化学的过去、现在与将来.ppt

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1、化学的过去、现在与将来,广州大学 学科前沿讲座系列之一,第一节 化学的演变,What is chemistry?Chemistry is about making forms of matter that have never existed before.Jack Baldrim 化学学科的定义 化学是在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门科学。化学学科的特性 化学是自然科学中的核心基础学科 基础研究、实用性、创造性,一、古代化学行为,1、在亚历山大时期，化学以炼金术的原始形 式出现 公元3000多年前，人们就懂得从矿石中提取金属 如：公元前3000年，发现了金、银、

2、铜；公元前2500年，人们懂得冶炼青铜、铅和铁 公元前1500年，发现了汞。,火的发明是人类第一次伟大的化学实践。,大约5000-11000年前，中国人就会制作陶器3000多年前的商朝已经有非常精美的青铜器造纸，磁器，火药更是中国文明对化学的贡献在十六，十七世纪时，中国是世界上最先进的国家“化学”二字我国在1856年开始使用,中国古代化学的发展,古代化学发展的另一种原始形式：染色、玻璃和肥皂制造技术带动了化学的发展。据我国周礼的记载：当时已设立专官“染人”、“醯人”，管理染色、制酒和制醋的工作。公元770-780年就已有关于烧酒的记载，我们掌握蒸馏手段也比欧洲早一百多年。古希腊哲学家亚里士多德

3、的元素学说：物质都是由水、土、火、气四个元素相互转化而成。,由于埃及古老的矿石开采和冶炼技术发达，及元素理论的出现，产生了炼金术认为贱金属可以转变为贵金属。铅可以转变成胡粉,胡粉又可以转变为铅：,2.炼金术的出现,图:1 现代化学家的祖先-Alchemist,汞可以转变为朱砂，朱砂又可以转变成为汞：,由此推断：铅可以变成金（荒谬）,2、炼金术、炼丹术则被称为近代化学的先驱 17世纪炼金术开始向实用的医药化学和工艺化学方面发展，化学从此成为一门真正独立的科学。,1805年，由鸦片内取得第一个生物碱吗啡。,3、从天然有机物质到纯物质的转化,人类使用有机物质虽已有很长的历史，但是对纯物质的认识和取得

4、却是比较近代的事情，直到十八世纪末期，才开始由动 植物取得一系列较纯的有机物质。,1773年 首次由尿内提取得到尿素。,1769年 从葡萄汁内取得酒石酸；从柠檬汁内取得柠檬酸；由尿内取得尿酸；从酸牛奶内取得乳酸。,二、18世纪的化学,化学是18世纪末才真正出现1、拉瓦锡和化学革命 拉瓦锡（A.L.Lavoiser,1743-1794)世界著名的化学家，1768年（25岁）被选为法国科学院院士.系统地重复了前人和同时代人的实验，用氧化燃烧学说进行严格合乎逻辑的解释，批判了旧的化学理论，建立了新的化学理论和化学术语。1789年出版的化学基本教程一书，其重要性可与牛顿的自然哲学之数学原理、达尔文的物

5、种起源相提并论,“氧化燃烧学说”主要观点：(1)、燃烧时，均有火或光放出；(2)、物体只能在纯粹空气（氧气）中燃烧；(3)、燃烧时，有“纯粹空气的破坏或分解”，燃烧物体 的增重精确等于“被破坏或分解”的空气的重量；(4)、已燃物质通常变为酸，但金属则变为残烬。,在这本名著中，拉瓦锡首次阐述了物质不灭定律。,“物质虽然能够变化，但是不能消失或凭空产生”。并用数学的形式，严格地表达了物质不灭定律。,化学开始了从以收集材料为特征的定性描述阶段逐渐过渡到以整理材料、寻找化学变化规律为特征的理论概括阶段。,定量分析方法的广泛使用，进而归纳出了化学中的一些实验基本规律：质量守恒定律、当量定律、定组成定律等

6、,2、新的化学理论与当时开始的工业革命恰好吻合,纺织工业的发展、纺织品的加工以及肥皂工业、玻璃制造工业的发展，原有陈旧的作坊式化学产品加工已无法满足当时工业化的大发展。如：硫酸（H2SO4)当时主要用作纺织品的加工，以及制造纯碱（Na2CO3)和烧碱的原料；主要生产方式是在一个铅丝捆住的木箱中，把硫磺、硝石、水混合制得：,碱工业的发展：碳酸钠是制造玻璃、肥皂的主要化工原料，旧的生产工艺是将海草燃烧获得，仅仅是一种含碳酸钠的草木灰。1790年，新的碳酸钠生产工艺引入化学工业;首先将通用盐（NaCl）转变成硫酸盐，再将硫酸盐转变成含有木炭、白粉尘的碳酸钠粗品。,三、19世纪末的化学,化学在19世纪

