现代化学进展与中学化学课件PPT.pptx
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- 现代 化学 进展 中学化学 课件 PPT
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1、什么是化学? 化学是一门研究物质的性质和物化学是一门研究物质的性质和物质发生反应变化的科学质发生反应变化的科学 它涉及存在于自然界的物质它涉及存在于自然界的物质: : 地球上的矿物地球上的矿物, ,空气空气中的气体中的气体, ,海洋里的水和盐,在动物身上找到的化海洋里的水和盐,在动物身上找到的化学物质学物质, , 以及由人类创造的新物质以及由人类创造的新物质。 它涉及自然界的变化,与生命相关的化学变化它涉及自然界的变化,与生命相关的化学变化, ,还有那些化学家发明和创造的新变化。还有那些化学家发明和创造的新变化。一、化学对人类的贡献一、化学对人类的贡献二、对中学化学教育的思考二、对中学化学教育
2、的思考三、高中学生创新意识的培养三、高中学生创新意识的培养一、化学对人类的贡献一、化学对人类的贡献二、对中学化学教育的思考二、对中学化学教育的思考三、高中学生创新意识的培养三、高中学生创新意识的培养1.1.化学与人类的生存、繁衍与健康化学与人类的生存、繁衍与健康2.2.化学能为信息、材料、能源等科化学能为信息、材料、能源等科学提供关键支撑学提供关键支撑3.3.化学与环境:对化学应给予公正化学与环境:对化学应给予公正合理的评价合理的评价一、化学对人类的贡献一、化学对人类的贡献100亿年,恒星生成46亿年前行星形成34亿年前微观生命形成10亿年前宏观生命形成10亿30亿年,由原子、分子气云形成原星
3、系超高温、超高密的超统一场宇宙大爆炸时空起源10-44 s.超统一相变引力场10-36 s.大统一相变 10-6 s. 核子合成 3 min,轻核合成3 万年,原子合成强 场弱 场宇宙爆炸 10-34 s. 10-12 s. 电弱相变电磁 场辐射场中子,质子氦、氘等轻核电子 夸克原 子物理进化分 子生物大分子化学进化生物进化社会进化人 类动物、植物病毒,原始细胞微生物 均匀分布于宇宙的2.7K微波段辐射精神,科技,上层建筑150亿年,现在人工智能,信息 原星系(早期恒星)(原银河系) 恒星(太阳)太阳系 地球 自然资源 和环境 工农业产品(包括计算机,机器人)超星系团星 系 团天体演变地质演变
4、人工自然进化宇宇宙宙进进化化链链的的层层次次结结构构图图从宇宙进化的层次结构来看,化学永远不会消亡。从宇宙进化的层次结构来看,化学永远不会消亡。宇宙进化链层次结构图宇宙进化链层次结构图 对应的学科对应的学科(1 1)物理进化)物理进化物理学物理学(2 2)天体演化)天体演化天文学天文学(3 3)地质演变)地质演变地质学地质学(4 4)化学进化化学进化化学化学(5 5)生物进化)生物进化生物学、医学生物学、医学(6 6)社会进化)社会进化社会科学社会科学(7 7)人工自然进化)人工自然进化技术科学、工程科学技术科学、工程科学(8 8)物质产生精神,又反作用于物质)物质产生精神,又反作用于物质数学
5、、科学、数学、科学、哲学、宗教、认知科学、语言学、文学、音乐、艺术哲学、宗教、认知科学、语言学、文学、音乐、艺术等等徐光宪谈徐光宪谈2020世纪化学取得的空前辉煌世纪化学取得的空前辉煌成就成就: : “22852285万万” 1900年在年在Chemical Abstracts(CA)上登录的从天然产物上登录的从天然产物中分离出来的和人工合成的已知化合物只有中分离出来的和人工合成的已知化合物只有55万种万种。经。经过过45年翻了一番,到年翻了一番,到1945年达到年达到110万种万种。再经过。再经过25年,年,又翻一番,到又翻一番,到1970年为年为236.7万种。万种。 以后新化合物增长的速
6、度大大加快,每隔以后新化合物增长的速度大大加快,每隔10年翻一番,年翻一番,到到1999年年12月月31日已达日已达2340万种万种。所以在这。所以在这100年中,年中,化学合成和分离了化学合成和分离了2285万种新化合物、新药物、新材料、万种新化合物、新药物、新材料、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要 2003年年 4500万种化合物万种化合物 2008年国家最高科学成就奖年国家最高科学成就奖 在人类多姿多彩的生活中,在人类多姿多彩的生活中,化学可说是无处不在的化学可说是无处不在的.著名有机化学家,诺贝尔著名有机化学家,诺贝尔奖获得者奖获得者R.
