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展望21世紀的化學(一) |
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暫無
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| 關鍵詞： |
展望 世紀 化學 |
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| 所屬學科： |
高分子工程 |
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來源網絡 |
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第一篇 回顧與動向 前言第一章 20世紀化學的回顧 一、基礎研究的重大突破 1．放射性和鈾裂變的重大發現 2. 化學鍵和現代量子化學理論 3．創造新分子新結構——合成化學 4．高分子科學和材料 5．化學動力學與分子反應動態學 二、在化學基礎研究推動下化學工業的大發展1．石油化工 2．三大合成材料 3．合成氨工業 4．醫藥工業 第二章 從20世紀末化學基礎學科的動向看未來發展趨勢 一、無機化學 1．現代無機合成 2．配位化學 3．原子簇化學 4．超導材料 5．無機晶體材料 6．稀土化學 7．生物無機化學 8．無機金屬與藥物 9．核化學和放射化學 二、有機化學 1. 有機合成化學 (1)天然復雜有機分子的全合成(2)不對稱合成 2. 金屬有機化學和有機催化 (1)金屬有機化合物的合成、結構和性能研究(2)金屬有機導向的有機反應 3. 天然有機化學 (1)天然產物的快速分離和結構分析鑒定 (2)傳統中草藥的現代化研究 (3)天然產物的衍生物和組合化學 (4)生物技術 4. 物理有機化學 (1)分子結構測定 (2)反應機理 (3)分子問的弱相互作用 5．生物有機化學三、物理化學 1．結構化學 2．化學熱力學 3．化學動力學 4．催化 (1)多相催化 (2)均相催化 (3)光催化 (4)電催化 (5)酶催化和仿酶催化 5. 量子化學 四、高分子化學 1. 高分子合成 2. 高分子高級結構和尺度與性能的關系3. 高分子物理 4. 高分子成型 5. 功能高分子 6. 通用高分子材料及合成高分子的原料五、分析化學 1. 光譜分析 2. 電化學分析 3. 色譜分析 4. 質譜分析(MS)(1)質譜聯用(2)串聯質譜(3)傅立葉變換質譜FT-MS (4)整分子氣化和多光子電離技術(LEIM-MUPl)5. 核磁共振(NMR) (1)提高磁體的磁場強度 (2)發展三維核磁共振技術(3D-NMR)(3)固體NMR和NMR成像技術 6．表面分析 7．放射化分析 8．單分子(原子)檢測體系和儀器的研制 六、化學工程 1．化工過程的多尺度效應 2．化學反應-催化-反應器 3．非傳統反應工程 (1)超臨界反應工程 (2)反應-分離過程集成 (3)人為非定態反應工程 4．生化反應工程 第三章 交叉學科和熱點研究領域 一、生命科學 1．生命的基礎物質研究 2．遺傳物質的作用 3．人類基因組計劃 4．酶結構和催化功能的關系研究 5．腦科學 6．模擬生命過程和生命體系的合成 二、材料科學 1．新型導電材料 (1)半導體材料 (2)超導材料 (3)有機導體 (4)有機磁性材料2．新型光學材料 (1)非線性光學材料(2)液晶和有機電致發(3)光開關材料 3. 新型陶瓷材料 (1)工程陶瓷 (2)電氣陶瓷 (3)超硬陶瓷材料 (4)熱敏元件陶瓷 4. 復合材料 (1)聚合物基復合材料(2)陶瓷基復合材料(3)金屬基復合材料5. 生物醫學材料 6. 新型合金材料 (1)輕質合金 (2)貯氫合金 (3)超耐熱合金 (4)形狀記憶合金 7. 高分子材料 三、環境化學 1. 什么是環境化學 2. 環境化學的研究方向(1)環境分析化學 (2)大氣環境化學 (3)水環境化學 (4)土壤環境化學 (5)元素化學循環 (6)控制污染的化學 (7)環境計算化學 四、綠色化學 1．什么是綠色化學 2．綠色化學的發展方向 (1)新的化學反應過程研究 (2)傳統化學過程的綠色化學改造 (3)能源中的綠色化學問題和潔凈煤化學技術(4)資源再生和循環使用技術研究 (5)綜合利用的綠色生化工程 五、能源化學 1．氫能 2．燃料電池 3．生物質能源 4．太陽能電池 5．海水鹽差發電 六、計算化學 1．什么是計算化學 2．計算化學的發展方向(1)研究分子結構和性能的關系 (2)研究化學反應是如何發生的 (3)預測化學反應的產物及新化合物具有什么樣的化學性質(4)生物大分子的空間結構、取向和形態研究 (5)研究分子—分子體系的排列和相互作用 (6)計算機對化學過程的模擬 七、納米化學 1．納米化學合成 (1)納米插層聚合 (2)相分離嵌段聚合物(3)雜化材料 (4)組裝合成納米相 2．納米檢測技術 3．納米材料的異常行為及其用途 4．納米化學研究動向與課題 八、手性藥物和手性技術 1．什么是手性藥物? 2．手性藥物分類 3．如何制造手性藥物? (1)手性合成 (2)手性拆分 第四章 化學工業與國民經濟的關系一、農業 1．肥料2．農藥 3．植物激素及生長調節劑 4．光合作用和固氮 (1)光合作用 (2)固氮 5．優良品種和基因工程 二、能源 1．煤的高效和清潔化燃燒 2．天然氣的開發和利用 3．石油的開采、精煉和燃燒 4．核能利用 三、石油化工、天然氣化工和煤化工1．石油化工 2．天然氣化工 3．煤化工 (1)煤的拔頭上藝生產液體燃料(2)煤制合成氣(CO+H2) 四、健康與醫藥 1．基因藥物 2．酶抑制劑的研究和開發 3．受體拮抗劑或阻斷劑 4．手性藥物 5．常見病和多發病治療藥物的研制 6．中醫藥現代化 五、新功能材料 1．微電子材料和器件 2．超導材料 3．新型納米陶瓷 4．光纖通訊材料 5．聚合物結構材料 6．醫用材料 六、日用化學品和精細化工第二篇 展望一、20世紀化學的回顧與未來化學學科發展的趨勢 1．科技發展的基本考慮 2．20世紀的化學在推動人類進步和科技發展中起了核心科學的作用 (1)為人類進步提供物質基礎 (2)在相關學科的發展中起了牽頭作用 3．對20世紀末化學現狀和地位的不同估計 二、未來化學的作用和地位 1．化學仍是解決食物短缺問題的主要學科之一 2．化學在能源和資源的合理開發和高效安全利用中起關鍵作用 3．化學繼續推動材料科學發展 4．化學是提高人類生存質量和生存安全的有效保障 三、21世紀化學科學發展的總趨勢 1．微觀與宏觀相結合 2．靜態與動態(過程)相結合 3．由復雜到簡單，再由簡單到復雜 四、未來化學研究模式 (1)從實際問題中抽出化學基本問題來研究 (2)吸收其他學科的新理論和新結果，孕育化學生長點 (3)與其他學科融合，開拓化學新領域 (4)把握動向和時機，提出新的思路和新的研究方向 (5)重視化學學科自身發展與整體科學技術的發展相結合 五、其他學科中的基本化學問題 1．生命科學中的基本化學問題 (1)生物大分子之間、生物大分子與小分子之間的各種相互作用 (2)生物功能分子的結構與功能關系的研究 (3)生命過程復雜性的研究 2．材料科學中的基本化學問題 (1)分子結構-分子聚集體高級結構-材料結構-理化性質-功能之間的關系 (2)合成功能分子與構筑高級結構的理論與方法的研究 (3)分子器件的研究 (4)模擬生物材料形成過程的基礎研究 3. 可持續性發展的基本化學問題——綠色化學和環境化學六、21世紀化學學科的發展方向 1．尋求結構多樣性的研究與功能研究結合 (1)尋求結構復雜性和多樣性的目標結構包含高級結構 (2)組合化學研究 (3)發現和尋找新合成方法 (4)結構化學與合成化學結合 2．復雜化學體系的研究 (1)復雜系統中的多層次結構研究 (2)尺度效應和多尺度問題 (3)復雜系統過程問題 3．化學信息學和高效計算機信息處理 (1)功能分子信息處理 (2)與生物銜接的化學信息學 (3)與化學反應和化學過程銜接的化學信息學 4．新實驗方法的建立和方法學研究 5．跟蹤、分析、模擬化學反應過程 編者附話 第三篇發言匯編21世紀的高分子化學（王佛松、何天白）化學研究的空白區和未來發展的前沿（王夔） 微系統與化學（田中群） 化學的新問題：仿生自組裝和開發植物能源（朱清時、閻立峰）21世紀的核化學與放射化學展望（劉元方） 充滿希望的新世紀對21世紀化學學科發展一些看法（吳毓林）化工過程中的多尺度效應（李靜海） 生命科學進展中的化學機遇（張禮和） 化學計量學與21世紀的化學（俞汝勤、梁逸曾） 展望21世紀的分析科學（黃本立） 后記
