構(gòu)研究 化學(xué)要在研究分子層次的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡明分子以上層次的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化的化學(xué)基礎(chǔ)，以及結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的關(guān)系等。分子以上層次的化學(xué)個(gè)體包括：由多個(gè)分子依靠分子間弱相互作用組裝或聚集成的具有有序高級(jí)結(jié)構(gòu)的分子聚集體；要研究分子聚集體是如何通過(guò)弱相互作用構(gòu)筑成高級(jí)有序的結(jié)構(gòu)的；研究低級(jí)結(jié)構(gòu)與高級(jí)結(jié)構(gòu)、內(nèi)結(jié)構(gòu)與外結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與外形的關(guān)系；分子聚集體和凝聚態(tài)以及生物體系的高級(jí)結(jié)構(gòu)形成與功能的關(guān)系。 復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜性不只是具有高級(jí)結(jié)構(gòu)，還在于結(jié)構(gòu)的多層次問(wèn)題。高級(jí)結(jié)構(gòu)和低級(jí)結(jié)構(gòu)相互決定、互相依存。在具有高級(jí)有序結(jié)構(gòu)的物體中發(fā)生的化學(xué)過(guò)程也往往涉及多個(gè)層次。要建立方法去研究各個(gè)層次結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及如何在兩個(gè)層次之間研究化學(xué)行為，如在細(xì)胞內(nèi)外發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及反應(yīng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變化。(2)尺度效應(yīng)和多尺度問(wèn)題 化學(xué)還要注意復(fù)雜系統(tǒng)中的多尺度問(wèn)題。首先要研究尺度效應(yīng)。物理學(xué)從納米材料的研究結(jié)果得到啟發(fā)提出介觀(guān)尺度概念，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)物體分割到納米尺寸時(shí)微粒的性質(zhì)有突變，進(jìn)一步提出量子尺寸效應(yīng)。多少年來(lái)化學(xué)家認(rèn)為性質(zhì)就是由原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)所決定，事實(shí)上，很多事實(shí)早已說(shuō)明化學(xué)性質(zhì)也有尺度效應(yīng)。在化學(xué)性質(zhì)與尺度之間也有一個(gè)飛躍關(guān)系。 (3)復(fù)雜系統(tǒng)過(guò)程問(wèn)題 復(fù)雜系統(tǒng)中的化學(xué)過(guò)程是研究復(fù)雜系統(tǒng)的核心問(wèn)題。因?yàn)槿祟?lèi)所面對(duì)的諸如生命、環(huán)境、甚至山川湖泊等都是在變化中，未來(lái)化學(xué)在突破層次和尺度的同時(shí)，還需要努力研究寬時(shí)間范圍的化學(xué)行為。人們周?chē)淖匀滑F(xiàn)象都不是簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，而是包含多步反應(yīng)的過(guò)程，甚至于幾個(gè)過(guò)程還要進(jìn)一步組合成為更復(fù)雜的過(guò)程，比如自然界的演化。研究復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的過(guò)程，就要研究多層次、多尺度和大時(shí)間跨度的過(guò)程。應(yīng)該研究化學(xué)中的尺度效應(yīng)和多尺度化學(xué)過(guò)程；建立復(fù)雜過(guò)程的跟蹤分析方法(包括動(dòng)態(tài)、原位、實(shí)時(shí)、形態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù))及過(guò)程理論研究(不同層次的過(guò)程)，包括非線(xiàn)性行為等理論問(wèn)題；多反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)解析等。 3．化學(xué)信息學(xué)和高效計(jì)算機(jī)信息處理要加速化學(xué)信息學(xué)研究和化學(xué)信息庫(kù)的建設(shè)。(1)功能分子信息處理 經(jīng)過(guò)200多年的積累，特別是20世紀(jì)后期合成化學(xué)的大發(fā)展，人們積累了大量化合物的信息，包括它們的合成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等等，現(xiàn)在還在以越來(lái)越快的速度合成出新化合物。但許多工作僅為創(chuàng)造新分子或新結(jié)構(gòu)，無(wú)意于它們的實(shí)際用途。也有些雖然考察過(guò)某種性質(zhì)，但是可能當(dāng)時(shí)漏掉了另一重要性質(zhì)。另外，當(dāng)人們總結(jié)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系時(shí)，需要功能表現(xiàn)有差別的一系列有關(guān)化合物的資料，哪怕是沒(méi)有實(shí)際用處的化合物。因此，人們?cè)絹?lái)越需要結(jié)構(gòu)’陛質(zhì)—功能的資料。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累，堆起了一座各種各樣物質(zhì)的信息的“大山”。它是蘊(yùn)藏著大量寶貴的知識(shí)資源，而且這座“大山”還在以極快的速度增高?？墒钱?dāng)人們需要尋找具有某種功能的化合物時(shí)，又去合成各種各樣的化合物以提供篩選。為什么不能從這座寶庫(kù)里尋找具有所需功能的化合物呢?歷史上有很多這種例子。20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的抗癌藥順二氨二氯合鉑是Werner早就合成的，而且也是他提出配位理論的依據(jù)之一。