7、已获得了实质的进步和发展 主要包括：（1）元素周期表的发现（2）通过化学合成手段获得有机化合物（3）化学工业的建立,1807年，道尔顿(1766年-1844年)创立了近代科学原子论，并在1840年发展成为原子-分子论,道尔顿原子论其基本要点：元素由非常微小、看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；同一种元素的原子的形状、质量及性质相同，而不同元素的原予的形状、质量及性质则各不相同，原子的质量是元素最基本的特征；化合物的原子称为复杂原子，它的质量为所含各种元素原子质量之总和。,以氢的原子质量为1作标准，发表了包括20种元素的

8、相对原子量表。,1、近代原子论的创立,2、元素周期表的发现,俄国化学家门捷列夫（.，18341907)以各元素的原子量作为元素的基本特性，考察原子量与元素性质间的相互关系，于1869年发表了第一张元素周期表。1871年，门捷列夫对元素周期表作了重要修改，提出了第二张元素周期表（见表1）。,19世纪60年代，化学家已经发现了60多种元素。,门捷列夫1871年发表的元素周期表（见表1）,门捷列夫元素周期表的启迪,门捷列夫先后预言的十几种未知元素，都在实验中被证实，这充分显示了科学预见的巨大作用。,1869年，门捷列夫提出第一张元素周期表，并根据周期律修正了铟(In)、铀(U)、钍(Th)、铯(Cs

9、)等9种元素的原子量；,预言了三种新元素及特性，并暂取名为类铝、类硼、类硅。1871年发现的镓(Ga，原子量69.72)、1880年发现的钪(Sc,原子量44.96)、1886年发现的锗(Ge,原子量72.59)。,这些新元素的原子量、密度和物理化学性质都与门捷列夫的预言惊人地相符，周期律的正确性由此得到了举世公认。,20世纪末最新的元素周期表,3、有机化学的兴起 通过化学合成手段获得有机化合物,19世纪初，化学的另一次重大革命是有机物可以通过化学合成方法得到。在元素周期律发现后，有机化学却被生命力论（Vitalism)统治着。生命力论认为，有机物质只能靠生命力在动植物有机体内产生，而不能在实

10、验室或工厂里由无机物质化学合成获取。,1828年，德国化学家 F.Whler（18001882)首次用无机物氰酸铵人工合成了有机物尿素：氰酸铵 尿素 宣告了有机界和无机界是相通的，这是有机化学发展过程中的一大突破。以后又相继合成了有机酸类、油脂类、糖类等,1850-1900年，成千上万的药品、染料从煤焦油里合成出来。当时，有机化学可以说是煤焦油的合成时代。,化学学科的出现,19世纪末，化学已出现了明确的专业划分，建立了化学的四个分支学科和完整化学经典理论体系。化学的分支学科：无机化学、分析化学、有机化学、物理化学,现代化学的学科分类,4、化学工业的建立,19世纪中期，化学工业出现了较快的发展

11、各大化学工业公司的建立，制得纺织工业急需 的合成染料；1870年，碳酸钠的新工业路线进入工业化生 产，由苏尔布法取代了吕布兰法；1841年，查尔斯歌德发明了橡胶硫化工艺，并 且生产出橡胶新品种硫化橡胶；加斯特克列利用电解方法生产氯气和烧碱。,19世纪化学家的遗憾,尽管19世纪的化学家作出了如此惊人的成就，然而，他们对化学界的认识仍然是极为有限的，对各个元素的原子结构、包括原子核和电子的运动规律不了解，因此也对元素周期律缺乏实际的了解，不知道什么是化学键，也不了解化学反应的机理，没有高分子化学，也没有磺胺药物和化学肥料，当然更没有现代物理分析技术。,四、20世纪的化学 现代化学的发展,最近，美国

12、化学会主席Ranald Breslow在谈论化学中提出：“化学是一门趋于中心地位、实用而富有创造性的科学”。Calls chemistry:“The central,useful and creative science”.,1.基础研究的重大突破,20世纪是人类历史上科学技术发展最为辉煌的时 代。无论在深度还是广度上，都大大超过19世纪 所取得的成就，也远远超过过去几千年的总和。,从1901年开始在世界范围评选诺贝尔化学奖以来到2001年颁奖，应该有101届了。实际只颁发了96届（见附表1）。96届的诺贝尔化学奖中以二级学科区分，大致如下：无机化学14项；有机化学34项；物理化学26项；高分

13、子化学5项；生物化学11项；分析化学6项。,1、基础研究的重大突破 19012000年各届诺贝尔化学奖的获奖情况(见表3)：,在100年中，产生了92届诺贝尔化学奖，由于战争等原因，有6年未评奖（1916、1917、1933、1940、1941、1942）。诺贝尔化学奖得主的年龄，最老的是1987年C.J.Pedersen 为83岁，最年轻的是1935年 为35岁，平均年龄55岁。,20世纪化学的重大突破 主要包括以下五个方面：,（1）放射性和铀裂变的重大发现；（2）化学键和现代量子化学理论；（3）创造新分子新结构-合成化学；（4）高分子科学与材料；（5）化学动力学与分子反应动态学。,在101