前言現在很多人在預測21世紀學科發展前景。推測21世紀的化學會在哪些方面有歷史性突破?什么是未來化學的新生長點?它會發展成什么樣的學科?它在整個科學體系中占有什么地位?從另一方面看，21世紀中化學會遇到來自哪一方面的挑戰?會遇到什么難題?會陷入什么困境?絕大多數化學工作者都會思考這些問題，但是實際上誰也說不清這些問題。如果我們一個一個地來考察科學技術領域中的重要發現和創造，似乎都發生在偶然的機會之中；而且，好像計劃制訂得越明確、預期目標越清楚、實驗方案越合理、可行，就越不大可能有重大突破。那么，是否科學研究中的創新既不可能預見，也不可能有計劃地達到呢?走不是人們只能隨著科學發展的潮流，等待機遇呢?實際上，我們只要溫故以知新，還是可以看出發展的動向來的。在19世紀末到20世紀初，有幾個重要動向決定了20世紀的化學發展方向。周期律、原予結構、放射性、人工放射性元素、量子論以至量子化學等等形成了貫穿100年的向物質的微觀本質深入的一條主線。另外，從熱力學到動力學，從平衡態到非平衡態，這是化學宏觀研究的另一條主線l從制備到合成，從無機化合物到有機化合物，從小分子到高分子，從簡單分子到復雜分子，這條合成化學發展途徑也是從19世紀末發展到20世紀中去的。這說明，可以從分析目前發展動向去看未來若干年的發展方向。在這一部分中我們將給讀者展示化學各個領域過去的歷史和目前的動向，希望讀者能夠從中找到未來化學發展的方向。 學科的劃分、融合和重組，恐怕是不能停止的，而且越來變化越快。化學誕生之后漸漸形成無機化學、有機化學、分析化學和物理化學等少數幾個分支學科。如此發展了上百年。但是，一方面隨著研究的細化，它們又分化成新的學科；另一方面又因為實際問題大多數是綜合的，不能早靠一個分支學科所能解決。因此又不斷交叉、融合，產生另外一些新學科。在這一部分，先討論各個傳統分支學科的動向，然后再討論交叉學科的動向。 這一部分是根據1999年在香港由香港理工大學主辦、有兩岸三地主要化學家參加的“21世紀化學前景討論會”上的發言，集思廣益編寫而成的。初稿又經過許多化學家提出意見，作了許多修改和補充。得獎年份獲獎者國籍獲獎時年齡(歲)獲獎成就1999A.H.Zewail美國53飛秒激光技術研究超快化學反應過程和過渡態1998W.KohnJ.A.Pople美國英國7573發展了電子密度泛函理論發展了量子化學計算方法1997J.SkouP.BoyerJ.Walker丹麥美國英國797956發現為此細胞中鈉鉀濃度平衡的酶，并闡明起作用機理發現了能量分子三磷酸腺苷的形成過程1996R.F.CurlR.E.SmalleyH.W.Kroto美國美國英國585357發現C601995M.MolinaS.RowlandP.Crutzen墨西哥美國荷蘭526862研究大氣環境化學，特別在臭氧的形成和分解研究方面做出的貢獻1994G.A.Olah美國67碳正離子化學的研究1993M.SmithK.B.Mullis加拿大美國6148寡聚核苷酸定點誘變法對基因的貢獻多聚酶鏈式反應技術對基因的貢獻1992R.A.Marcus美國69電子轉移反應理論1991R.R.Ernst瑞士58高分辨核磁共振譜法的發展1990E.J.Corey美國62有機合成的逆合成分析法1989T.CechS.Altman美國美國4150Ribozyme（核糖核酸酶）的發現1988J.DeisenhogerH.MichelR.Huber德國德國德國454051測定了細菌光合反應中心膜蛋白-色素復合體的三維結構，為光化學反應做出的貢獻1987C.J.PedersenD.J.CramJ.M.Lehn美國美國法國836848開創主-客體化學，超分子化學，冠醚化學等新領域1986李遠哲D.R.HerschbachJ.Polanyi美籍華人美國加拿大505455發展了交叉分子束技術，紅外線化學發光方法，對微觀反應動力學研究做出的貢獻1985H.A.HauptmanJ.Kale美國美國6867發明了X-射線衍射確定晶體結構的直接計算方法，對分子晶體結構測定方法做出的貢獻1984R.B.Merrifield美國63發明了固相多肽合成法1983H.Taube加拿大68在金屬配位化合物電子轉移反應機理研究中做出的貢獻1982A.Klug英國56創造了“象重組”技術，揭示病毒結構1981Kenich FukuiR.Hoffmann日本美國6344提出前線軌道理論提出分子軌道對稱守恒原理1980P.BergF.SangerW.Gilbert美國英國美國546248DNA分裂和重組研究，確定DNA內核苷酸排列順序的方法，開創了現代基因工程學1979H.C.BrownG.Wittig美國德國6782在有機合成中發展了有機硼、有機磷試劑和反應1978P.Mitchell英國58用化學滲透理論研究生物能的轉換1977I.Prigogine比利時60研究非平衡的不可逆過程熱力學，提出了耗散結構理論1976W.N.Lipscomb,Jr美國57有機硼化合物的結構研究，發展分子結構學說和有機硼化學1975J．W．CornforthV．Prelog英國瑞士5869酶催化反應的立體化學研究有機分子和反應的立體化學研究1974P．J．Flory美國64高分子物理化學理論和實驗力面的基礎研究1973G，WilkinsonE．O．Fischer英國德國5245研究二茂鐵結構，發展了金屬有機化學和配合物化學1972C.B．AnfinsenS．MooreW. H．Stein美國美國美國565961研究核糖核酸酶分子結構和催化反應活性中心1971G．Herzberg加拿大67分子光譜學和自由基電子結構的研究1970L．F．Leloir阿根廷64在糖生物合成中發現了糖核苷酸的作用1969D．H．R．BartonO．Hassel英國挪威5172發展分子空間構象概念分析及其在化學中的應用1968L．Onsager美國65不可逆過程熱力學研究1967M．EigenR．G．W．NorrishG．Porter德國英國英國407047用弛豫法、閃光光解法研究快速化學反應1966R．S．Mulliken美國70創立了分子軌道理論，闡明了分子共價鍵本質和電子結構1965R．B．Woodward美國48在天然有機化合物的合成方面作出重大貢獻1964D．C．Hodgkin英國54重要生物大分子的結構測定1963K．ZieglerG．Natta德國意大利7060發明了Ziegler-Natta催化劑，首次合成了定向有規高聚物1962M．F．PerutzJ. C. Kendrew英國英國4845研究蛋白質結構的杰出貢獻1961M．Calvin美國50研究植物中CO2進行的光合作用1960W．F．Libby美國52發明了14C測定地質年代的方法1959J．Heyrovsky捷克69發明極譜分析法1958F．Sanger英國40對蛋白質結構特別是胰島素結構的測定1957A．Todd英國50對核苷酸和核苷酸輔酶的研究1956C．N. HinchelwoodN．Sernenov英國前蘇聯5960對化學反應機理和鏈式反應的研究1955V．du Vigneand美國54對生物化學上重要含硫化合物的研究，第一次合成多肽激素1954L．Pauling美國53對化學鍵本質的研究并用于闡明復雜物質的結構1953H．Staudinger德國72高分子化學方面的杰出貢獻1952A．J．P．Martin R．L．M．Synge英國英國 4238發明分配色層分析法1951E．M．Mcmillan G．Seaborg美國美國44 39發現超鈾元素1950O．DielsK．Alder德國德國7448發現了雙烯合成反應，即Diels- Alder反應1949W．