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1、2023/1/18,1,化学学科基础与前沿（1）,主要参考：张礼和.化学学科进展M,化学工业出版社，2005梁华定：展望21世纪的化学徐光宪：21世纪理论化学的挑战和机遇,2023/1/18,2,一、20世纪化学的回顾,（一）基础研究的重大突破,2023/1/18,3,诺贝尔化学奖得主 1901年荷兰J.H.vant Hoff研究化学动力学和渗透压的规律 1902年德国E.FischerE.合成糖和嘌呤衍生物 1903年瑞典S.Arrhenius提出电离学说 1904年英国W.Ramsay发现惰性气体 1905年德国A.von Baeyer研究有机染料和芳香族化合物 1906年法国H.Mois
2、san制备单质氟 1907年德国E.Buchner发现非细胞发酵现象 1908年英国E.Rutherford提出放射性元素蜕变理论 1909年德国F.W.Ostwald研究催化、化学平衡、反应速 1910年德国O.Wallach研究脂环族化合物,2023/1/18,4,1911年德国M.CurieM.发现钋和镭 1912年法国V.Grignard发现用镁做有机反应的试剂（被称为格式试剂）法国P.Sabatier研究有机化合物的催化氢化反应 1913年瑞士A.Werner提出配位化学理论 1914年美国T.W.Richards精确测定许多元素的原子量 1915年德国R.Willstater研究植
3、物色素，特别是叶绿素 1916年 未颁奖 1917年 未颁奖 1918年 德国F.Haber发明合成氨法 1919年 未颁奖 1920年德国W.Nerst研究热化学，提出热力学第三定律,2023/1/18,5,1921年英国F.Soddy首次提出同位素概念，并证明了位移定律 1922年英国F.W.Aston发明质谱仪，用它测定非放射性元素的同位素 1923年奥地利F.Pregl发明有机化合物的微量分析法 1924年 未颁奖 1925年奥地利R.Zsigmondy阐明胶体溶液的多相性，创立胶体化学的现代研究方法 1926年瑞典T.Svedlberg发明超离心机，用于研究分散体系 1927年德国H
4、.Wieland研究胆酸组成 1928年德国A.Windaus研究胆固醇的组成及其与维生素的关系 1929年英国A.Harden、瑞典H.von Euler-Chelpin阐明糖的发酵过程以及酶和辅酶的作用 1930年德国H.FischerH.研究血红素和叶绿素，合成血红素,2023/1/18,6,1931年德国C.Bosch、F.Bergius研究化学上应用的高压方法 1932年美国I.Langmuir研究表面化学和吸附理论 1933年 未颁奖 1934年美国H.C.Urey发现重氢 1935年法国F.Joliot-CurieF.I.Joliot-CurieI.人工合成放射性元素 1936年
5、荷兰P.Debye提出偶极矩概念并利用它和X射线衍射法研究分子结构 1937年英国W.Haworth研究碳水化合物和维生素C的结构 瑞士P.Karrer研究类胡萝卜素、核黄素、维生素A和B2的结构 1938年德国R.Kuhn研究类胡萝卜素和维生素 1939年德国A.Butenandt研究性激素 瑞士L.Ruzicka研究聚亚甲基和高级萜烯 1940年 未颁奖,2023/1/18,7,1941年未颁奖 1942年未颁奖 1943年匈牙利G.Hevesy利用同位素示踪法研究化学过程 1944年德国O.Hahn发现重核裂变现象 1945年芬兰A.Virtanen发明饲料贮藏保鲜法 1946年美国J.