14、年中，产生了95届诺贝尔化学奖，由于战争等原因，有6年未评奖（1916、1917、1933、1940、1941、1942）。诺贝尔化学奖得主的年龄，最老的是1987年C.J.Pedersen 为83岁，最年轻的是1935年 为35岁，平均年龄约55岁。,1.1 2004年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙切哈诺沃（57岁），阿夫拉姆赫什科（67岁）和美国科学家欧文罗斯（78岁），以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解。,例如：与人关系最为密切的是-氨基酸。它是构成蛋白质的基本单元。发现有20多种-氨基酸，其中有八种是人体所需要的必需氨基酸（即人体本身不能合成的氨基酸）。它们是：,蛋白质是构成包括人

15、类在内的一切生物的基础，近几十年来生物学家在解释细胞如何制造蛋白质方面取得了很多进展。科学家关于蛋白质如何“诞生”的研究成果很多，迄今至少有次诺贝尔奖授予了从事这方面研究的科学家.,但却很少有研究人员对蛋白质的降解问题。获2004年化学奖的3位科学家却独辟蹊径，于上个世纪80年代初发现了被调节的蛋白质降解。人的很多疾病就是这一降解过程不正常导致的。,“泛素调节的蛋白质降解”方面的知识将有助于攻克子宫颈癌等疑难疾病。,评委们在现场解释整个理论时，特意用碎纸机将两张完整的彩纸瞬间绞碎，以此比喻细胞好比一个高效的“控制站，制造蛋白质但又能在瞬间把某些特定蛋白质“降解”为碎片。,1.2 放射性和铀裂变

16、的重大发现正当能量守恒定律被当作19世纪的三大发现之一而载入史册不久，发生了一场轩然大波。,放射性的发现 1896年法国物理学家贝克勒尔(1852-1908),放射性射线为什么那样厉害呢?,放射性是某些元素的不稳定原子核自发地放出射线的性质，是原子核进行蜕变的特性。天然存在的放射性同位素的放射性称做天然放射性。例如铀的同位素有天然放射性。由人工制成的同位素的放射性称做人工放射性。例如氚有人工放射性(原子核有一个质子，两个中子。旧称“超重氢”。氢的放射性同位素之一,半衰期12.5年,蜕变时放出射线后形成质量数为三的氦。用中子轰击锂可产生氚)。放射性现象产生的原因是原子核的蜕变。,年轻的波兰姑娘玛

17、丽斯可罗多夫斯卡娅(即居里夫人)与她的丈夫皮耶尔居里于1898年在沥青铀矿中发现了两种新元素镭和钋，镭和钋能发射出比铀更强的放射性射线。,1克镭在1小时里，就能放出140卡热量，要是让1克镭把所有的热量都放出来，竟有270亿卡！这么多热量，足以使29吨冰融化成水！,1克镭只有一片大拇指甲那么大!“镭是永恒的能源!”(有人这么提议)“什么能量守恒？镭的发现，彻底推翻了能量守恒定律!”,新元素镭和钋的发现,镭产生能量的本质是镭原子的分裂，叫做“裂变”。它裂变以后，变成两个更小的原子：氡原子与氦原子。在720亿个镭原子中，平均每秒钟有一个原子要分裂，向周围以每秒两万公里的速度射出它的“碎片”。镭那不

18、断放出的能量，便是镭原子裂变时释放出来的原子能。镭并不是什么“永恒的能源”。随着镭原子的不断裂变，镭放出的能量也不断减少，也就是说，经过1560年后，1克镭每小时放出的能量减少了一半，从140卡降到70卡；再经过1560年，又减少了一半，从70卡降到35卡；然后，又经过1560年，则减至175卡-。镭的原子能的发现，并没有推翻能量守恒定律。,爱因斯坦的贡献 物质不灭定律，说的是物质的质量不灭。能量守恒定律，说的是物质的能量守恒。,在1905年，一个年仅26岁的德国物理学家接连在德国物理学杂志上发表了5篇论文，从一个崭新的高度，揭示了物质不灭定律和能量守恒定律的本质及其相互关系。,爱因斯坦认为，

19、物质的质量是惯性的量度，能量是运动的量度；能量与质量并不是彼此孤立的，而是互相联系的，不可分割的。物体质量的改变，会使能量发生相应的改变；而物体能量的改变，也会使质量发生相应的改变，提出了著名的质能关系公式：E=m c2,按照爱因斯坦的理论：把1克温度为0 C的水，加热到100 水吸收了100卡的热量，这时水的质量也也相应增加了。按照质能关系公式计算，1克水的质量增加了0.00000000000465克。,利用质能关系公式，能正确地解释了各种原子核反应：氦4，它的原子核是由2个质子和2个中子组成的。照理氦4原子核的质量就等于2个质子和2个中子质量之和。实际上，氦核的质量比2个质子、2个中子质量