F．Giaugue美國54對化學熱力學特別是超低溫下物質性質的研究1948A．W．K．Tiselius瑞典46對電泳和吸附分析的研究，發現了血清蛋白1947R．Robinson英國61對生物活性的植物成分研究，特別是生物鹼研究1946J．B. SumnerJ．H．NorthropW．M．Stanley美國美國美國555942發現酵的類結晶法分離得到純的酶和病毒蛋白1945A．J．Virtarnen荷蘭50發明了飼料貯存保鮮方法，對農業化學和營養化學作出貢獻1944O．Hahn德國65發現重核裂變1943G．Heresy匈牙利57利用同位素示蹤研究化學反應1942無1941無1940無1939A．F．J．ButenandtL．Ruzicka德國瑞土3652性激素研究聚亞甲基多碳原子大環和多萜烯研究1938R．Kuhn德國38維生素和類胡蘿卜素研究1937W．N．HaworthP．Karrer英國瑞士5448發現了糖類環狀結構和合成Vc胡蘿卜素、核黃素及維生素A和B2的研究1936P．Debye荷蘭52提出了極性分子理論，確定了分子偶極矩的測定方法1935F．Joliot-CurieI．Joliot-Cude法國法國3538合成了新的人工放射性元素1934H．C．Urey美國 41發現重水和重氫同位素1933無1932J．Langmuir 美國51表面化學研究1931C.Bosch F.Bergius德國德國5747發明和發展了化學高壓法1930H．Fischer德國49血紅素和葉綠素的結構研究，合成了高鐵血紅素1929A.HardenH．von Euler-Chdvin英國法國6456糖的發酵和酶在發酵中作用的研究1928A.Windaus法國52甾醇的結構測定和維生素D3合成1927H．Wiehnd德國50發現膽酸及其化學結構1926 T．Svedberg瑞士42發明超迷離心機并用于高分散膠體物質研究1925R．Zsigmondy德國60對膠體化學研究的卓越貢獻1924無1923F．Pregl奧地利54確定有機化學微量分析方法1922F．W．Aston英國45發明了質譜儀，發現了許多非放射性同位素及原子量的整數規則1921F．Soddv英國44對放射性化學物質的研究及對同位素起源和性質的研究1920W．Nernst德國56熱化學研究1919無1918F．Haber德國50氨的合成1917無1916無1915R．Willstatter德國43對葉綠素和植物色素的研究1914Th.Richards美國46 精密測定了許多元素的原子量1913A．Wether瑞士47金屬絡合物的配位理論1912V．GrignardP．Sabatier法國法國4158格林尼亞試劑的發明有機化合物的催化加氫1911M．Curie波蘭44發現放射性元素釙和鐳1910O．Wallach德國63對脂環族化合物的開創性研究1909W．Ostwald德國56催化研究，電化學和化學反應動力學的研究1908E．Rutherford英國37元家嬗變和放射性物質的化學研究1907E．Buchner德國47發酵的生物化學研究1906H．Moissan法國54制備單質氟，發展了一種高溫反射電爐1905A．von Baever德國70對有機染料和氫化芳香化合物的研究1904W．Ramsay英國52在大氣中發現惰性氣體，并確定它們在元素周期表中的位置1903S．Arrhenius瑞典44電離理淪1902E. Fisher德國50糖類和嘌呤化合物的合成1901J．H．van’t Hoff荷蘭49溶劑中化學動力學定律和滲透壓定律從上述諾貝爾化學獎得者的年齡來看，最老的是1987年C.J.Pedersen為83歲，最少的是1935年F．Joliot-Curie為35歲，91屆諾貝爾化學獎獲得者的平均年齡為55.5歲。當然這是獲獎時的年齡，而他們的重大發現可能在10年或20年以前，其間要經過長期的考驗和評價，但從平均年齡55.5歲來看，確是“冰凍三尺非一日之寒”。二、在化學基礎研究推動下化學工業的大發展 化學工業在20世紀初崛起。從煤焦油衍生的染料、炸藥、酚醛樹脂、藥物等一系列化學工業以及合成氨、酸、堿等基本化學工業為解決衣食住行問題起了重大作用。在后半個世紀化學工業趨于科學化。一方面由于化學基礎研究的一些重大突破，推動了化學工業的大發展，使與化學相關的工農業務領域均相應地得到很大的進展；一方面它們又通過不斷提出問題和要求，推動了化學基礎研究。下面將分別列舉國民經濟中一些重要的化學工業的發展。1．石油化工 這是世界經濟發展中占重要地位的工業領域。世界化工總產值為1萬億美元左右，其中80％以上的產品均與石油化工有關。世界石油探明儲量為1.4萬億噸左右，石油煉制和加工已成為國民經濟的支柱產業。 石油化工從煉油開始，到分子量較小的每一種碳氫化合物(如乙稀、丙烯等)的生產均離不開催化，催化劑已成為石油化工的核心技寐；本世紀30年代催化劑進入于石油化工的大門，原油裂化成石油費晶的催化裂解，使石油的各種餾分成為各種不同用途的化工產品。如表2所示。
第二章 從20世紀末化學基礎學科的動向看未來發展趨勢
力的發展。 為了較為詳細的分析目前學科動向以便展望今后化學發展趨勢，下面將按二級學科：無機化學，有機化學，物理化學，高分子化學，分析化學和化工科學等六個方面來敘述。事實上這些學科間的界限越來越模糊，解決實際問題必須學科綜合。今后學科重組勢在必然。創新和突破可能在那些新的領域中有更多的機會。一、無機化學 人們周圍發生的和利用的化學過程許多是無機化學過程。人們周圍的物質和所創造的物質也有很多是無機物。 無機化學是研究無機物的組成、結構、性質和無機化學反應與過程的化學。無機物種類繁多，包括在元素周期表上除碳以外的所有元素以及由這些元素生成的各種不同類型的無機物，因此無機化學的研究范圍極其廣闊。21世紀無機化學研究的立足點在哪里，可以從以下幾個動向來探討。1．現代無機合成 無機化合物涵蓋周期表上碳以外各元素構成的物質，所以種類甚多，而且各種無機物的合成方法差別較大，無機合成化學中未經開拓的領域很多，新型無機物合成有很寬廣的前途。發現一種新的合成方法或一種新型結構，將就有一系列新的無機化合物出現，如夾心式化合物、籠狀、簇狀、穴狀化合物等；而且很多無機化合物都具有特殊的功能，如激光發射、發光、高密度信息存儲、永磁性、超導性、能源、傳感等，均有廣泛的應用前景。 現代無機合成化學首先要創造新型結構，尋求分子多樣性；同時應注意發展新合成反應、新合成路線和方法、新制備技術及對與此相關的反應機理的研究。注意復雜和特殊結構無機物的高難度合成，如團簇、層狀化合物及其特定的多型體(po1ytypes)、各類層間的嵌插(intercalation)結構及多維結構的無機物。研究特殊聚集態的合成，如超微粒、納米態、微乳與膠束、無機膜、非晶態、玻璃態、陶瓷、單晶、晶須、微孔晶體等。在極端條件下，如超高壓、超高溫、超高真空、超低溫、強磁場、電場、激光、等離子體等，可能得到多種多樣的在一般條件下無法得到的新化合物、新物相和新物態。如在高真空、無重力的宇宙空間條件下的無機合成，可能會合成出沒有位錯的高純度晶體。總之現代無機合成在21世紀會有所突破。2．配位化學 A．Werner創立的配位學說是化學歷史中的重要里程碑。他打破了以前的共價理論和價飽和觀念的局限；建立分子間新型相互作用，展現出在這之前想不到的新領域。在Werner之后，有人研究配合物形成和它們參與的反應；有人則研究配位結合和配合物結構的本質。很快配位化學就成為無機化學研究中一個主要方向，成為無機化學與物理化學、有機化學、生物化學、固體物理和環境科學相互滲透、交叉的新興學科。 配合物的類型迅速增加。從最初簡單配合物和螯合物發展到多核配合物、聚合配合物、大環配合物；從單一配體配合物發展到混合配體配合物，從研究配合物分子到研究由多個配合物分子構筑成的配合物聚集體。在20世紀中葉，Irving，Williams，Perrin創立了溶液配位化學。而Sillen和Stumm又由溶液配位化學研究導致后來的水化學、環境配位化學，直到Perrin，Williams建立多金屬多配體計算機模型。另外，對配位結構的微觀研究產生了配位場理論，豐富了量子化學理論，擴大了結構化學領域。 