同樣，我國(guó)的中草藥也是個(gè)寶庫(kù)，由中草藥中提取分離并已測(cè)定結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分也在加速度地增加?？茖W(xué)家們?cè)谥铝τ诜蛛x出新化合物的同時(shí)，可不可以從已知的成分中尋找有某種活性的成分呢?應(yīng)該清楚地意識(shí)到從這座信息大山中可以發(fā)現(xiàn)許多有用的物質(zhì)。是重新合成和分離、篩選好，還是從已有的信息中找好，要看信息處理的理論和方法。今天信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)的智能化給人們帶來(lái)從信息大山中快速挖掘功能化合物和解決問(wèn)題的基本數(shù)據(jù)的可能。需要以下的操作系統(tǒng)：(2)與生物銜接的化學(xué)信息學(xué) 在生命科學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)在正處在高潮到來(lái)的前夕，其契機(jī)有二：第一，先是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)庫(kù)用以在計(jì)算機(jī)上對(duì)小分子進(jìn)行對(duì)接篩選，這是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的核心；第二，基因組的測(cè)定和基因庫(kù)的建立是20世紀(jì)生命科學(xué)發(fā)展的里程碑，它給醫(yī)藥學(xué)、農(nóng)牧業(yè)等帶來(lái)新的希望，因此，國(guó)際上普遍重視圍繞基因和基因表達(dá)的信息庫(kù)和信息處理。例如，歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(EMBL)在劍橋設(shè)立了歐洲生物信息學(xué)研究所(EBl)包括生物大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(MSD)、提供人類(lèi)蛋白質(zhì)序列的信息庫(kù)、啟動(dòng)人類(lèi)蛋白質(zhì)組庫(kù)基于DNA-microarray技術(shù)的基因表達(dá)信息庫(kù)，他們還開(kāi)始在基因預(yù)測(cè)和基因組構(gòu)筑方面服務(wù)。在這方面，化學(xué)工作如何起作用?有沒(méi)有需要化學(xué)解決的問(wèn)題?(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) 化學(xué)反應(yīng)以及化學(xué)過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息庫(kù)包括范圍很廣。除去基本化學(xué)反應(yīng)之外還應(yīng)該包括諸如在土壤、大氣、水體、生物體內(nèi)的反應(yīng)資料。比如，環(huán)境物質(zhì)及其反應(yīng)的信息庫(kù)是研究物質(zhì)在環(huán)境中的來(lái)源、去向、停留時(shí)間的基本數(shù)據(jù)?；み^(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬和仿真都需要這些資料。 4．新實(shí)驗(yàn)方法的建立和方法學(xué)研究 測(cè)試和分析是人們獲得各種物質(zhì)的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)信息的必要手段。它滲透到化學(xué)的各個(gè)學(xué)科，并對(duì)環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源、醫(yī)療衛(wèi)生的發(fā)展具有十分重要的作用。從現(xiàn)在學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，研究復(fù)雜體系的結(jié)構(gòu)和變化過(guò)程需要方法。如生命體系和生態(tài)環(huán)境體系在結(jié)構(gòu)上是非常復(fù)雜的，而且結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化也是復(fù)雜的?；瘜W(xué)研究首先要發(fā)展先進(jìn)的研究思路、研究方法以及相關(guān)技術(shù)，以便從各個(gè)層次研究分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變。當(dāng)今國(guó)際上科學(xué)研究的領(lǐng)先權(quán)，在很大程度上取決于研究方法和研究手段的先進(jìn)程度。著名的人類(lèi)基因組計(jì)劃，就是首先重視了方法學(xué)，尤其是DNA高速測(cè)序方法的發(fā)展，才走上了成功之路。在生態(tài)環(huán)境中往往有種類(lèi)繁多、形態(tài)復(fù)雜、性質(zhì)各異、含量極微的化學(xué)物質(zhì)或活性化合物。這些化合物的相互作用錯(cuò)綜復(fù)雜，既有線(xiàn)性變化，也有非線(xiàn)性變化，或介乎于線(xiàn)性與非線(xiàn)性之間的變化；既有化學(xué)變化，也有生物變化。要對(duì)這些微乎其微物質(zhì)的組成和含量進(jìn)行分析和檢測(cè)，要對(duì)其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或形態(tài)、生物活性及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程等進(jìn)行有效和靈敏的追蹤或監(jiān)測(cè)，就必需充分利用并大力發(fā)展現(xiàn)代分析科學(xué)方法和檢測(cè)技術(shù)。為此，應(yīng)該注意建立時(shí)間、空間(能夠分辨作用位點(diǎn)和變化位點(diǎn))的動(dòng)態(tài)、原位、實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)。要發(fā)展研究各層次結(jié)構(gòu)和各個(gè)尺度的物質(zhì)的物理化學(xué)特性的測(cè)試技術(shù)。為了適應(yīng)各種復(fù)雜混合物(如中藥復(fù)方、天然水、食物、生物材料等)成分分析的需要，今后要研究分離-活性檢測(cè)聯(lián)機(jī)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效高選擇性的分離、高靈敏度分析鑒定和結(jié)構(gòu)分析與功能篩選一體化的技術(shù)。