7、 BWoodward 在讲述化学合成时曾说过:在讲述化学合成时曾说过:化学家在老的自然界旁边化学家在老的自然界旁边又建起了一个新的自然又建起了一个新的自然界界R. BWoodward1965年因在有机物年因在有机物合成方面的成就合成方面的成就 获诺贝尔化学奖获诺贝尔化学奖徐光宪徐光宪: 如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新农药的技术,世界粮食产量至少要减半,三代新农药的技术,世界粮食产量至少要减半,60亿人口亿人口中的中的30亿就会因饥饿而死亡。亿就会因饥饿而死亡。 合成氨技术是哈勃(合成氨技术是哈勃(Haber)在在1909年发明,在年发
8、明,在1918年因年因而获得诺贝尔化学奖。人们而获得诺贝尔化学奖。人们把哈勃的合成氨技术评为把哈勃的合成氨技术评为20世纪世纪最重要的发明最重要的发明,是很有,是很有道理的。道理的。N2 +3H2 2NH31.化学与人类的生存、繁衍与健康化学与人类的生存、繁衍与健康药物化学药物化学在过去对人类健康有哪些贡献在过去对人类健康有哪些贡献? ? 没有发明合成各种抗生素和大量新药物的没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术,人类平均寿命要缩短技术,人类平均寿命要缩短25年。年。 1900年在美国出生的一名男子的期望寿命只年在美国出生的一名男子的期望寿命只有有47岁,但是上世纪末出生的美国男子的期望岁,
9、但是上世纪末出生的美国男子的期望寿命大约是寿命大约是75。这个难以置信的进步相当程度。这个难以置信的进步相当程度上要归功于药物化学家的贡上要归功于药物化学家的贡 献。其中最重要的献。其中最重要的例子是抗菌素的开发。例子是抗菌素的开发。青霉素使人类平均寿命延长了约十年青霉素使人类平均寿命延长了约十年 2020世纪人类的期望寿世纪人类的期望寿命大大延长,这在相当命大大延长,这在相当程度上得益于化学家一程度上得益于化学家一方面协助实现了诸如青方面协助实现了诸如青霉素类抗菌素的化工规霉素类抗菌素的化工规模的批量生产,有人估模的批量生产,有人估计,计,仅青霉素一个药物仅青霉素一个药物的使用便使人类的平均
10、的使用便使人类的平均寿命延长了大约寿命延长了大约1010年。年。 弗莱明弗莱明 钱恩钱恩 他们于他们于1945年共同获得年共同获得诺贝尔医学和生理学奖。诺贝尔医学和生理学奖。 Penicillin is very effective in killing bacteria, but some of them have developed enzymes that can destroy penicillin. Work is going on to develop variations of the penicillin chemical structure that will not be
11、destroyed by bacterial enzymes; other work is going on to find drugs that will block those bacterial enzymes, and permit penicillin itself to function.1939 Nobel Prize in Physiology and Medicine to Domagk 1920 1920前发生细菌感染经常是致命的,前发生细菌感染经常是致命的,当时,化学们合成了许多化工产品如染当时,化学们合成了许多化工产品如染料,包括磺胺类产品。料,包括磺胺类产品。 德国科