配位化學從60年代起就與生命科學結合，成為生物無機化學產生的基礎。陸續發現配合物的良好催化作用在有機合成、高分子合成中發揮了極大作用。 配位化學的另一個具有發展前景的領域是對具有特殊功能(如光、電、磁、超導、信息存儲等)配合物的研究。3．原子簇化學金屬原子簇化合物的發現開拓了又一個新領域，其后逐漸形成了一門新興的化學分支學科——金屬原子簇化學。20世紀70年代后由于化學模擬生物固氮、金屬原子簇化合物的催化功能、生物金屬原子簇、超導及新型材料等方面的研究需要，促使金屬原子簇化學快速發展。建立了一些合成方法，并且用結構化學和譜學等實驗手段了解了一些金屬簇合物結構與性能的關聯。在此基礎上探求成簇機理，從理論上研究其成鍵能力和結構規律。目前已有多種學說，如Lipscomb的硼烷三中心鍵模型，Sidgwick等的有效原子數(EAN)規則，Wade的多面體骨架成鍵電子對理論，Cotton的金屬—金屬多重鍵理論，Lauher的金屬原子簇的簇價軌道(CVMO)理論，Mingos的多面體簇骼電子對理論，張文卿的金屬原子簇拓撲電子計算理論，唐敖慶的成鍵與非鍵軌道數的(9n—L)規則，盧嘉錫的類立方烷結構規則，徐光憲的n×cp結構和成鍵規則及張乾二的多面體分子軌道理論等，從不同角度論述了金屬原子簇的內在結構規律。但這些規律均存在一定的局限性，尚沒有一個較為完善的理論來概括和解釋金屬原子簇化合物的實驗結果。在這一領域內，僅1976年W．N．Lipscomb因其有機硼化合物結構研究而獲諾貝爾化學獎；挑戰和機遇并存，有待化學家們繼續去努力和解決。4．超導材料 眾所周知，超導現象是1911年H．K．Onnes發現的。當汞冷卻到4 K時，其電阻突然消失。這種超導現象提供了十分誘惑的工業前景，但4K的低溫讓人們失去了應用的信心。直到1986年IBM公司瑞士蘇黎世研究實驗室的J．G．Bednorz和K．A．Mueller報道了一種銅、氧、鋇和鑭組成的陶瓷材料具有超導性能，轉變溫度為30 K，這是一種完全與過去已知超導體不同的新型材料，才激起了當時世界的超導熱。世界各國不少科學家相繼投入到研制超導材料的熱潮中，而后美國休斯頓大學的朱經武等很快研制成功一種含釔和鋇的銅氧化物YBa2Cu307，其轉變溫度在90 K，進入了液氮溫度區(氮在77K變為液體，所以可用液氮作為致冷劑使材料呈現超導性能)。1988年又研制出了轉變溫度為125 K的新型超導材料T12Ca2Ba2Cu3010。至今又是10多年過去了，與室溫超導材料的前景尚有很大距離，21世紀能否在室溫超導材料上有重大突破?這是對化學家和物理學家提出的挑戰! 關鍵在于這些混合氧化物的超導機理至今尚未被科學家們認識和理解。混合氧化物的超導性一直是物理學家研究的課題，其現在所得到的一些認識和規律沒有充分注意到化學結構基礎。因而人們不能解釋混合氧化物超導體為什么離不開Cu、Ba、Y和Bi這些元素；不能解釋它們的組成為什么和超導性有關；也不能解釋電子在這類材料結構中的運動和超導性的關系。簡單地說20世紀是以室溫超導的物理學研究為主；21世紀室溫超導化學必然發展。5．無機晶體材料 20世紀60年代出現了激光技術，由于其在方向性、相干性、單色性和高儲能性質等方面的突出優點引起了工業、農業、信息、軍事等方面的極大興趣。然而激光技術本身需要對激光光源進行變頻、調幅、調相、調偏等處理后才能起到信息傳遞的媒介和能源的作用。這與晶體的非線性光學效應有關，要依靠非線性光學晶體來完成這一處理過程。這就給無機化學提供了一個研究具有非線性光學性質的無機晶體的極好機遇。目前已有優質紫外倍頻材料低溫偏硼酸鋇(BBO)晶體，其空間群為R3c。這是目前輸出相干光波長短、倍頻效應大、抗光損傷能力高、調諧溫度半寬度較寬的紫外非線性光學晶體。類似性能的晶體還有LBO、NAB等。 另一類無機晶體是閃爍晶體，可作為高能粒子如電子、g-射線等的探測器。如BGO晶體(鍺酸鉍、Bi4Ge3012)具有發光性質。當一定能量的電子、g-射線、重帶電粒子進入BGO時，它能發出藍綠色的熒光。記錄熒光的強度和位置，就能計算出入射粒子的能量和位置。現已廣泛應用在高能物理、核物理、核醫學、核工業、地質勘探籌方面。這類具有特殊功能的無機晶體的合成和生長是固體無機化學研究的一個生長點。其他如人造水晶、金剛石、氟金云母晶體等各種無機功能晶體也是目前的幾個發展動向。這一領域會研究出更多、更好的具有特殊功能的晶體材料，將會是21世紀無機化學發展的重要方面。 6．稀土化學 稀土是中國的豐產元素，世界稀土資源的80％在中國，稀土包括原子序數57～71的15個元素，再加元素周期表同屬Ⅲ副族的鈧和釔，共計17個元素。稀土元素外層電子結構基本相同；而內層電子結構4f電子能級相近。20世紀經過大量的研究工作，發現稀土在光、電、磁、催化等方面具有獨特的功能。如含稀土的分子篩在石油催化裂化中可使汽油產率大大提高；硫氧釔銪在電子轟擊下產生鮮艷的紅色熒光，可使彩電的亮度提高1倍；稀土永磁材料用于電機制造，可縮小體積，做到微型化和高效化；在高溫超導材料中也缺不了稀土元素；稀土元素在農業生產上有增產糧食的作用等。因此研究稀土元素的性質和功能在21世紀將具有重大的科學意義和應用前景。 稀土元素由于外層電子結構基本相同，使分離單一稀土元素就相當困難。目前雖有離子交換法、絡合萃取法等分離方法，但生產單一稀土元素的成本是很高的，因此稀土元素本身的化學工作還需深入研究，有待獲得單一稀土元素的快速簡易的好方法。同時稀土元素作為材料研究，在激光、發光、信息、永磁、超導、能源、催化、傳感、生物等領域將會作為主攻方向。7．生物無機化學 生物無機化學醞釀于20世紀50年代，誕生于60年代。在短短的半個世紀有了很大發展。回顧這段歷史對于人們今后如何開展生命科學中的化學問題研究頗有啟發。早在化學與生物學融合而又分化出生物化學的時候，就孕育著從生物化學中再分化的問題。生物化學研究的對象是各種生物功能分子，生物學家多注意功能，但是化學進入這個領域之后，更注意結構與功能的關系。當時最為直接的結構測定方法是X-射線晶體結構分析，而獲得生物大分子單晶是一個難題。當Perutz因其對肌紅蛋白和血紅蛋白的結構和作用機理研究而獲得諾貝爾化學獎時生物無機化學就開始萌芽。于是在生物化學和結構化學之間開始結合，產生了一個以測定生物功能分子結構和闡明作用機理為內容的新領域。與此同時，在生物化學深入到涉及金屬離子的生物過程時，必然地與當時正在迅速發展起來的配位化學結合。原來研究溶液配位化學的主要學者均紛紛研究生物配體和金屬離子的溶液化學。R．J．P．Williams，D. D．Perrin，K．B．Yatzimirskii，D．R．Williams等等先后進入這個領域，使之成為生物無機化學的另外一個分支。到后來人們認為，晶體結構與生物介質中的結構未必相同，應該研究溶液中的結構和構象。恰在此時，核磁共振技術大發展，為研究生物大分子的溶液結構創造了條件。于是開拓了結構化學和溶液化學結合、探索含金屬生物大分子結構與功能關系的新領域。生物無機化學的另外一個分支是通過合成模型化合物或結構修飾研究結構—機理關系，它是合成化學介入生物無機化學的結果。這三個分支構成了延續30多年的生物無機化學的主流。雖然研究思路和方法有所改變，但是這些研究都是以認識含無機元素的生物功能分子的結構和功能關系為目的，大都采取分離出單一生物分子，測定其結構，研究有關反應機理以及結構與功能關系的研究模式。雖然這樣的研究取得了許多重要成果，使人們對必需元素和含它們的生物分子認識更加深入。但是近年來，這種傳統生物無機化學研究受到一系列實際問題的挑戰。歸結起來，這些實際問題大都涉及無機物的生物效應，或者說生物體對無機物的應答問題。例如無機藥物的作用機理，無機物中毒機理、環境物質和能損傷生物體的機理等。在這類問題的研究中，共同的核心問題是從分子、細胞到整體三個層次回答構成藥理、毒理作用的基本化學反應和這些反應引起的生物事件。這類研究促使人們把生物無機化學提高到細胞層次，去研究細胞和無機物作用時細胞內外發生的化學變化。這些化學變化是生物效應的基礎。 不可忽視生物無機化學半個世紀的發展對無機化學的啟發和推動作用。