6、B.Sumner分离和提纯结晶蛋白质酶 美国L.H.Northrop、W.M.Stanley制备纯净状态的酶和病毒蛋白质 1947年英国R.Robinson研究生物碱 1948年瑞典A.W.K.Tiselius研究电泳和吸附分析，发现血清蛋白的组分 1949年美国W.F.Giauque研究超低温下物质的特 1950年德国O.Diels、K.Alder发现双烯合成反应,2023/1/18,8,1951年美国E.M.McMillan、G.T.Seaborg人工合成超铀元素 1952年英国A.Martin、R.Synge发明分配色谱法 1953年德国 H.Staudinger提出高分子概念 1954
7、年美国L.Pauling 阐明化学键的本质以解释复杂分子结构 1955年美国V.Du Vigneaud 研究生物化学中的重要含硫化合物，合成多肽激素 1956年前苏联N.Semyonov、美国C.Hinshelwood研究气相反应的化学动力学 1957年英国A.R.Todd 研究核苷酸和核苷酸辅酶 1958年英国F.Sanger 测定胰岛素的分子结构 1959年捷克J.Heyrovsky 发明极谱分析法 1960年美国W.F.Libby 发明放射性碳素测年法,2023/1/18,9,1961年美国M.Calvin 研究光合作用的化学过程 1962年英国M.F.Perutz、J.C.Kendre
8、w测定血红蛋白结构 1963年德国K.Ziegler 研究乙烯聚合的催化剂、意大利G.Natta 研究丙烯聚合的催化剂 1964年英国D.C.Hodgkin夫人 测定维生素B12等大分子结构 1965年美国 R.B.Woodward人工合成维生素B12、胆固醇、叶绿素等复杂有机物 1966年美国R.S.Mulliken 创立化学结构分子轨道理论 1967年英国R.G.W.Norrish、G.Porter、德国M.Eigen发明测定快速反应技术 1968年美国L.Onsager 创立不可逆过程的热力学理论 1969年英国D.H.R.Barton、挪威O.Hassel研究有机化合物的三维构象 19
9、70年阿根廷L.F.Leloir 发现糖核苷酸及其在碳水化合物生物合成中的作用,2023/1/18,10,1971年加拿大G.Herzberg 研究分子光谱学，特别是自由基的电子结构和几何结构 1972年美国C.B.Anfinsen、S.Moore、W.H.Stein研究核苷核酸酶的三维结构与功能的关系和蛋白质的折叠链的自然现象 1973年德国E.O.FischerE.O.制备和测定了夹心面包结构的金属有机化合物 1974年美国P.J.Flory 研究长链高分子及高分子的物理性质与结构的关系 1975年英国J.W.Cornforth 研究有机分子和酶催化反应的立体化学 瑞士V.Prelog 从
10、事有机分子及其反应的立体化学研究 1976年美国W.N.Lipscomb 研究硼烷和碳硼烷的结构 1977年比利时I.Prigogine 研究热力学中的耗散结构理论 1978年英国P.D.Mitchell 研究生物系统中的能量转移过程 1979年美国 H.C.Brown在有机合成中利用硼和磷的化合物 德国G.Wittig 发现维蒂希重排反应，提供了新的制烯方法 1980年美国 P.Berg操纵基因重组脱氧核糖核酸分子美国W.Gilbert、英国F.Sanger用化学方法决定脱氧核糖核酸中核苷酸的排列,2023/1/18,11,1981年 日本福井谦一 创立前线轨道理论 美国R.Hoffmann
11、 提出分子轨道对称守恒原则 1982年英国A.Klug 以电子显微镜和X射线衍射法研究核酸-蛋白质复合体 1983年美国H.Taube 研究金属配位化合物的电子转移机理 1984年美国B.Merifield 研究多肽的合成 1985年美国H.A.Hauptman、J.Karle开发了应用X射线衍射法确定物质晶体结构的直接计算法 1986年美国D.R.Herschbach、李远哲、J.C.Polanyi研究交叉分子束方法和化学反应动力学 1987年美国C.Pedersen、法国J.-M.Lehn、美国D.Cram合成能模拟重要生物过程的有机化合物，为超分子化学奠定基础 1988年德国J.Deis
12、enhofer、R.Huber、H.Michel解析了细菌光合作用反应中心的立体结构，阐明了其光合作用进行的机制 1989年美国S.Altman、T.R.Cech发现核糖核酸具有酶的催化功能 1990年美国E.J.Corey 提出有机合成的逆合成分析原理,2023/1/18,12,1991年瑞士R.R.Ernst 发展高分辨核磁共振波谱学方法 1992年美国R.A.Marcus 创立溶液中的电子转移过程理论 1993年美国 K.B.Mullis发明多聚酶链式反应技术 加拿大M.Smith 发明寡聚核苷酸基定点诱变技术 1994年美国 G.A.Olah研究碳正离子化学 1995年德国P.Crut