12、学家德国科学家Gerhard Domagk 采用采用各种新的方法制备这些化学产品,期望各种新的方法制备这些化学产品,期望它们能有杀菌功能,它们能有杀菌功能,1932 年发现了年发现了 红红棕色染料棕色染料 called Prontosil. Prontosil:百浪多息百浪多息-偶氮磺胺偶氮磺胺生物化学研究已经弄清楚磺胺能够杀菌同时生物化学研究已经弄清楚磺胺能够杀菌同时对人无毒的原因对人无毒的原因 人和细菌的生物化学是不同的人和细菌的生物化学是不同的细菌要细菌要制造基本的维生素制造基本的维生素叶酸,而磺胺能够阻碍叶酸,而磺胺能够阻碍细菌中制造叶酸的酶细菌中制造叶酸的酶;没有叶酸细菌不能;没有叶
13、酸细菌不能存活人体内没有这种酶,存活人体内没有这种酶,我们可从食物中我们可从食物中获取叶酸获取叶酸从某种从某种 意义上来看,因为人在生意义上来看,因为人在生物化学方面的缺陷物化学方面的缺陷(我们不能制我们不能制 造一种重要的造一种重要的维生素维生素,但是我们可以从食物中得到它但是我们可以从食物中得到它) ,反,反而使人得到安全。而使人得到安全。producedbysynthetic我国研制的青蒿素类抗疟药以高效、速效、安全、对抗药性疟疾有特效而风靡全球。中国化学家傅鹰说:化学给人以知识,化学史给人以智慧。分子计算机是以分子电路为基础的计算机,分子电路是分子导线、分子开关、分子电子回路或网络的组
14、合体。恩格斯高度评价元素周期律的发现传出了国界,在西班牙广为宣传。2001年,世界卫生组织向恶性疟疾流行的所有国家推荐以青蒿素为基础的联合疗法。以色列科学家获2011年诺贝尔化学奖当氢原子中的电子从n=3的轨道跃迁到n=2的轨道是可计算出发射光的波长为656.2002年的诺贝尔化学奖试问:它们的键能为什么依次下降?DDT的合成是1874年由德国化学家Zeidler完成的。拉瓦锡元素的定义:元素是用任何方法都不能在分解的简单物质。发现磺胺药物的过程称做随机筛选过程.Lewis酸和Lewis碱可以形成酸碱复合物。Random screening vs rational drug design 发现
15、磺胺药物的过程称做发现磺胺药物的过程称做随机筛选随机筛选过程过程.称之为随机,称之为随机,是因为不存在任何合乎逻辑的理由可以期望一种衣是因为不存在任何合乎逻辑的理由可以期望一种衣用染料会是一种选择性的杀菌剂用染料会是一种选择性的杀菌剂 Random screening is still used extensively today. 但是如果有了更多的生物化学信息,药物化学家但是如果有了更多的生物化学信息,药物化学家也越来越多地用另一种称之为也越来越多地用另一种称之为合理药物设计合理药物设计的方法,的方法,用以设计和制造具有所期望的生物效应的特殊分用以设计和制造具有所期望的生物效应的特殊分子子
16、紫杉醇紫杉醇: :由紫杉树皮及针叶提取到全合成由紫杉树皮及针叶提取到全合成 紫杉醇紫杉醇(Taxol)是从太平洋是从太平洋红豆杉中分离出来的化合红豆杉中分离出来的化合物物,1971年报道了其结构。年报道了其结构。该化合物于该化合物于1992年被美国年被美国食品和药品管理局食品和药品管理局 (FDA)批准为批准为抗乳腺癌和抗卵巢抗乳腺癌和抗卵巢癌的药物癌的药物。紫杉醇在红豆。紫杉醇在红豆杉树皮中含量很低,又表杉树皮中含量很低,又表现出独特的抗癌机制。可现出独特的抗癌机制。可以不用以不用紫杉树皮,而用其紫杉树皮,而用其针叶作原料合成。针叶作原料合成。Nicolaou小组和小组和Holton小小组于