例如，混合配體配合物化學、多金屬多配體體系的化學、金屬的異常價態、金屬-硫簇化學、分子內和分子間電子傳遞、自由基化學等等。顯然生物無機化學在未來既可以推動生物學發展，也可以促進化學向新的層次開拓。 8．無機金屬與藥物 古代醫藥大都取材于自然界，不僅取自植物，動物，礦物也常被藥用。但由于重金屬砷、汞、銻等無機化合物的毒性較大而逐漸被合成有機藥物所替代。近年來，隨著科技發展、認識深化和新的發現，對以金屬為基礎的藥物有了新層次的認識。1965年美國Rosenberg在研究電場對大腸桿菌生長速度的影響時，發現所用的鉑電極與營養液中的成分形成的六氯合鉑和一些順式的含鉑絡合物能夠抑制大腸桿菌的細胞分裂，但對細菌生長的影響卻很小。這一偶然的發現引起了廣泛的關注，美國癌癥研究所立即組織對這些絡合物進行廣泛的研究和臨床試驗。結果表明，含鉑絡合物抑制癌細胞的分裂有顯著療效。現已證實多種順鉑([Pt(NH3)2C12])及其一些類似物對子宮癌、肺癌、睪丸癌有明顯療效。在中藥復方中有使用金屬金的經驗，但不知其機理。最近發現含金化合物的代謝產物[Au(CN)2]-有抗病毒作用，而且金化合物可以抑制NADPH氧化酶，從而阻斷自由基鏈傳遞，有助于終止炎癥反應。另外中藥復方中使用砒霜和雄黃，最近發現三氧化二砷促進細胞凋亡，使現代醫學接受了用砷化合物做治療用的可能性。目前用釩化合物治療糖尿病、用鋅化合物預防治療流感，都已成功的在臨床試用。人們處在無機藥物的復興時期。 這些金屬化合物被發現具有藥物的治療作用，說明人們對無機金屬及其化合物的藥理作用已在深化和逐步認識。特別是我國含礦物的中藥復方，其治療效果是肯定的，但其中的藥理作用和化學問題尚須不斷研究和進一步深入，這一領域在21世紀將會成為醫藥研究的一個重要發展方向。 9．核化學和放射化學 20世紀上半葉，從發現放射性元素、核裂變、人工放射性，到核反應堆的建立，核爆炸的毀滅性破壞等，核化學和放射化學一直是十分活躍和開創性的前沿領域。但到了后半個世紀，由于核電站和核武器發展的需要，核化學和放射化學轉向以生產和處理核燃料為中心，自身的科學研究和新的發現相對減少。放射性同位素和核技術在分析化學、生命科學、環境科學、醫學等方面緊密結合，使其應用和交叉研究蓬勃發展起來。從目前的動向看，核化學和放射化學的發展主線大體有如下幾方面。 (1)超重元素“穩定島”能找到嗎? 20世紀60年，Myers和Nilsson等核物理學家從核內存在著核子殼層和幻數的理論模型出發，提出了超重元素存在“穩定島”的學說，即在核質子數Z=114和中子數N=186的幻數附近，有一些超重原子核特別穩定，其壽命可能長達若干年甚至1015年，這些長壽命的超重元素構成了一個“穩定島”。在這一學說吸引下，近30多年來無數核科學家通過各種方法從自然界和核反應中去尋找這個夢寐以求的境地——穩定島。至1999年6月，世界上三個大實驗室，美國的Lawrence Berkeley實驗室(LBL)，德國的Darmstadt重離子研究會(GSI)和位于俄羅斯的Dubna聯合核子研究所(JINR)，分別用重粒子轟擊的方法合成了超重元素114、116和118，但由于加速器流強不夠和反應截面在10-12靶，所以只獲得了極少幾個原子，有關證實研究已在重覆進行。這意味超重元素“穩定島”將有可能存在。可以設想21世紀重粒子加速器的流強增大，使產生超重元素的原子數目大增，再加上分離、探測儀器的改進，超重元素的化學研究將有現實性了，有人預言“穩定島”的發現者將會榮獲諾貝爾化學獎或物理獎。 (2)核醫學和放射性藥物 現代核醫學的重要支柱是放射性藥物，主要用于多種疾病的體外診斷和體內治療，還可在分子水平上研究體內的功能和代謝。21世紀將在單光子斷層掃描儀(SPECT)藥物方面有新的突破；將會用放射性標記的放免活性和專一性極強的“人抗人”單克隆抗體作為“生物導彈”，定向殺死癌細胞；而中樞神經系統顯像將推動腦化學和腦科學的發展。(3)核分析技術將以其高靈敏度等優點向縱深發展 放射性示蹤技術和核分析技術始終因其靈敏度很高的優點在各個領域中得到廣泛 這是有機化學中最重要的基礎學科之一，它是創造新有機分子的主要手段和工具，發現新反應、新試劑、新方法和新理論是有機合成的創新所在。有機合成的基礎是各類基本合成反應，不論合成多么復的應用。核分析方法未來將在分析化學中大有作為，如物種分析 (speciation)，分子活化分析，生物-加速器質譜學(bio-accelerator mass spectrometry，Bio-AMS)，粒子激發X-射線發射(particle induced X-ray emission，PIXE)包括掃描質子微探針(scanning proton microprobe，SPM)、a-粒子質子X-射線譜儀(alpha proton X-ray spectrometer，APXS)等各種新型結構和功能的分析儀器水為未來人類認識大自然提供有利的武器。 綜上所述，無機化學的研究范圍極其廣闊，在21世紀的展望畔只能重點列舉這九個方面，不可能面面俱到。最關鍵的是創新和甚現，一旦有了新的發現和突破，就又可能發展成為一個新的研究和應用領域。二、有機化學 20世紀的有機化學，從實驗方法到基礎理論都有了巨大的進展，顯示出蓬勃發展的強勁勢頭和活力。世界上每年合成的近百萬個新化合物中約70％以上是有機化合物。其中有些因其所具有的特殊功能而用于材料、能源、醫藥、生命科學、農業、營養、石油化工、交通、環境科學等與人類生活密切相關的各行各業中，直接或間接地為人類提供大量的必需品。與此同時，人們也面對天然的和合成的大量有機物對生態、環境、人體的影響問題。展望未來，有機化學將使人們優化使用有機物和有機反應過程。 有機化學的迅速發展產生了不少分支學科(三級或四級學科)，包括有機合成、金屬有機、元素有機、天然有機、物理有機、有機催化、有機分析、有機立體化學等，下面將選擇其中的一部分分支學利分別概述和展望。1．有機合成化學 ②多種構象分析方法的研究，如NMR多維譜、X-射線衍射激光拉曼光譜及熒光圓二色散等手段在構象分析中的應用。 ③從構象分析和分子力學計算出發的結構與功能關系的研究以及設計合成類似物的研究。 ④生物大分子的合成及應用研究，包括合成方法，模擬和改造天然活性肽，創造新功能的蛋白質分子，合成具有特殊生物功能的寡糖，合成反義寡核苷酸及其多肽，與共軛物，并開發這些合成物質在醫學和農業上的應用研究。 ⑤生物膜化學和信息傳遞的分子基礎的化學研究。 ⑥生物催化體系及其模擬研究，包括催化性抗體和催化性核酸的研究。 ⑦生物體中含量微少而活性很強的多肽、蛋白質、核酸、多糖的研究，包括分離、結構、功能和合成等。 ⑧光合作用中的化學問題。三、物理化學 現代物理化學是研究所有物質體系的化學行為的原理、規律和方法的學科。涵蓋從微觀到宏觀對結構與性質的關系規律、化學過程機理及其控制的研究。它是化學以及在分子層次上研究物質變化的其他學科領域的理論基礎。在物理化學發展過程中，逐步形成了若干分支學科：結構化學，化學熱力學，化學動力學，液體界面化學，催化，電化學，量子化學等。20世紀的物理化學隨著物理科學發展的總趨勢偏重于微觀的和理論的研究，取得不少起里程碑作用的成就，如化學鍵本質、分子間相互作用、分子結構的測定、表面形態與結構的精細觀察等等。目前看來有三個方面的問題：一是宏觀和介觀研究應該加強；二是微觀結構研究要由靜態、穩態向動態、瞬態發展，包括反應機理研究中的過渡態問題，催化反應機理與微觀反應動力學問題等；三是應該參與到復雜性研究中去，在物質體系中化學復雜性是直接關系人類生存與進步的，也是可以用實驗方法研究的。總之，留給21世紀物理化學家的問題甚多。1．結構化學 結構化學研究從單純為了闡明分子結構已發展到研究物質的表面結構、內部結構、動態結構等。結構分析可借助于現代波譜技術和衍射分析來進行，最直接的測定是晶體結構分析，它可分為兩類，即X-射線衍射分析和顯微成像方法。能“看到”原子的原子層次分辨的各種顯微技術將會給結構化學家提供有力的武器，來探索生物大分子、細胞、固體表面等的結構和變化。1982年諾貝爾化學獎得主A．Klug開創了“晶體電子顯微學”，并用于揭示核酸—蛋白質復合物的結構。這種三維重構技術使電子顯微鏡的視野從二維空間發展到三維空間。