13、zen、美国M.Molina、F.S.Roweland 阐述对臭氧层厚度产生影响的化学机理，证明化学物质对臭氧层构成破坏作用 1996年英国H.W.Kroto、美国R.F.Curl,Jr.、R.E.Smalley发现富勒烯 1997年美国P.B.Boyer、英国J.E.Walker、丹麦J.C.Skou发现人体细胞内负责储藏转移能量的离子传输酶 1998年奥地利W.Kohn、英国J.Pople提出密度泛函理论，开辟处理复杂多电子体系的新方法 1999年美籍埃及人 A.Zewail利用激光闪烁研究化学反应（飞秒化学）2000年 美国艾伦黑格、日本白川英树、美国艾伦马克迪尔米德电聚合物的发现,20
14、23/1/18,13,1901年开始评选诺贝尔奖，由于战争和其它原因，有8次（1916，1917，1919，1924，1939，1940，1941，1942）没有颁发，实际颁发92届。一些重大研究成果被忽视：元素周期率发现、希有气体化合物的合成，侯氏制碱法，牛胰岛素的合成。,2023/1/18,14,1、放射性和铀裂变的重大发现,1、（波兰）居里夫妇19世纪末到20世纪初发现钋、镭，荣获1903年诺贝尔物理学奖 2、居里夫人测定了镭的原子量，建立了镭的放射性标准，及开拓了应用研究，荣获1911年诺贝尔化学奖3、20世纪初，（英）卢瑟福提出了原子的有核结构模型和放射性元素的衰变理论，研究了人工核
15、反应，荣获1908年诺贝尔化学奖4、（法）约里奥居里夫妇第一次用人工方法创造放射性元素，荣获1935年诺贝尔化学奖5、（美）费米用慢中子轰击各种元素获得了60种新的放射性元素，荣获1938年诺贝尔物理学奖 6、1939年（德）哈恩发现了核裂变荣获1944年诺贝尔化学奖,2023/1/18,15,2、化学键和现代量子化学理论,1、（美）鲍林提出了电负性计算方法和概念，创立了价键学说和杂化轨道理论，荣获1954年诺贝尔化学奖2、（美）莫利肯创立了分子轨道理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构，荣获1966年诺贝尔化学奖3、1952年（日）福井谦一提出了前线轨道理论，1965年（美）伍德沃德和霍夫曼
16、提出了分子轨道对称守恒原理，荣获1981年诺贝尔化学奖4、（美）科恩发展了电子密度泛函理论，波普尔发展了量子化学计算方法，荣获1998年诺贝尔化学奖,2023/1/18,16,3、合成化学的发展（1）,1、1912年（法）格林尼亚发明了格林尼亚试 剂，荣获1912年诺贝尔化学奖2、1928年（德）狄尔斯和阿尔德发现了双烯合成反应，荣获1950年诺贝尔化学奖3、1953年（德）齐格勒和纳塔尔发现了有机金属催化烯烃定向聚合，获1963年诺贝尔化学奖4、合成生物高分子：甾体（A.Windaus 1928年诺贝尔化学奖）、抗坏血酸（W.N.Haworth 1937年诺贝尔化学奖）、生物碱（R.Robi
17、nson 1947年诺贝尔化学奖）、多肽（V.du Vigneand 1955年诺贝尔化学奖）、,2023/1/18,17,3、合成化学发展（2）,合成了奎宁、胆固醇、可的松、叶绿素、利血平等一系列复杂有机分子（R.B.Woodward 荣获1965年诺贝尔化学奖）（VB12、分子轨道对称守恒原理）5、（英）威尔金森，德费歇尔合成了过渡金属二茂夹心化合物，荣获1973年诺贝尔化学奖6、（美）布朗、维蒂希发展了硼有机化合物和发明Wittig反应，荣获1979年诺贝尔化学奖7、（美）梅里菲尔德发明了固相多肽合成法，荣获1984年诺贝尔化学奖8、（美）柯里提出了逆合成分析法，荣获1990年诺贝尔化学
18、奖,2023/1/18,18,4、高分子科学和材料,1、1920年德国施陶丁格提出了高分子概念，创立了高分子链型学说，建立了高分子粘度与分子量的定量关系，荣获1953年诺贝尔化学奖2、1953年（德）齐格勒成功地在常温常压下将乙烯聚合成聚乙烯，1955年（意）纳塔实现了丙烯的定向聚合，荣获1963年诺贝尔化学奖3、1936年弗洛里提出了缩聚反应中所有功能团具有相同的基础原理，建立了分子量与反应程度之间的定量关系公式，荣获1974年诺贝尔化学奖,2023/1/18,19,5、化学动力学与分子反应动态学,1、1956年（苏）谢苗诺夫、（美）欣歇尔伍德在化学反应机理、反应速度和链式反应方面的开创性研