為了研究復(fù)雜系統(tǒng)的真實(shí)情況，不能單單靠分析測(cè)定的方法和儀器，必須充分注意總結(jié)和建立新分析原理，特別是建立自己的方法學(xué)。比如，隨著組合合成而來(lái)的問(wèn)題是如何從極少量的含極多組分的混合物中對(duì)它們一一鑒定?這種鑒定還要化學(xué)和生物學(xué)技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量。 化學(xué)分析儀器的小型化、微型化及智能化也是應(yīng)該注意的方向。如今剛剛發(fā)展的微流動(dòng)分析技術(shù)可以與集成電路連接，可以用于活體及活細(xì)胞對(duì)外來(lái)物質(zhì)應(yīng)答的測(cè)定及毒素和細(xì)菌的檢測(cè)。微流動(dòng)分析技術(shù)在快速篩選和生物測(cè)定方面有很大用處，特別是和組合化學(xué)連接起來(lái)。 化學(xué)還應(yīng)該建立方法和儀器去研究微小尺寸復(fù)雜系統(tǒng)中的化學(xué)過(guò)程(如掃描顯微技術(shù))，也要積極引進(jìn)生物學(xué)和物理學(xué)方法為我所用。例如，流式細(xì)胞計(jì)、共聚焦顯微技術(shù)等都可以用來(lái)在細(xì)胞層次上研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。 5．跟蹤、分析、模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 化學(xué)有三個(gè)基本武器：用分析手段測(cè)定物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)；用合成手段制造物質(zhì)；用對(duì)化學(xué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)去控制化學(xué)過(guò)程。在生活、生產(chǎn)、環(huán)境、氣象等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中，化學(xué)過(guò)程隨時(shí)隨地都會(huì)遇到過(guò)程問(wèn)題。化學(xué)反應(yīng)過(guò)程也是人類(lèi)與環(huán)境相互作用的基礎(chǔ)。 應(yīng)該說(shuō)，化學(xué)從來(lái)就注意過(guò)程研究，而且過(guò)程研究是理解和應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)的最重要方面?？墒窃谶^(guò)去，化學(xué)所能夠研究的過(guò)程受實(shí)驗(yàn)方法和理論處理的限制，只能研究速度不太快也不太慢的反應(yīng)過(guò)程。 目前，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人們有可能闡明基元化學(xué)反應(yīng)的全過(guò)程，包括介于反應(yīng)物與生成物之間的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)排列。化學(xué)將會(huì)利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段揭示化學(xué)變化的瞬態(tài)面貌，及時(shí)地觀(guān)察最快的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和其中的各種效應(yīng)，闡明決定化學(xué)反應(yīng)速度的各種因素和各種反應(yīng)機(jī)理。對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論處理能夠在最接近實(shí)際的水平 (態(tài)～態(tài))上考察化學(xué)變化，追蹤分子內(nèi)和分子間的能量轉(zhuǎn)移，最終建立和勾畫(huà)出基元反應(yīng)的真實(shí)歷程。目前正在對(duì)極小分子的簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)的人工調(diào)控進(jìn)行研究，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的人為調(diào)控。這里面包括化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué)的理論和技術(shù)的研究，也應(yīng)結(jié)合實(shí)際問(wèn)題(如催化問(wèn)題)作有關(guān)過(guò)程的機(jī)理和調(diào)控的研究。 但是更多的過(guò)程是相對(duì)慢的過(guò)程，而且在真實(shí)系統(tǒng)和實(shí)際問(wèn)題中可能極快的反應(yīng)和極慢的過(guò)程互為因果或互相牽制。這在生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)中是不可回避的現(xiàn)象。小到細(xì)胞、大到環(huán)境，都會(huì)遇到因?yàn)樗查g的突變(物質(zhì)的和能量的)而引起的極快的反應(yīng)，這些第一批極快的反應(yīng)經(jīng)過(guò)傳遞、放大有可能引起了更多的慢反應(yīng)，反應(yīng)之間的交錯(cuò)構(gòu)成一個(gè)即使在引發(fā)因子早已不存在之后的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行的極慢過(guò)程。建筑與工程、環(huán)境物質(zhì)與能量的相互作用而導(dǎo)致的腐蝕和損壞，也是一個(gè)極慢的過(guò)程；但是其中每分每秒都在進(jìn)行著快反應(yīng)。這些現(xiàn)象中出現(xiàn)的事件都是以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的，以反應(yīng)間的相互作用為基本特征的。隨著人們對(duì)自然科學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷發(fā)展，在揭示化學(xué)事件的產(chǎn)生和相互作用方面正朝著更加接近實(shí)際的方向發(fā)展。來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng) |
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2005-09-16 16:03:31 |
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