A．M．Cormack發明了X-射線斷層診斷儀(CT)用于醫學診斷，獲得1979年諾貝爾生理學或醫學獎。總之在結構化學領域隨著分析儀器和測定精度的日新月異，新型結構分析儀器的不斷推陳出新，結構化學在21世紀將會大展宏圖。生物大分子的結構研究過去主要依賴X—晶體結構分析做靜態研究。由于實際上它們都是在溶液中發揮功能，而且它們的結構是易變的，所以20世紀后期用核磁共振譜法研究大分子在溶液中的動態結構引起人們重視(R．Ernst，1991年諾貝爾化學獎)。催化劑研究推動了表面結構研究，用STM或AFM以及其它譜學方法研究催化表面的結構以及催化過程，也都有重要成果。2．化學熱力學 這是物理化學中較早發展起來的一個學科。它用熱力學原理研究物質體系中的化學現象和規律，根據物質體系的宏觀可測性質和熱力學函數關系來判斷體系的穩定性、變化方向和變化的程度。1968年L. Onsager因研究不可逆過程熱力學理論和1977年I．Prigogine因創立非平衡熱力學提出耗散結構理論而分別獲得諾貝爾化學獎，這標志著非平衡態熱力學研究取得了突破性的進展。熱力學第一、二、三定律雖是現代物理化學的基礎，但它們只能描述靜止狀態，在化學上只適用于可逆平衡態體系，而自然界所發生的大部分化學過程是不可逆過程。因此對于大自然發生的化學現象，應從非平衡態和不可逆過程來研究。21世紀的熱點研究領域有生物熱力學和熱化學研究，如細胞生長過程的熱化學研究、蛋白質的定點切割反應熱力學研究、生物膜分子的熱力學研究等；另外，非線性和非平衡態的化學熱力學與化學統計學研究，分子-分子體系的熱化學研究(包括分子力場、分子與分子的相互作用)等也是重要方面。3．化學動力學 化學動力學是研究化學反應速率和機理的學科。其主要目的是闡明化學反應進行的條件對化學反應過程速率的影響，了解化學反應機理，探索物質結構與反應能之間的關聯。20世紀化學動力學有兩大突破：一是N．Semenov的化學鏈式反應理論，獲1956年諾貝爾化學獎；另一個是D．R．Herschbach與李遠哲的微觀反應動力學的研究，發展了交叉束方法，并應用于化學反應研究，獲1986年諾貝爾化學獎。再則是A．H．Zewail用飛秒激光技術研究超快過程和過渡態。由于這一貢獻，Zewail獲1999年諾貝爾化學獎。化學動力學作為化學的基礎研究學科將會在21世紀有新的發展，如利用分子束技術與激光相結合研究態-態反應動力學，用立體化學動力學研究反應過程中反應物分子的大小、形狀和空間取向對反應活性以及速率的影響，以及用飛秒激光研究化學反應和控制化學反應過程等。4．催化 催化劑是化學研究中的永久的主題。催化是自然界存在的促進化學反應速度的特殊作用，生物體內產生的化學反應均藉助于酶催化。生物催化如此定向、如此精確地進行著，至今人們還難于模擬酶催化反應。催化劑是一種加速化學反應而在其過程中自身不被消耗掉的物質，它可使化學反應速度增大幾個到十幾個數量級。只要有化學反應，就有如何加快反應速度的問題，就會有催化劑的研究。在化工生產(如石油化工、天然氣化工、煤化工等)、能源、農業(光合作用等)、生命科學、醫藥等領域均有催化劑的作用和貢獻。 根據催化劑的物理和化學性質，可將其分為以下幾類。 (1)多相催化 這類催化劑是固體材料如分子篩、金屬、金屬氧化物、硫化物等。催化反應發生在固-氣相的界面上，大部分化學工業流程均為多相催化，如合成氨、石油催化裂化等。 (2)均相催化 這類催化劑通常是含有金屬的復雜分子，催化反應在氣相或液相中進行，催化劑和反應物均溶解于氣相或液相中，如烴烯聚合，茂金屬催化等。 (3)光催化 吸收光能促進化學反應，如光合作用。 (4)電催化 利用化學方法使電極表面具有催化活性。 (5)酶催化和仿酶催化 酶在生物體內起著重要的催化作用，同時酶也可用于工業生產，如用酒曲造酒。酶是一種高分子量的蛋白質，天然酶的結構測定以及催化活性與機理研究是21世紀催化研究的前沿領域，也是一項十分復雜和棘手的工作，有待各個學科交叉(化學、物理和生物)配合研究和儀器與方法的創造。 模擬金屬酶是模仿酶的活性中心，即模擬其中某些活性氨基酸與金屬的配位設計合成配合物，形成配位催化，以簡化和模仿酶催化過程。由于酶的結構十分復雜，搞清楚酶催化過程，決非短期研究能解決。但酶活性中心的結構信息引起人們的關注，企圖仿照天然酶人工制造化學酶。這是設計和合成新催化劑的一個新途徑。如不對稱催化氫化的手性催化劑就是利用銠或釘的手性配合物，使脫氫氨基酸催化氫化成光學活性的a-氨基酸，其對映選擇性與酶催化的結果可相比美。模擬酶催化領域在21世紀將會有重大突破。 在20世紀，盡管化學家們研制成功了無數種催化劑，并應用于。但對催化劑的奧妙所在，即作用原理和反應機理還是沒有楚。因此科學家們還不能完全隨心所欲地設計某一特定反應的高效催化劑，而要靠實驗工作去探索，以比較多種催化劑的性能，篩選出較好的催化劑。所以研究催化劑及其催化過程的科學，還將進一步深入和發展。用組合化學法快速篩選催化劑將是21世紀的重要研究課題。5．量子化學 20世紀量子力學和化學相結合，對化學鍵理論和物質結構的認識起著十分重要的作用，量子化學已經發展成為化學以及有關的其他學科在解釋和預測分子結構和化學行為的通用手段。20世紀中量子化學曾經將化學帶入一個新時代。在這個新時代里實驗和理論能夠共同協力探討分子體系的性質。如從1928年L.C．Pauling提出的價鍵理論，R．S．Mulliken的分子軌道理論，到H．A．Bethe的配位場理論，R．B．Woodward和R．Hoffmann的分子軌道對稱守恒原理，福井謙一的前線軌道理論，一直到1998年諾貝爾化學獎得主W. Kohn的電子密度泛函理論和J．A．Pople的量子化學計算方法和模型化學(Model Chemistry)。這一發展過程整整化了70年的時間。縱觀量子化學發展的歷史過程，不難看出，只有量子力學基本原理和化學實驗密切結合，量子化學的理論研究才能不斷出現新的突破和開創新局面。現在根據量子化學計算可以進行分子的合理設計，如藥物設計、材料設計、物性預測等。20世紀中有人預見以量子化學為基礎可以解決和認識化學實驗中的所有問題。但是目前尚未形成研究分子層次的統一的理論，對許多化學現象和問題還不能用統一的理論來歸納、理解和認識。如分子的平衡性質和非平衡態，反應的過渡態和反應途徑，分子-分子體系的相互作用等，都有待于從化學實驗結果提高到理性認識。能否出現化學的統一理論，將有待于化學家們的創造和努力。四、高分子化學 高分子化學(其中包括高分子物理和高分子成型)研究鏈狀大分子的合成、大分子的鏈結構和聚集態結構，以及大分子聚合物作為高分子材料的成型及應用。20世紀高分子化學從無到有、到學科形成乃至推動高分子工業的形成和發展，其發展速度十分快速，發展周期相對較短。在20世紀，高分子材料已是人類社會文明的標志之一。塑料、纖維、橡膠的世界年產量已達1.3億t，在整個材料工業中已占據重要地位。
研究和強調化學反應的原子經濟性、高選擇性、高反應活性和環境友好性。在化學反應的設計上去解決和控制污染問題，這是根治的辦法(詳見下節綠色化學中的敘述)，并要研究如何用這些方法去改造老的化學過程和企業。另一方面對現有工業的三廢處理亦不能放松，如石油化工、煤化工、天然氣化工及皮革、造紙、塑膠等工業，要努力做到化學生產過程和環境治理相結合，這也是控制污染化學的一個重要研究內容。 (7)環境計算化學 環境計算化學和數學、物理有關學科相結合，使以經驗、實驗為基礎的環境化學研究趨于更加科學化和理論化，并解決了一些過去難以進行數值求解的問題，擴展了環境化學的應用范圍，這是一個應該重視的新興領域。環境計算化學研究主要包括多組分體系定量分析，數據處理中將隨機變量引入多元統計分析方法，遺傳算法等。大氣、水體、土壤環境過程模擬和模式得到進一步發展，如模擬水稻田釋放甲烷，小麥釋放N02，高密度有毒氣體擴散過程模擬等。人工智能在環境化學中的應用包括神經元網絡、專家系統和模糊數學等方面。環境化學過程(工藝)的模糊控制在不久將來可望獲得成功。 四、綠色化學(Green Chemistry) 傳統化學工業給人類環境帶來的污染已十分嚴重，引起了社會各界的關注，而且物質經化學變化而轉化為對人類有用的產品。