19、究，荣获1956年诺贝尔化学奖2、艾根提出了发生在千分之一秒内的快速反应的方法和技术，波特、洛里升提出和发展了闪光光解法技术用于研究发生在十亿分之一秒内的快速化学反应，荣获1967年诺贝尔化学奖3、（美）李远哲、赫希巴赫、（加）波拉尼，发明了获得各种态信息的交叉束技术，红外线化学发光方法，对微观反应动力学研究作出的贡献，荣获1986年诺贝尔化学奖4、（美）Zewail利用飞秒激光技术研究超快速化学反应和过渡态，荣获1999年诺贝尔化学奖,2023/1/18,20,6、生命科学的重大贡献（1）,20世纪初开始生物小分子（如糖、血红素、叶绿素、维生素等）的化学结构与合成研究就多次获诺贝尔化学奖19
20、55年首次合成多肽激素催产素和加压素，获1955年诺贝尔化学奖；1953年提出了DNA分子双螺旋结构模型，获1962年诺贝尔医学奖；1960年成功地测定了鲸肌红旦白和马血红蛋白的空间结构，获1962年诺贝尔化学奖；1980年DNA分裂和重组研究，DNA测序方法，开创了现代基因工程，获1980年诺贝尔化学奖；,2023/1/18,21,6、生命科学的重大贡献（2）,1982年发明”象重组”技术和揭示病毒和细胞内遗传物质的结构，获1982年诺贝尔化学奖；1984年发明多肽固相合成法，获1984年诺贝尔化学奖；1988年测定细菌光合反应中心膜旦白色素复合体的三维结构，获1988年诺贝尔化学奖；198
21、9年发现核糖核酸酶，获诺贝尔化学奖；1993年发明寡核苷酸定点诱变法和多聚酶链式反应技术（对基因工程的贡献）获1993年诺贝尔化学奖；1997年发现能量分子ATP的形成过程，发现了维持细胞中钠、钾离子的酶，并阐明其作用机理，获1997年诺贝尔化学奖；,2023/1/18,22,（二）化学工业的大发展,2023/1/18,23,1、石油化工20世纪是石油化工大发展的一百年。（1）世界化工总产值为1万亿美元左右，其中80以上的产品与石油化工有关，世界乙烯年生产能力达5000万吨；（2）催化剂已成为石油化工的核心技术（20世纪30年代催化剂进入了石油化工的大门）,2023/1/18,24,2、三大合
22、成材料,全世界年生产能力：合成橡胶1200万吨、合成纤维1500万吨、塑料6000万吨第一个合成纤维尼龙66的发明者Carothers，美国杜邦公司使之工业化；涤纶纤维是1940年英国T.R.Whinfield J.T.Dickson 首先合成，英国卜内门公司使之工业化；第一个合成橡胶由美国J.A.Nieuwland R.T.Collins发明，1931杜邦公司使之工业化；聚乙烯和聚乙烯塑料，1957年由意大利Montecatini公司使之工业化,2023/1/18,25,3、合成氨工业,2011年，世界年产量约2.27亿吨，中国5000万吨。1909年德国哈伯成功地建立了合成氨装置，并取得了
23、专利（条件：锇催化剂、300500atm、500600C,生产能力：80g/h),是20世纪化学工业发展中的一个重大突破,荣获1918年诺贝尔化学奖；德国巴登苯胺纯碱公司购买了专利，由C.Bosch担任领导实施工业化（条件：铁催化剂、150300atm、400500C，*生产能力：45万t/a)C.Bosch荣获1931年诺贝尔化学奖。,2023/1/18,26,4、医药工业,世界年销售量约为3000亿美元，临床有效化学药物2万种，常用药1000种1909年德国艾里希合成了治疗梅毒的特效药胂凡纳明；1932年德国G.Domagk发现磺胺类药百浪多息，荣获1939年诺贝尔生理及医药奖；二战后逐渐
24、由青霉素、四环素、红霉素、氯霉素、头孢霉素等抗生素代替；新药研究转向针对明确了的药物靶分子，1988瑞典Astra公司推出奥美拉唑，1997年销售量约为29亿美元，一举成为世界销售额的第一位。,2023/1/18,27,(三)化学发展的特点与地位,2023/1/18,28,1.20世纪化学发展的特点,（1）20世纪化学发展在地域上形成过两 个 中心1945年前是以德国为代表的欧洲国家（德国15人、法国7人、英国6人、美国3人、有10个国家）1945年后20世纪化学发展中心移向美国（美国有45人、16个国家）（2）现代化学研究中的许多重大进展都是多学科综合研究的结果（居里夫人，伍德沃德，1985
25、年诺贝尔奖授予美数学家普特曼、物理学、化学家卡尔拉）,2023/1/18,29,2、20世纪末化学的地位,化学在20世纪都取得了辉煌的成就，但未获得社会应有的认可。北大化学系学生会对本科生的调研显示，有75的同学认为化学是成熟的老科学，发展前途不大。,2023/1/18,30,（1）化学未获社会认同的原因分析,1）化学家太谦虚，不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。报刊上常说20世纪有六大技术，其中没有化学和化工。2）化学是中心科学，与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学（Sun-rise sciences）都有紧密的联系，产生了许多交叉学科。但化学家很谦虚，放弃