20、之和少了0.0302原子质量单位！这是为什么呢？因为当2个氘核（每个氘核都含有1个质子、1个中子）聚合成1个氦4原子核时，释放出大量的原子能。生成1克氦4原子时，大约放出2700000000000焦耳的原子能。正因为这样，氦4原子核的质量减少了。,这个例子生动地说明：在2个氘原子核聚合成1个氦4原子核时，似乎质量并不守恒，也就是氦4原子核的质量并不等于2个氘核质量之和。然而，用质能关系公式计算，氦4原子核失去的质量，恰巧等于因反应时释放出原子能而减少的质量！,核化学研究中的6项诺贝尔奖20世纪在能源利用方面一个重大突破是核能的释放和可控利用，仅此领域就产生了6项诺贝尔奖。,1898年，居里夫妇

21、从大量的沥青铀矿中，经过多次的化学分离和纯化，得到了放射性比铀强400倍的新的金属元素钋，以及比铀的放射性强200多万倍的镭。为此，居里夫妇荣获了1903年诺贝尔物理奖。,1906年居里不幸遇车祸身亡，居里夫人继续镭的研究和应用，测定了镭的原子量，建立了镭的放射性标准。为了表彰居里夫人在发现钋和镭、开拓放射化学新领域以及发展放射性元素的应用方面的贡献，1911年她被再次授予诺贝尔化学奖（44岁）。,1908年，英国人卢瑟福（Rutherford）从事关于元素衰变和放射性物质的化学研究，提出了原子的有核结构模型，并提出了放射性元素的衰变理论，研究了人工核反应，从而获得了当年的诺贝尔化学奖（37岁

22、）。,居里夫人的女儿和女婿约里奥-居里夫妇（I.Joliot-Curie和F.Joliot-Curie）从事人工放射性研究。用钋的-射线轰击硼、铝、镁时发现产生了带有放射性的原子核，这些元素核不断地放出-射线或“正电子”，并按照放射性元素的衰变规律，其射线强度逐渐减少。这是第一次发现用人工方法创造出放射性元素。为此，约里奥-居里夫妇荣获了1935年诺贝尔化学奖（38岁和35岁）。,放射线同位素放出的肉眼不可见的射线。根据射线性质的差别，可分为：,(1)-射线是粒子(氦原子核)流。粒子带有2个单位正电荷，质量等于4。在电场中偏向带负电的极板，能量约在410兆电子伏特间，能量为10兆电子伏特的。粒

23、子其速度约等于光速的110。对物质的穿透力比较小；,(2)-射线是高速运动的电子(又称粒子)流。在电场中偏向阳极。速度几乎与光速相等。对物质的穿透力约比-射线大100倍；,(3)-射线。是波长很短的电磁波(光)。在电场中不发生偏向。穿透力比9射线更强。,慢中子的发现是核能可控利用的又一关键所在。意大利原子物理学家费米（(EFermi)改用中子轰击原子核，特别经石蜡慢化了的慢中子，增加了中子和原子核的碰撞机率，使核反应截面大大提高，其产率接近1。费米和他的同事用慢中子轰击各种元素获得了60种新的放射性元素，并发现中子轰击原子核后，就被原子核捕获得到一个新原子核，且不稳定，核中的一个中子将放出一次

24、衰变，而变成原子序数增加1的元素。这一原理和方法的发现，使人工放射性元素的研究迅速成为当时的热点。物理学介入化学，用物理学方法在周期表上增加新元素成为可能。费米的这一成就使他获得了1938年的诺贝尔物理奖。在1939年，科恩发现中子轰击铀235产生3.5h半衰期的是几种元素的混合物，其中有几种是碱土金属，它们放射-射线后蜕变为稀土元素。即铀235吸收一个中子后，核分裂为两部分中等原子量的钡和稀土元素等，这就是原子核分裂的裂变现象。裂变现象的发现震撼了当时科学界，成为原子能利用的基础，科恩因此而获得1944年的诺贝尔物理奖。(65岁),从放射性的发现开始，然后发现人工放射性，再后又发现铀裂变伴随

25、放出能量和中子，以至核裂变的可控链式反应。至此,释放原子能的前期基础研究已经完成。1942年，在Fermi领导下成功地建造了第一座原子反应堆，1945年美国在日本投下了原子弹。这就是20世纪初至中叶化学和物理界具有里程碑作用的重大突破核裂变和原子能的利用。回顾这一段历史可以看出，化学和物理学在整个自然科学的进步中起着互补协同的推动作用。物理学在核上动手术创造新元素，化学在分子层次上动手术，创造新分子，这成为20世纪科学史中的主流。,3.1.2 化学键和现代量子化学理论化学键理论的建立和发展主要有三种理论：(1)Pauling的价键理论(VB);(2)莫利肯(RSMulliken)的分子轨道理论