世界化學化工產品已達到7萬種之多，化工總產值約1萬億美元(中國約5000億人民幣)。化學品極大地豐富了人類的物質生活，提高了生活質量，并在控制疾病、延長壽命，增加農作物品種和產量，在食物的儲存和防腐等方面起到了重要作用。但在生產、使用這些化學產品的過程中也產生了大量的廢物，污染了環境，全世界目前每年產生的3億～4億噸危險廢物(中國化學工業排放的廢水，廢氣和固體廢物分別占全國工業排放總量的22.5％，7.82％，5.03％)，給人類帶來了災難，解決污染已成為21世紀人類環境問題的科學挑戰。1．什么是綠色化學 化學工業能否潔凈地生產化學品?綠色化學也就是面對這樣的問題下產生的。其核心是要利用化學原理從源頭消除污染。綠色化學是指化學反應和過程以“原子經濟性”為基本原則，即在獲取新物質的化學反應中充分利用參與反應的每個原料原子，實現“零排放”。不僅充分利用資源，而且不產生污染；并采用無毒、無害的溶劑、助劑和催化劑，生產有利于環境保護、社區安全和人身健康的環境友好產品。綠色化學化工的目標是尋找充分利用原材料和能源，且在各個環節都潔凈和無污染的反應途徑和工藝。對生產過程來說，綠色化學包括：節約原材料和能源，淘汰有毒原材料，在生產過程排放廢物之前減降廢物的數量和毒性；對產品來說，綠色化學旨在減少從原料的加工到產品的最終處置的全周期的不利影響。綠色化學不僅將為傳統化學工業帶來革命性的變化，而且必將推進綠色能源工業及綠色農業的建立與發展。因此綠色化學是更高層次的化學，化學家不僅要研究化學品生產的可行性和現實用途，還要考慮和設計符合綠色化學要求、不產生或減少污染的化學過程。這是一個難題，也是化學家面臨的一項新挑戰。國際上對此很重視，1996年美國設立了“總統綠色化學挑戰獎”，并首次授予Monsanto公司(變更合成路線獎)，Dow化學公司(改變溶劑版應條件獎)，Rohm ＆ Haas公司(設計更安全化學品獎)，Donlar公司(小企業獎)和Taxas A ＆ M大學的M．Holtapple教授(學術獎)，以表彰他們在綠色化學領域中的杰出成就。綠色化學將使化學工業改變面貌，這一趨勢將在21世紀更加強勁，并將出現嶄新的局面。 我國的鄉鎮企業，特別是化工、染料、造紙、皮革等污染較嚴重的工廠應從環境保護大局出發，一方面研究和改革工藝流程，采用符合綠色化學要求的化學過程，減少和消除污染；另一面要重視現有的廢物處理，要嚴格控制排放標準，解決三廢治理問題。做好環境保護，為子孫后代造福。這是對人類負責和關心的態度。2. 綠色化學的發展方向 從綠色化學的目標來看有兩方面必須重視：一是開發以“原子經濟性”為基本原則的新化學反應過程；另一個是改進現有化學工業，減少和消除污染。 (1)新的化學反應過程研究 在原子經濟性和可持續發展的基礎上研究合成化學和催化的基礎問題，即綠色合成和綠色催化問題。如美國Monsanto公司不用劇毒的氫氰酸和氨、甲醛為原料，從無毒無害的二乙醇胺出發，開發了催化脫氫安全生產氨基二乙酸鈉的技術，從而獲得了1996美國總統綠色化學挑戰獎中的變更合成路線獎。美國Dow化學公司用C02代替對生態環境有害的氟氯烴作苯乙烯泡沫塑料的發泡劑，因而得到美國總統綠色化學挑戰獎中的改變溶劑/反應條件獎。在有機化學品的生產中，有許多新的化學流程正在研究開發。如以新型鈦硅分子篩為催化劑，開發烴類氧化反應；用過氧化氫氧化丙烯制環氧丙烷；用過氧化氫氨氧化環己酮合成環己酮肟；用催化劑的晶格氧作烴類選擇性氧化反應，如用晶格氧氧化丁烷制順酐，用晶格氧氧化鄰二甲苯制苯酐等，這些新流程的開發是綠色化學領域中的新進展。 (2)傳統化學過程的綠色化學改造 這是一個很大的開發領域。如在烯烴的烷基化反應生產乙苯和異丙苯生產過程中需要用酸催化反應，過去用液體酸HF催化劑，而現在可以用固體酸——分子篩催化合成，并配合固定床烷基化工藝，解決了環境污染問題。在異氰酸酯的生產過程，過去一直是用劇毒的光氣作為合成原料，而現可用C02和胺催化合成異氰酸酯，成為環境友好的化學工藝。 (3)能源中的綠色化學問題和潔凈煤化學技術 我國現今能源結構中，煤是主要能源。由于煤含硫量高和燃燒不完全，造成S02和大量煙塵排出，使大氣污染。我國每年由燃煤排放的S02達1600萬t，煙塵達1300萬t。由S02而產生的酸雨對生態環境的破壞十分嚴重。因此研究和開發潔凈煤化學技術是當務之急，這方面要重視研究催化燃燒技術，等離子除硫除塵，生物化學除硫等新技術。嚴格控制排放標準和監察大氣的質量，這是大氣凈化中的首要任務。 (4)資源再生和循環使用技術研究 自然界的資源有限，因此人類生產的各種化學品能否回收、再生和循環使用也是綠色化學研究的一個重要領域。世界塑料的年產量已達1億t，大部分是由石油裂解成成乙烯、丙烯，經催化聚合而成的。而這1億t中約有5％經使用后當年就作為廢棄物排放，如包裝袋、地膜、飯盒、汽車垃圾等。我國推廣地膜覆蓋面積達7000萬畝，塑料用量高達30萬t，“白色污染”和石油資源浪費十分嚴重。西歐各國提出三R原則：首先是降低(reduce)塑料制品的用量，第二是提高塑料的穩定性，倡導推行塑料制品特別是塑料包裝袋的再利用(reuse)，第三是重視塑料的再資源化(recycle)。回收廢棄塑料，再生或再生產其他化學品、燃料油或焚燒發電供氣等。同時在礦物資源方面亦有三R原則的問題。開礦提煉和制造金屬材料亦是大量消耗能源和勞動力的工業，如鋁材現已廣泛用于建材、飛機和日用品等方面，而純鋁要電解法制備，是一個大量耗電的工業，應該做好鋁廢棄物的回收和再生技術研究。 (5)綜合利用的綠色生化工程 如用現代生物技術進行煤的脫硫、微生物造紙以及生物質能源等的研究。 綜上所述，綠色化學是近年來才被人們認識和開展研究的一門新興學科，是實用背景強、國計民生急需解決的熱點研究領域。在21世紀中它必將大展宏圖，為人類可持續發展作出貢獻。五、能源化學 國家的經濟發展中能源是先行。能源供應水平標志著一個國家的發達程度。現在我國人口12億，每年能源需求量為10億t標準煤，仍是發展中國家的工業水平。到21世紀中葉，我國經濟將達到中等發達國家水平時，對能源的需求量也將達到40～50億t標準煤。目前，能源結構主要是煤，還有石油、天然氣、核能等，研究和開發清潔而又用之不竭的能源將是21世紀發展的首要任務。1．氫能這是未來最理想的能源。氫作為水的組成，用之不竭；而且氫燃燒后唯一的產物是水，無環境污染問題。氫作為能源放出的能量還遠大于煤、石油、天然氣等能源，1g氫燃燒能釋放出142kJ的熱量，是汽油發熱量的3倍。目前世界上氫的年產量為3600萬t，但絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取；水電解制氫因消耗電能太多，經濟上不合算，只占4％份額。對化學家來講，研究新的經濟上合理的制氫方法是一項具有戰略性的研究課題。理想的氫能源如圖12所示。 太陽能光分解催化劑2H2O 電能 2H2 + O2
氫發電機燃料電池圖12 氫能源圖12是一種最理想的氫能源循環體系，太陽能和H20是用之不竭的，而且價格低廉。極需化學家研究的是尋找合適的光分解催化劑，它能在光照下促使水的分解速度加快。當然氫發電機的反應器和燃料電池也是化學家的工作領域。實現這一良性循環，將使人類永遠可以各取所需地消耗電能。 光分解水制氫的研究已有一段歷史。目前也找到一些好的催化劑，如鈣和聯吡啶形成的配合物，它所吸收的陽光正好近似于水分解成氫和氧所需的能量。另外，二氧化鈦和某些含鈣的化合物也是較適用作催化劑。酶催化水解制氫亦是一種途徑。已經發現一些微生物，通過氫化酶誘發電子與水中氫離子結合起來，生成氫氣。總之，光分解水制氫方面還應加強基礎研究，尋求新的方法和催化劑。一旦有所突破，這將能使人類在能源問題上一勞永逸。這是一個可能獲得諾貝爾化學獎的研究課題。2．燃料電池與干電池和蓄電池不同，這種電池的化學燃料不是裝在電池內部，而是儲存在電池外部。可以按電池的需要，源源不斷地提供化學燃料，就像在燃氣鍋爐中添加煤和油一樣。燃料所具有的化學能連續而直接地轉變成電能。其發電效率比現在應用的火力發電還高，并在發電的同時還可得到優質水蒸氣，達到發電又供熱的需要，其總熱效率可達到80％。 燃料電池在結構上與蓄電池相似，也是由正極、負極和電解質組成。