26、交叉学科的冠名权，在社会上造成化学被肢解的错误印象。Nature在2001年发表社论说：“化学的形象被其交叉学科的成功所埋没”。,2023/1/18,31,3）朝阳科学在组建队伍时拉走了不少化学家。化学向朝阳科学输送队伍，本是好事，但希望社会能够认同化学对发展朝阳科学的重要作用，而不是因为化学没有用处，使化学工作者纷纷转行。4）化学家没有提出21世纪要解决的难题。有人认为化学没有理论，只是一堆白菜。5）化学没有树立品牌，缺少品牌意识。化学与化工被认为是污染源，这也是缺少生源的原因之一。其实，化学家已提出绿色化学的奋斗目标。化学家不但要认识世界、改造世界，还要保护世界。,2023/1/18,32
27、,（2）20世纪，第一大技术合成化学技术,报刊上常说20世纪有六大技术：1）无线电、半导体、计算机和网络等信息技术，2）基因重组、克隆和生物芯片等生物技术，3）核科学和核武器技术，4）航空航天技术和导弹，5）激光技术，6）纳米技术。但却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子和化肥的化学合成技术。,2023/1/18,33,上述六大技术如果缺少一二个，人类照样生存，但如没有合成氨和尿素的技术，世界70亿人口有一半要饿死。没有合成抗生素和新药物，人类平均寿命要缩短25年。没有合成纤维、合成橡胶、合成塑料，人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子新材料，上述六大技术根本无法实现。但化学和化工界非常
28、谦虚，从来不提抗议。我们应该理直气壮地大力宣传20世纪有七大技术，第一是化学合成技术。国外传媒把Harbor Process 评为20世纪最重要的发明，是很有道理的。,2023/1/18,34,（3）化学中心科学,科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上，中，下游。数学，物理学是上游，化学是中游，生命、材料、环境等朝阳科学是下游。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂，除了用本门科学的方法以外，如果借用上游科学的理论和方法，往往可收事半功倍之效。化学是中心科学，是上游和下游的必经之地，永远不会像有些人估计的那样，将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡。中心
29、科学还有另一层含义，因为化学与八大朝阳科学都产生交叉学科。这也说明中心科学的重要性。,2023/1/18,35,化学存在的问题作为中心学科的形象反而被其交叉学科的成就所埋没,但化学家非常谦虚，在交叉学科中放弃冠名权。例如“生物化学”被称为“分子生物学”，“生物大分子的结构化学”被称为“结构生物学”，“生物大分子的物理化学”被称为“生物物理学”，“固体化学”被称为“凝聚态物理学”，溶液理论、胶体化学被称为“软物质物理学”，量子化学被称为“原子分子物理学”等。又如人类基因计划的主要内容实际上是基因测序的分析化学和凝胶色层等分离化学，但社会上只知道基因学，看不到化学家在其中有什么作用。,2023/1
30、/18,36,再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的，但开创这方面研究的化学家却不提出“化学器件学”这一新名词，而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景，并称之为分子电子学。内行人知道分子生物学正是生物化学的发展。在这个交叉领域里化学家与生物学家共同作战，把科学推向前进。但在中学生或外行看来，“分子生物学”中“化学”一词消失了，觉得化学的领域越来越小，几乎要在生物学与物理学的夹缝中消亡。,2023/1/18,37,这样化学这门重要的中心科学（Central science）反而被社会看作是伴娘科学（Bridesmaid science）而不受重视，化学家居然不喊不叫
31、也不抱怨。化学家的谦虚本是美德，但因此而在社会上造成化学是落日科学（Sunset science）的印象，吸引不到优秀的年轻学生，这个问题就大了。,2023/1/18,38,化学有没有理论？,有人说：化学没有理论，这也是化学不被认同的理由之一。对于这个问题，唐敖庆先生有很好的回答。唐先生说19世纪的化学有三大理论成就：（1）经典原子分子论，包括建筑在定比、倍比定律基础上的道尔顿原子论，和以碳4价及开库勒等的工作为中心内容的分子结构和原子价理论；（2）周期律；（3）化学反应的质量作用定律。,2023/1/18,39,20世纪也有三大理论成就：（1）化学热力学，可以判断化学反应的方向，提出化学平衡