26、(MO);(3)贝特(HABethe)的配位场理论。此领域获得诺贝尔化学奖有4项之多。,美国化学家鲍林(LPauling)对化学的最大的贡献是关于化学键的本质的研究以及在物质结构方面的应用。他将把原子价理论扩展到金属和金属间化合物，提出了电负性计算方法和概念，创立了轨道杂化理论和价键学说，于1954荣获诺贝尔化学奖（53岁）。,价键理论将量子力学的原理和化学的直观经验紧密结合，在经典化学中引人了量子力学理论和一系列的新概念，如杂化、共振、键、键、电负性、电子配对等，对当时化学键理论的发展起了重要作用。而且他把化学结构理论引入生物大分子结构研究，为发现DNA双螺旋结构奠定基础。分子病理学、分子免

27、疫学、分子遗传学都是在他早期所做的化学与生物学结合的工作基础上建立的。,价键理论：是以“形成共价键的电子只处于形成共价键两原子之间”的定域观点为出发点的。,分子轨道理论：是以“形成共价键的电子是分布在整个分子之中”的离域观点为出发点的。,分子轨道即分子中价电子的运动状态，可用波函数来描述。其基本要点是：,分子轨道是由原子轨道通过线性组合而成；,组合前后的轨道数守恒：即有几个原子轨道就可以组合成几个分子轨道。,以乙烯为例：,莫利肯（Mulliken）把原子轨道线性组合成分子轨道，可用数学计算并程序化。分子轨道法处理分子结构的结果与分子光谱数据吻合。因此，从50年代开始，价键理论逐渐被分子轨道理论

28、所替代。因莫利肯用量子力学创立了化学结构分子轨道理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构，1966年荣获诺贝尔化学奖（70岁）。,1952年，日本化学家福井谦一提出了前线轨道理论。基本观点：分子的许多性质是由最高占据轨道和最低未占轨道决定的，即给电子分子中的能量最高被占分子轨道(HOMO)和受电子分子中能量最低未占分子轨道(LOMO)在化学反应中起主导作用。,1965年，美国化学家伍德沃德和霍夫曼以前线轨道理论为工具讨论了周环反应的立体化学选择定则，从动态角度来判断和预言化学反应的方向、难易程度和产物的立体构型等，把量子力学由静态发展到动态，从而提出了分子轨道对称守恒原理。这一理论被认为是认识化

29、学反应发展史上的一个里程碑，霍夫曼的分子轨道对称守恒原理和福井谦一的前线轨道理论共获1981年诺贝尔化学奖（福井谦一，63岁；霍夫曼，44岁）。,美国化学家科恩(WKohn)发展了电子密度泛函理论；英国化学家波普尔(JAPople)发展了量子化学计算方法，为表彰他们在量子化学领域作出的开创性贡献，1998年诺贝尔化学奖授于了科恩（75岁）和波普尔（73岁）。,分子轨道理论中是以分子中每个电子的状态作为波函数进行量子化学计算的。对简单的小分子，从薛定锷方程的求解中可得到分子的能量、偶极矩、电子分布等性质；但对稍为复杂一点、分子量大一点的分子，其计算量就大到量子化学家们无法解决了。Kohn的密度泛

30、函理论给分子性质的计算开辟了新途径。把过去单个电子的波函数变成电子密度的概念来进行计算，大大地简化了程序，减少了计算量。再加上Pople发展了一系列量子化学计算方法，可计算分子体系的能量，分子的平衡性质，过渡态和反应途径，分子的电、磁和光性质等等，使化学进入实验和理论计算并重的新时代。,2、化学工业的发展,化学工业在20世纪初崛起：染料、炸药、酚醛树脂、药物、以及酸、碱、盐等工业；化肥、农药；石油化工；三大合成材料；医药工业,第二节 合成化学的发展 Make me a molecule,有机化合物的分子结构 特点 合成化学中的简单理论 复杂分子的制造,合成化学家的任务：设计和合成自然界存在或不

31、存在的新物质,合成化学应用领域 化学产品和制药行业的基础。许多材料都是通过化学合成制得，虽然化学家们并不是直接生产所使用的化学产品，但是药物、农药、塑料以及液晶等物质都是通过化学合成得到。,合成化学的发展,1880年只有12000种化学物质，2014年已经发展到4800多万种新化学物质,每年新增30余万种新物质。现代，由化学合成制得的新化合物绝大多数都是有机化合物。,有机分子手征性的发现,1848年，法国化学家巴斯顿（L.Pasteur,18221895）发现酒石酸两种不同的存在形式：左旋酒石酸右旋酒石酸,图11：巴斯顿把酒石酸晶体分 开成两个镜像异构体,许多有机化合物存在光学异构体，尤其是药

32、物 如：沙利度胺（Thaldomide)又名反应停,20世纪60年代，沙利度胺的R-构型与S-构型混合使用，主要应用于早期的妊娠反应，作为孕妇用的止吐剂。,R-构型：镇静剂，无致畸作用S-构型：无镇静作用，致畸变图12：沙利度胺的两种光学异构体的不同生理作用,沙利度胺的S-异构体可导致严重的致畸性,1957年1962年，造成数万名婴儿严重畸形。进一步研究表明，其致畸作用是由沙利度胺其中的一个异构体（S-异构体）引起的，而R-构型即使大剂量使用，也不会引起致畸作用,图13：沙利度胺的另一个对映体可 导致 严重的致畸性。,3、复杂分子的制造,1890年，德国化学家费歇尔（E.Fischer)190