正極和負極大都是用鐵和鎳等惰性微孔材料制成。這些電極既不參與化學反應，又有利于氣體燃料及空氣或氧氣的通過。從電池正極把空氣或氧輸送進去，而從負極將氫氣或碳氫化合物、甲醇、甲烷、一氧化碳等氣體輸送進去。這時，在電池內部氣體燃料和氧發生電化學反應，于是燃料的化學能就直接轉變成了電能。目前已有一些處于研制階段的新型高效燃料電池。它們由片狀陶瓷制成，工作溫度高達800～1000℃，足以將所有的輕質烴燃料分解成氫氣和一氧化碳。預期21世紀初燃料電池將會在汽車、軍艦、通訊電源等方面得到實際應用。3．生物質能源 光合作用創造的綠色植物是取之不竭的生物資源。它們主要由碳氫化合物組成，也是一種可供人們利用的能源。綠色植物生長的過程是二氧化碳和水通過光合作用合成單糖，并把太陽能儲存在其中；然后又把單糖聚合成淀粉、纖維和其他大分子生物質。其中占絕大多數的纖維構成細胞壁的主體，它們的主要成分是纖維素(50～55％)、半纖維素(15～25％)和木質素(20～30％)等。纖維素是由葡萄糖基組成的線型大分子；半纖維素是一群復合聚糖的總稱，不同植物的復合聚糖的組分也不同；木質素是自然界最復雜的天然聚合物之一，它的結構中重復單元之間缺乏規則性和有序性。木質素是可再生的植物纖維資源和組分中蘊藏太陽能最高的部分，也是地球上最豐富的可再生資源(估計全世界每年可產生600萬億t)。以纖維素微纖的形式作為“骨骼”，其周圍是由半纖維素和具有三元網狀結構的木質素巨大分子粘結成的天然增強結構體，是一種不熔、不溶的天然復合材料。 作為長期進化的結果，木質素在植物體內的存在就是為了保護植物體不受生物和化學環境的降解，因此木質素和纖維素、半纖維素的分離是十分困難的工作。至今仍沒有辦法(包括化學和生物酶法)把木質素分離出來，其根本原因是人們對植物細胞壁中木質素和纖維素等各種化學組分的排列順序和聯結方式了解甚少；對自然界中廣泛存在的酶降解等生物過程的機理仍不完全清楚。因此要加強基礎研究，研究植物細胞壁的結構、化學組分及結構與組分的關系，為開發生物質能源提供重要的新信息，以推動生物質利用，最終將為人類打開一個豐富而且可再生的糧食、能源和有機化合物的寶庫。4．太陽能電池 太陽能電池是一種能把光能轉變為電能的能量轉換器。這種電池是利用“光生伏打效應”原理制成，即當物體受到光照射時，物體內就會產生電動勢或電流的現象。 太陽能電池主要靠半導體的作用。當陽光照射在半導體的p-n結時，就會在p-n結的兩端出現電壓，如果將p-n結兩端用導線連接起來，就會產生電流。當陽光照射時，太陽能電池產生的電流不僅能滿足當時的供電需求，而且還能將部分電能儲存于蓄電池中，可用作汽車、飛機、宇航、電視、航標燈等的電源。太陽能電池的關鍵是半導體材料，如何研制和選擇適用于太陽能電池的半導體，是化學家們研究的領域。目前各種半導體材料中以單晶硅太陽能電池的性能較好，光電轉換效率高，性能穩定可靠，使用壽命長。這是利用太陽能的一個重要方向。5．海水鹽差發電 利用海水鹽差能發電也是一種獲得能源的途徑。鹽差能是以化學能形態出現的一種海洋能。眾所周知，地球上的水有二類：淡水和咸水，其中咸水占97.2％，而2.15％的淡水儲存在南極和北極的冰川或高山冰川中，這其中只有2.65％的淡水可供人類直接利用。海洋中的咸水鹽含量很高，每立方千米的海水里溶有3500萬t食鹽，含鹽濃度高的海水以較大的滲透壓力向淡水擴散，這種滲透壓力差所產生的能量稱為海水鹽差能。 海水鹽差能發電的原理很簡單，只要用一層多孔質隔膜置于海水和淡水之間，兩邊插入電極，由于滲透壓力差而產生電動勢。較理想的放電場是在江河入海口處，大量淡水不停地流向大海，在交界處形成鹽濃度差。這項技術的關鍵在于多孔隔膜如何能將淡水和海水隔開而又要形成滲透壓。這種海水鹽差發電技術和裝置將是21世紀發展能源的一個研究方面。 當然，目前常規能源(煤、石油、天然氣)和核能發電在技術上已經成熟，大型化的發展趨勢使其經濟成本降低。關于可控熱核反應的研究仍是新能源的一個重要開發方向，這個方向需要物理學和材料科學的新進展和突破。有關潔凈燃燒和核能放射性廢物的處理，從環境保護的角度還有不少研究工作可做。然而21世紀能源化學的發展方向應注重新能源的開發，特別是清潔而又取之不竭的能源，將有大量的化學研究課題等待著人們去努力開發。六、計算化學 信息科學的堀起是與電子計算機迅速發展分不開的。化學家們在研究中所需要獲得的各種信息也逐漸通過電子計算機進行。如分子結構的測定可以通過計算機計算分子體系的能量和過渡態來判斷；未知化合物的性能可通過計算機按結構和性能的關系進行預測，如藥物設計、材料設計等；化學鍵及分子穩定性可通過量子化學計算得到確切的信息。總之，電子計算機的發展已經深入到化學的各個領域。成千上萬的化學家都在使用計算機從事各種化學研究。特別是化學理論研究，離開了計算機將寸步難行，大量的計算工作很難想像用手工勞動。因此化學和計算相結合，逐漸形成了計算化學這個新興交叉學科。1．什么是計算化學計算化學是用量子化學理論和計算數學來認識、理解、預言和發現新的化學現象的科學。化學的兩大支柱——實驗和形式理論——都是化學發展的重要研究領域。過去對化學實驗的重視遠超過理論計算。這是因為量子化學理論還不完善，許多化學現象還不能用理論來理解和歸納。由于電子計算機的發展突飛猛進，給計算化學創造了很好的研究條件，在開展實驗研究工作之前，化學家就可在計算機上根據現有化學數據庫的信息和量子化學理論來計算和預測一下實驗工作的結果；在實驗工作中，可用計算機記錄所有的實驗現象和數據；在實驗后再用計算機來處理數據和得出結論。這一工作方式將會越來越被化學家們所接受和利用，成為化學研究工作中很重要的一個工作程序。2．計算化學的發展方向 (1)研究分子結構和性能的關系 目前已經發現的化合物有1200萬種以上。雖然化學家們給化合物進行了分類，并了解它們的性質和用途，但目前尚沒有一個完整的化學數據庫把它們的結構和性能聯系起來。這是一個工作量很大的工作，不僅是要做一個數據庫，而且要研究總結各種化合物結構和性能的關系，并深入到為什么某種結構會產生某種性能的內在聯系。這是物質結構化學的基本要求，要靠計算化學通過計算機的邏輯思維和運算把二者結合起來。 (2)研究化學反應是如何發生的 至今人們尚不能直接觀察化學反應是如何發生的。只能是通過間接的辦法，如反應中間體、產物及反應的能態等信息來推測化學反應的途徑和機制。計算化學可以通過化學反應速率以及溫度等對反應速率的影響等問題的計算來預測反應結果。 (3)預測化學反應的產物及新化合物具有什么樣的化學性質 一個化學反應發生后，可根據反應物質的結構預測其反應產物，也可經過各種參數的綜合運算預測最可能生成的反應產物。若反應后得到的是新化合物，通過計算化學還可以預測其化學性質及可能的用途。 (4)生物大分子的空間結構、取向和形態研究 以共價鍵結合的生物大分子(如蛋白質、糖、核酸等)除了一級結構外，還有空間結構和取向，如DNA的空間結構是雙螺旋型。這種分子的形態是靠什么力量決定的?每個分子都有其穩定態，這種穩定態的形狀又是什么樣的?計算化學如能對分子的形狀進行可靠的計算，對了解分子結構會提供更多的信息。 (5)研究分子-分子體系的排列和相互作用 一群分子在一起是以什么形式排列組合起來的?它們是靠什么力場相互作用的?分子與分子之間的排列組合是非共價鍵體系的，那么各種分子與分子之間的排列順序的穩定態是否可用計算化學來確定或預測?這種分子以上層次的化學研究有否可能在計算機屏幕作出各種可能的排列組合的演示，是一個十分有意義和新興的化學研究領域。 (6)計算機對化學過程的模擬 計算化學希望參于物質分子內部和分子與分子之間變化的研究，從而預見化合物的性質、發生化學反應的方向和可能生成的產物等。這樣可以減輕實驗工作量，告訴人們那些可做，那些不可做，讓理性認識來指導化學實驗工作的進行。這在21世紀將會被更多的化學家所接受。來源:互聯網 |
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2005-09-16 15:58:51 |
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