32、和相平衡理论；（2）量子化学和化学键理论，生物学的DNA模型就是在氢键理论和蛋白质的分子结构的基础上提出来的；（3）上世纪60年代发展起来的分子反应动态学。,2023/1/18,40,到了21世纪，数学家提出七大难题，物理学家提出五大难题，生物学家提出四大难题。但化学家又比较谦虚，好像没有人明确提出哪些是化学要解决的世纪难题。其实化学家心目中是有自已的奋斗目标的，只是不愿多说。但这又造成“化学无理论”的错误印象。,2023/1/18,41,徐光宪院士提出21世纪化学要解决的四大难题,1.化学的第一根本规律（第一世纪难题）：化学反应的理论2.化学的第二根本规律（第二世纪难题）：分子结构及其和性能
33、的定量关系3.第三难题：生命科学中的化学问题4.第四难题：纳米尺度的基本规律和奇异特性,2023/1/18,42,理论化学在现代化学的发展中起了非常重要的作用,1998年，诺贝尔化学奖授予量子化学家科恩和玻普耳。颁奖公报中说：（1）“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯实验科学了”。（2）“当接近90年代快结束的时候，我们看到化学理论和计算的研究有了很大的进展，其结果使整个化学正在经历着一场革命性的变化”。,2023/1/18,43,二、动向,2023/1/18,44,19世纪末到20世纪初的动向
34、,1、周期律、原子结构、放射性、人工放射性元素、量子论以至量子化学等形成了贯穿100年的向物质的微观本质深入的一条主线；2、从热力学到动力学，从平衡态到非平衡态，这是化学宏观研究的另一条主线；3、从制备到合成，从无机物到有机物，从 小分子到高分子，从简单分子到复杂分子，这条合成化学发展途径也是从简19世纪末发展到20世纪中去的。,2023/1/18,45,21世纪化学的发展特色,1、将会深入研究由原子组合成分子的方法和技巧；原子经济性和反应效率将成为重点关注的领域；2、分子间相互作用及由此构成的多分子体系将成为重要的研究对象（分子聚集体系靠什么作用，规律如何？研究分子以上层次受重视）；3、化学
35、与其它学科的相互渗透和交叉将是21世纪科学发展必然趋势；4、从化学基础研究的重大突破到形成高新技术产业化的周期将会大大地缩短，即科学技术生产力的链结将会缩短，从而加速生产力的发展。,2023/1/18,46,交叉学科和热点研究领域,1、生命科学2、材料科学3、环境化学4、绿色化学5、能源化学6、计算化学7、纳米化学8、手性药物和手性技术,2023/1/18,47,2001年：美国的威廉诺尔斯、巴里夏普莱斯、日本的野 依良治，表彰他们在更好地控制化学反应方面所作出的贡献。这为发明治疗心脏疾病和帕金森病的药物铺平了道路。2002年：美国的约翰芬恩、日本的田中耕一、瑞士的库尔特维特里希，表彰他们发明
36、了对生物大分子进行确认和分 析的方法。2003年：美国的彼得阿格雷和罗德里克麦金农，表彰他们在细胞膜通道方面做出的开创性贡献。2004年:以色列阿龙-西查诺瓦、阿弗拉姆-赫尔什科和美国科学家伊尔温-罗斯。三人因在蛋白质控制系统方面的重大发现而共同获得该奖项。他们突破性地发现了人类细胞如何控制某种蛋白质的过程，具体地说，就是人类细胞对无用蛋白质的“废物处理”过程。2005年:74岁的法国人伊夫肖万、63岁的美国人罗伯特格拉布和60 岁的美国人理查德施罗克，在烯烃复分解反应研究方面的贡献，即发现了化学键在碳原子间是如何断裂和形成的。,2023/1/18,48,2006年诺贝尔化学奖授予美国科学家罗
37、杰科恩伯格，以奖励他在“真核转录的分子基础”研究领域作出的贡献。他第一个成功地将DNA的复制过程捕捉下来的科学家，评委会称他的获奖真正体现了诺贝尔遗言中所说的“授予一项非常重要的化学发现”。科恩伯格揭示了真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质，而理解这一点具有医学上的“基础性”作用，因为人类的多种疾病如癌症、心脏病等都与这一过程发生紊乱有关。真核生物是有细胞核的生物，相比起细菌更为复杂，动物和植物都是真核生物。,2023/1/18,49,2007年度诺贝尔化学奖授予德国科学家格哈德埃特尔，以表彰他在“固体表面化学过程”研究中作出的贡献，他获得的奖金额将达1000万瑞典克朗(约合1