33、2年获得了诺贝尔化学奖,图14：Emil Fischer,合成了世界上第一个当时认为具有复杂结构的有机分子 D-葡萄糖,图14 D-葡萄糖,20世纪40年代，英国牛津大学化学家鲁滨(R.Robinson 18861975年)合成了一系列复杂的天然化合物。,图15：Robert Robinson 图15：托品酮一步合成法 托品酮是一种抗疟疾药物，结构相当复杂 1947年，鲁滨逊获得了诺贝尔化学奖,最辉煌的业绩是托品酮的合成,有机合成化学大师维克多格林尼亚：,法国有机合成化学家，1912年获诺贝尔化学奖 被人骂出来的诺贝尔化学奖得主 优越的家庭造就出一个没有出息 的二流子 波多丽伯爵严词教训，格林

34、尼亚 浪子回头 离家出走，重新做人 发愤苦读，功成名就,格林尼亚（Grignard）试剂仍是有机反应和合成中最常用的试剂之一。格林尼亚试剂亦称格氏试剂-有机镁化合物（RMgCl）。在格氏试剂中的烃基是一种活性很高的亲核试剂，能够发生加成、取代、偶合等反应。,1928年狄尔斯(ODiels)和阿尔德(KAlder)发现了双烯合成反应（又叫Diels-Alder反应），是共轭二烯与烯、炔进行环化加成生成环己烯衍生物的反应。例如：Diels-Alder反应的发生只需要光照或加热，而不受催化剂或溶剂的影响。反应时共轭二烯易与含有被羰基、羧基、氰基或硝基所活化的双键、叁键发生加成反应，具有普遍性。为此，

35、二人获1950年诺贝尔化学奖（狄尔斯，74岁；阿尔德，48岁）。,尝试人工合成生物分子一直是有机合成化学的研究重点。甾体(AWindaus，法国，52岁）1928年诺贝尔化学奖)、抗坏血酸(WNHaworth，英国，54岁）1937年诺贝尔化学奖)、生物碱(RRobinson，英国，61岁）1947年诺贝尔化学奖)多肽激素的合成的(Vdu Vigneand，美国，54岁）1955年诺贝尔化学奖),有机合成大师Woodward先后合成了一系列复杂有机分子和有机配体配合物，1965年荣获诺贝尔化学奖。并提出了分子轨道对称守恒原理。,维生素B12,现代有机合成化学经过了20世纪近100年的努力研究、

36、探索、累积。海葵毒素(polytoxin)-具有64个手性中心和7个骨架内双键的分子，存在有271个异构体。,合成化学已取得惊人的发展，趋向应用简单的合成方法，合成复杂的分子。,2001年获诺贝尔化学奖的R.Noyori(日本)、B.Sharplessd(美国)等三位化学家，应用不对称催化技术合成复杂的有机分子，而且 在工业上获得极好的应用。2001年度诺贝尔化学奖得主R Noyori的工作,图16：Ryoji Noyori 图16 应用手性催化剂选择性地合成了一系列手性药物,2001年度诺贝尔化学奖得主 B.Sharplessd 的工作：,图17：Barry Sharplessd与他的学生,

37、图17：应用不对称催化技术的 环氧化反应,抗癌药物紫杉醇的发现和利用,紫杉醇（20世纪80年代末发现）具有很强的抗癌活性。从美国西太平洋彼岸生长的紫杉树的树皮中提取得到，紫杉树是一种濒临灭绝的物种，非常珍贵。化学家们又从紫杉树的针叶中提取得到紫杉醇母核，再经过新的合成技术得到紫杉醇，大大缓解了紫杉醇来源的困难，但由于提取量太少，不能满足消费需求。现在化学家们通过不对称新技术，以全合成方法得到紫杉醇,图18：Toxal（紫杉醇）,Bacatin(紫杉醇母核）,紫杉树,如何评价不同的全合成路线？包括：起始原料、步骤路线、总收率高低、合成反应的选择性等。这些对形成有工业前景的生产方法和工艺是至关重要

38、的，也是现代有机合成的发展方向。,(1)高选择性 化学和区域选择性，立体选择性，对映选择性；,(2)合成效率和经济性 如减少合成步骤、会聚式合成、使用价廉易得的原料和试剂、平和和宽容的反应条件等；,利用化学反应和过程来制造产品的化学过程工业。(包括化学工业、精细化工、石油化工、制药工业、日用化工、橡胶工业、造纸工业、玻璃和建材工业、钢铁工业、纺织工业、皮革工业、饮食工业等)在发达国家中占有最大的份额。(这个数字在美国超过30)而且还不包括诸如电子、汽车、农业等要用到化工产品的相关工业的产值。,发达国家从事研究与开发的科技人员中，化学、化工专家占一半左右。,世界专利发明中有20与化学有关。化学在