38、54万美元)。表面化学对于化学工业很重要，它可以帮助我们了解不同的过程，例如铁为什么生锈、燃料电池如何工作、汽车内催化剂如何工作等。此外，表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用，例如人工肥料的生产。表面化学甚至能解释臭气层破坏，半导体工业也是与表面化学相关联的科学领域。,2023/1/18,50,2008年10月8日，瑞典皇家科学院在瑞典首都斯德哥尔摩宣布，日本科学家下村修、美国科学家马丁沙尔菲和美籍华裔科学家钱永健获得2008年诺贝尔化学奖。这是马丁沙尔菲（左）、下村修（中）和钱永健的拼版照片。他们三人在发现和研究绿色荧光蛋白(GFP)方面有突出成就。,2023/1/18,51,2009年
39、诺贝尔化学奖获得者：英国科学家文卡特拉曼拉马克里希南、美国科学家托马斯施泰茨和以色列科学家阿达约纳特7日获得今年诺贝尔化学奖（从左至右）,瑞典皇家科学院2009年10月7日宣布，三位科学家因为“核糖体的结构和功能”的研究而获得今年的诺贝尔化学奖。,2023/1/18,52,2010年，美国科学家理查德赫克、日本科学家根岸荣一和铃木章因在有机合成领域中钯催化交叉偶联反应方面的卓越研究而获诺贝尔化学奖奖。这一成果广泛应用于制药、电子工业和先进材料等领域，可以使人类造出复杂的有机分子。,2023/1/18,53,获奖理由是发展了钯催化交叉耦合。这一化学工具极大地促进了制造复杂化学物质的可能性，比如碳
40、基分子，其复杂性可媲美天然分子。碳基化学是生命的基础，也是众多迷人自然现象的原因花的颜色，蛇毒，以及杀菌物质(如盘尼西林)。有机化学让人类能够构建自然的化学，利用碳的能力为功能分子提供稳定的架构。这为人类提供了新的医学及革命性材料，如塑料。为了创造这些复杂化学物质，化学家需要将碳原子连接在一起。然而，碳是稳定的，碳原子彼此间不易起反应。因此，化学家最初使用的绑定碳原子的方法基于多种可令碳更具活性的技术。这些方法在制造单个分子时挺管用，但当合成更复杂的分子时，化学家往往会在试管中得到许多不必要的副产品。钯催化交叉耦合解决了这个问题，并为化学家提供了一种更为精确和有效的工具。在Heck反应、Neg
41、ishi反应及Suzuki反应中，碳原子在一个钯原子上相集，于是它们的“互相亲近”就启动了化学反应。钯催化交叉耦合不仅为全世界研究人员所用，同时也应用到商业产品，比如医药品和电子工业所用的一些分子。,2023/1/18,54,2011年诺贝尔化学奖,以色列科学家达尼埃尔谢赫特曼Daniel Shechtman获奖，获奖理由是“发现准晶体”。谢赫特曼于年月日首次在电子显微镜中观察到一种“反常理”的现象他们当时所观察的铝合金中的原子，是以一种不重复的非周期性对称有序方式排列的，而按照当时的理论，具有此种原子排列方式的固体物质是不存在的。这一发现促使科学家开始重新思考对物质结构的认知。诺贝尔化学奖评
42、选委员会在日发表的声明中说，从原子级别观察准晶体形态，会发现原子排列具有规律，符合数学法则，但不以重复形态出现。在谢赫特曼发现准晶体后，科研人员陆续在实验室中制造出其他种类的准晶体，并在取自俄罗斯一条河流的矿物样本中发现天然准晶体。瑞典一家公司也在一种钢中发现准晶体，这种准晶体如同盔甲一般增加材料强度。由于准晶体原子排列不具周期性，因此准晶体材料硬度很高，同时具有一定弹性，不易损伤，使用寿命长。这种材料的应用目前仍有较大发展空间。如今，科学家正尝试将准晶体应用于其他产品，如不粘锅涂层和柴油机制造等。,2023/1/18,55,两位美国科学家罗伯特莱夫科维茨和布莱恩克比尔卡因“G蛋白偶联受体研究
43、”获奖。看清G蛋白激活过程莱夫科维茨从1968年便开始利用放射性碘来寻找细胞接受信号的物质，这种物质后来被称为“G蛋白偶联受体”。他找到了多种受体，并将其中的“-肾上腺素受体”从细胞壁抽出。2007年，科比尔卡首次用T4溶菌酶融合法解析了-肾上腺素受体的结构，该方法后来成为获取G蛋白偶联受体三维结构的常规手段。2011年，他又在这个受体被激活并向细胞发送信号时获得了三维图像。“在此之前，一直没有人了解G蛋白偶联受体究竟如何激活G蛋白。”这是一项划时代的工作。”G蛋白偶联受体是细胞表面的信号接收器，是细胞生物学、分子药理学等学科里最基础的一类传导分子。同时，很大一部分药物都以该受体为作用靶点，激
44、活机理研究将对未来药物研发有所助益。,罗伯特莱夫科维茨和布莱恩科比尔卡,2012年诺贝尔化学奖,2023/1/18,56,三、展望,2023/1/18,57,（一）化学学科发展的趋势 1、科技发展的基本考虑,20世纪人类认识和利用物质经历了为人类生存、人类生存质量、人类生存安全三个历史阶段。人类生存：20世纪初化学提供肥料（合成氨）、合成纤维和其它高分子材料，石油化工产品。人类生存质量：化学创造了许多饲料和肥料添加剂，食品添加剂，生产更多、更可口食物；创造了许多功能材料；创造了许多药物和诊断方法，战胜和消灭了某些疾病。人类生存安全：21世纪资源问题？环境问题？,2023/1/18,58,2、在