39、改善人类生活方面是最有成效、最实用的学科之一。,化学工程,在未来化学化工学科发展的最基本的问题是：化学化工以及与相关学科的融合交叉中创新的问题。,化学研究的创新有程度的不同：,可以原始创新,可以是跟踪的创新，即沿用别人思路和方法，在别人开拓的领域中做填平补齐、拾遗补缺的工作；,可以是积累的创新，在传统课题长年积累的大山上再添砖添瓦。,化学创新,人们预测化学的前景，认为21世纪将是化学的时代。,从化学的角度认为，世界上没有一种可以称为废物的东西。,利用化学原理和方法，人们可从水、空气、矿石、树叶等天然原料中制造钢铁、化肥、人造纤维、药物等人们所熟悉的产品。,人类对物质的需求，不论在质量上还是在数

40、量上，总是在不断发展的。而满足其需求的核心基础学科不仅现在是化学，而且将来仍然是化学。,化学前景,第三节 聚合物化学The age of plastics,聚合物的应用 什么是聚合物 现代高分子化学聚合过程的化学行为聚乙烯材料的应用领域扩展尼龙（Nylons).,图19：塑料制造的交通标志,1、聚合物的应用,人们日常用品许多都是由聚合物制造。聚合物产品包括多元酯纤维、聚氨酯泡沫、尼龙线、胶带。常见的产品：床单、棉被和毛毯、油漆、PVC窗框、软家具设备、化妆品、包装材料等，在服装交通、甚至外科移植手术也得到了广泛的应用。,图20：聚合物制造的唱片,表四：聚合物的应用范围,由于塑料具有质轻、坚硬、

41、耐用等优点，也易加工和上色，还可以通过辅助加工而获得特殊的性质和用途，在许多情况下，塑料已取代了木材、石头、玻璃、皮革、天然纤维和金属。,塑料、合成橡胶和合成纤维三大合成材料,在人类目前已拥有的4800多万种化合物中，绝大多数是化学家合成的，正如诺贝尔化学奖获得者Woodward所说：化学家在旧的自然界旁又建起了一个新的自然界。合成化学为满足人类对物质的需求作出了重要贡献。,三大合成材料是20世纪人类文明的重要标志。,2、什么是聚合物,聚乙烯我们所熟悉的最简单的碳聚合物，聚乙烯分子中，一条链上可连接5000个以上碳原子，因此，称为高分子化合物（聚合物）。,聚合物是由许多小分子（单体）聚合形成的

42、长链大分子，并且都是由碳元素相互连接而成。,图21：聚乙烯分子的结合形式,聚乙烯的性能应用：,热塑性：聚乙烯分子整齐地排列，加热时先变软，然后熔成有粘性的液体。冷却，又可变成高度整齐的晶体形式，恢复原有的性质。因此，通过将聚乙烯加热，可塑造成各种形状。,图22：汽车轮胎也是由聚合物制造的。,3、现代高分子化学的兴起,塑料、人造橡胶、人造纤维、涂料、粘合剂等都是高分子化学工业的主要产品。人们在享用这些产品的时候，不能忘记对高分子科学作出杰出贡献的化学家们。,图23：塑料产品,对高分子科学作出杰出贡献的科学家：施陶丁格（H.Staudinger)德国化学家,1920年，创立了高分子链型学论，认为原

43、子按正常价键结合，几乎可以构成任何长度的链状分子。建立了高分子稀溶液的粘度与它们分子量之间的定量关系。1953年，获得高分子化学领域的第一个诺贝尔化学奖。,图24:H施陶丁格,弗洛里（Paul Flory)美国斯坦福大学,1936年，提出了高分子缩聚反应中，所有功能团都具有相同活性的基本原理，并发展了非线性聚合物理论 1974年，荣获诺贝尔化学奖。,图25：P 弗洛里,卡拉丝()美国杜邦公司,1931年，合成了氯丁橡胶。氯丁橡胶是一种重要的高分子产品。耐磨，耐腐蚀的优良材料，现今仍广泛应用。1935年，研制成功尼龙-66。尼龙-66是优良、高弹力的聚合物，主要应用制作紧身服装袜、降落伞等材料。

44、,图26：Wallace Carothers,三大合成材料,20世纪创造的三大合成材料塑料、橡胶、合成纤维是具有重大科学成就的发明。,4、聚合过程中的化学行为,乙烯的聚合过程：由乙烯作为原料，许多个乙烯单元在高温高压下结合生成这个过程称为自由基聚合。,乙烯（C2H4）中，两个碳以双键结合，每个碳与两个氢 以单键结合。碳原子间的两个共价键（-键、-键）的强度不同，-键容易断裂，形成碳原子各带一个电子的自由基。,图28：乙烯的结构,假设把乙烯放在高温、高压密闭容器中碰撞反应：,乙烯分子在高温高压下相互碰撞，形成未配对的电子（也称自由基），这些自由基与更多的乙烯分子碰撞，最 后生成聚乙烯。,图29：