45、推动人类进步和科技发展中起了核心的作用,（1）在20世纪中成为解决人类进步的物质基础的核心科学：A、制造或创造出自然界已有或不存在的物质；B、提供分析手段，结构性质功能的关系，预测、裁剪、设计分子；C、掌握了一些理论，用于解决生产、生活问题。达到大自然不能达到的目标。（2）在相关学科的发展中起了牵头作用：A、牵动其它学科向分子层次发展（生命科学、天文学）；B、化学研究带动了其它学科的过程研究(工业、农业、环保、能源）；C、化学带动了材料科学的发展；D、化学实验方法学推动其它学科在分子层次上观察和测定物质的变化过程。,2023/1/18,59,徐光宪提出：宇宙进化分8个层次：（1）物理进化，（2
46、）天体进化，（3）地质演变，（4）化学进化，（5）生物进化，（6）社会进化，（7）人工自然进化，（8）物质产生精神，精神反作用于物质。研究每一层次的学问依次为：（1）物理学，（2）天文学，（3）地质学、海洋学等地球科学，（4）化学，（5）生物学、医学等生命科学，（6）社会科学，（7）技术科学、工程科学，（8）数学、科学、哲学、宗教、认知科学，语言学、文学、音乐、艺术等。,2023/1/18,60,3、对化学现状和地位的不同估计,化学的作用和地位似乎淡化，核心科学、牵头学科似乎退后：1、客观上，A、一部分化学研究方法自动化和计算机化，误认为分析和合成已经不是科学而是技术；B、生物学在分子层次有两
47、大进展（基因、创造新生物或生物分子）；C、创造新材料、药物等，化学研究其原理、机理，处上游，材料学、药学推出实际产品，处于下游。2、主观上，A、迄今为止化学研究的主流仍以创造新分子、新材料为目标（忽视功能研究）；B、受大趋势的影响，20世纪化学理论重点从宏观转向微观，忽视科技对化学要求。,2023/1/18,61,（二）未来化学的作用和地位,1、化学仍然是解决食品问题的主要学科之一;A、化学将支撑生物学在提供优良品种，提供转基因生物等方面作贡献;B、化学将在设计、合成功能分子和结构材料以及分子层次阐明和控制生物过程的机理方面，为研究开发高效安全肥料、饲料、农药、农用材料、生物肥料、生物农药打下
48、基础;C、利用化学和生物方法增加动植物食品的防病有效成分，提供安全的有防病作用的食品和食品添加剂，改正食品储存加工方法，减少不安全因素，是化学研究的重要内容。,2023/1/18,62,2、化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用,A、要研究高效洁净的转化技术和控制低品位燃料的化学反应（保护环境，降低成本）B、开发新能源，太阳能以及高效洁净的化学电源与燃料电池等将成为21世纪的重要能源C、矿产资源是不可再生，化学要研究重要矿产资源（如稀土）的分离和深加工技术以及利用,2023/1/18,63,3、化学继续推动材料科学的发展,A、化学是新材料的源泉，末来化学不仅要设计和合成分子而且要
49、把这些分子组装、构筑成有特定功能的材料，从超导体到催化剂、药物控释载体、纳米材料都要从分子以上层次研究材料的结构B、20世纪化学模拟酶的活性中心已取得进展，未来将会在可用于生产、生活和医疗的模拟酶的研究方面有突破C、21世纪电子技术将向更快、更小、功能更强的方向发展，目前大家正在致力于量子计算机、生物计算机、分子器件、生物芯片等新技术，标志着分子电子学、分子信息技术的到来，需要设计、合成各种物质和材料,2023/1/18,64,4、化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障,A、通过研究各种物质和能的生物效应（正面和负面）的化学基础特别是搞清两面性的本质，找出最佳利用方案B、研究开发对环境无害
50、的化学品和生活用品，研究对环境无害的生产方式，这两方面是绿色化学的主要内容C、研究大环境和小环境（如室内环境）中不利因素的产生、转化和与人体的相互作用，提出优化环境洁净生活空间的途径从分子水平了解病理过程，提出预警生物标志物的检测方法，建议预防途径，预防疾病,2023/1/18,65,（三）21世纪化学研究应把握的原则,1、微观与宏观相结合。以微观结构研究为基础的药物和材料的计算机辅助设计已经为研究热点；迄今还需要更好的理论和方法描述实际开放系统（生物体、河流、大气等）的时空动态变化2、静态与动态（过程）相结合。把微观概念引进反应过程研究的微观反应动力学有了重大突破，形成现代化学的一个热点；单