45、乙烯的聚合过程,5、聚乙烯材料的应用领域扩展,军事材料：1939年底，英国的CIC公司开始销售聚乙烯产 品，主要是作为军事材料使用，如雷达的高频电 线绝缘材料。生产量：聚乙烯的生产量直线上升（见下表）表5：聚乙烯各年度的生产量,1950年以后，聚乙烯主要作为民用材料开发：如塑料薄膜、塑料袋、水桶、碗等一般民用材料。,图30:聚乙烯挤压加工成塑料薄膜,聚乙烯作为民用材料的开发利用,高性能聚乙烯材料的开发 自由基聚合生产的聚乙烯产品支链化,自由基聚合得到的聚乙烯产品支链化程度高，分子结构不紧密，硬度和耐热性能较低，因此只适宜加工成为一般的民用低级产品。,图32：在线性聚乙烯分子中，穿插 了许多长短

46、不一的支链,聚乙烯产品能否加工成高性能的工程材料和医用材料？新的聚合方法配位聚合反应,1953年，德国化学家 Ziegler 应用新型催化剂（C2H5)3AlTiCl4体系，在常温常压下成功地将乙烯聚合成聚乙烯。为此获得了1963年诺贝尔化学奖。,图33：德国化学家KZigler,配位聚合工艺生产聚乙烯的优点：,聚乙烯塑料的生产成本大幅度下降，生产工艺更安全。聚乙烯塑料的分子量增大，密度增高，机械性能和耐用性能都增强称之为高密度聚乙烯塑料,新的聚乙烯产品在应用领域的扩展,由于聚乙烯工艺的改进，支链减少，分子紧密，强度增加，可以应用作为铜线的绝缘支撑材料。,图34：应用作为绝缘材料,图35：加工

47、成运动鞋,聚乙烯的耐磨性和硬度的提高，可以加工制作成为旱冰鞋。,新的聚乙材烯产品在应用领域的扩展,图36：加工成日用产品的包装瓶,采用新工艺生产的聚乙烯塑料，其分子排列整体，强度高，透明度高，可以制作成极薄的材料如塑料瓶。,新的聚乙烯产品在应用领域的扩展,图37：加工成人工关节和骨头代用品,采用新工艺生产的聚乙烯塑料，其分子排列整体强度高，可以加工制作成为医用外科材料人工关节、骨头代用品。,新的聚乙烯产品在应用领域的扩展,图38：聚乙烯塑料加工的塑料管,聚乙烯塑料强度的提高，以及耐腐蚀等优点，应用作为工程塑料塑料管代替了金属管。,新的聚乙烯产品在应用领域的扩展,现代社会中，由高分子聚合材料加工

48、制作的各种产品已无法统计，其用途非常广泛,图39：现代塑料材料制作 的提款机,图40：美式足球运动员 的防护罩,6、聚合物的另一类产品 尼龙（Nylons),尼龙材料主要用途女性服装,图41：尼龙作为女性弹力 服装的材料,尼龙是一种什么材料？它是怎样合成的？,尼龙是1935年由美国杜邦公司的W.H.Carothers 研究成功。,图42：Wallace Carothers,Carothers 开创的合成尼龙-66路线：,己二胺和己二酸通过质子转移形成羧酸铵盐，再加热，脱水生成酰氨键，得到产物尼龙-66,图43：尼龙66的合成路线,尼龙产品的分类和应用,尼龙-66与其它织物的混纺产品，这些布匹是

49、25 的尼龙-66和纤维混纺，颜 色鲜艳，着色力强。,尼龙不是指一种单一的材料，而是一类材料的 通称，通常以尼龙后面的数字来识别物质的性能。,图44：尼龙-66和纤维的混纺产品,尼龙产品的各个牌号都已生产，从尼龙-6，尼龙-10，46，66，69，610，612应用于各个领域,尼龙-10由材料加工制作的牙刷和运动器材,由于尼龙-10遇水保持坚硬不变形，主要应用作为牙刷和运动器材,图45：尼龙-10材料加工 制作的牙刷,7、小结,高分子材料虽然发展的历史较短，但由此获得的三大材料（尼龙、橡胶、合成纤维）已是国民经济的主要组成部分。目前，有商业意义的高分子材料还有许多，如聚丙烯材料、聚酯、导电塑料

50、、发光聚合材料等。21世纪，聚合物仍然对我们的生活产生重大的影响。,第四节：生命化学,生命是一个复杂的化学过程。在以往的30多年中，化学家和生物学家们在分子水平上了解和掌握了生命体系的复杂过程。这个新的知识领域对于改善人们的健康起了重要的作用。,生命起源,19世纪三大发现之一 细胞学说动植物的基本单元都是细胞细胞的组成细胞膜细胞核、细胞质数百万个细胞筑成生命体,图46：细胞与生命,一、化学合成药物的问世,包括中国的中药，西方的吗啡、阿托品、奎宁。,图47：植物药物,1、20世纪初以前的药物主要指从植物中 提取的有效成分,人类的平均寿命,20世纪初，人类过早死亡的原因：传染病的传播，包括肺结核、