17、组于1994年率先报道了其年率先报道了其全合成全合成.紫杉醇结构紫杉醇结构“你看见了物质(事物)你看见了物质(事物), ,你会说你会说这为什么这为什么? ?我梦想从不存在的物质(事物)我梦想从不存在的物质(事物), ,我要说我要说: :为什么不能为什么不能? ? ” ( (伯纳德伯纳德) )一步化学合成反应如同棋手一步化学合成反应如同棋手的一步棋的一步棋天然产物合成进入天然产物合成进入”艺术期艺术期”Woodward说过一段经常被引用的说过一段经常被引用的话话:“有机合成中有激动、有探险、也有机合成中有激动、有探险、也有挑战,也可包含着伟大的艺术,有挑战,也可包含着伟大的艺术,仅这些已足以令人
18、赞叹仅这些已足以令人赞叹.”.从从天然植物药物天然植物药物到到现代化学药现代化学药物物人类与人类与疟疾疟疾的抗争:西方的抗争:西方医药的光辉实例与中国故事医药的光辉实例与中国故事“瘴气瘴气”与与MALARIA 公元前公元前2700年年,中国的古典医书,中国的古典医书黄帝内经黄帝内经描述了疟疾的相关症状:发热、寒颤、出汗退热等。描述了疟疾的相关症状:发热、寒颤、出汗退热等。 公元前公元前4世纪,疟疾广为希腊人所知世纪,疟疾广为希腊人所知,因为这,因为这种疾病造成了城邦人口的大量减少,古希腊名医希种疾病造成了城邦人口的大量减少,古希腊名医希波克拉底记录了这种疾病的主要症状波克拉底记录了这种疾病的主
19、要症状; 公元公元34世纪,印度古代医学经典世纪,印度古代医学经典苏斯鲁塔苏斯鲁塔集集认为,疟疾的发热病症与某种昆虫的叮咬有关。认为,疟疾的发热病症与某种昆虫的叮咬有关。 疟疾的传播非常广泛,疟疾的传播非常广泛,中国古代称之为中国古代称之为“瘴瘴气气”,意大利语中疟疾意大利语中疟疾“malaria”的意思是的意思是“坏空坏空气气”(bad air),表明中西方对这种疾病有相似的认,表明中西方对这种疾病有相似的认识。人类对付疟疾的药物分别源于两种植物识。人类对付疟疾的药物分别源于两种植物青青蒿和金鸡纳树蒿和金鸡纳树。从金鸡纳从金鸡纳(cinchona) 到奎宁到奎宁 :西方科学致:西方科学致力于
20、解开植物治疟的秘密力于解开植物治疟的秘密 1717世纪时,世纪时,印第安人开始用这种树印第安人开始用这种树皮治疗疟疾。这种树就是金鸡纳树。皮治疗疟疾。这种树就是金鸡纳树。后来;传教士胡安后来;传教士胡安洛佩斯知道了洛佩斯知道了这种树这种树的功效,的功效,治好了治好了西班牙驻秘鲁总督夫人安娜西班牙驻秘鲁总督夫人安娜辛可辛可(Cinchon)伯爵夫人的疟伯爵夫人的疟疾。疾。公元公元1639年这个消息由夫人的侍臣威加年这个消息由夫人的侍臣威加(Juan de Wega)传出了国界,在西班牙广为宣传。这种树的树皮根据总督传出了国界,在西班牙广为宣传。这种树的树皮根据总督夫人的名字被命名为夫人的名字被命
21、名为辛可那或金鸡纳辛可那或金鸡纳(Cinchona) 。从金鸡纳从金鸡纳(cinchona) 到奎宁到奎宁 :西方科学致:西方科学致力于解开植物治疟的秘密力于解开植物治疟的秘密 1826年法国化学家皮埃尔年法国化学家皮埃尔-佩尔蒂埃佩尔蒂埃(Pierre Pelletier)和约瑟夫卡文顿和约瑟夫卡文顿(Joseph Caventou)从金鸡纳树皮中从金鸡纳树皮中提取出奎宁提取出奎宁。 1907年,德国化学家年,德国化学家P拉拉比推导出奎宁的化学结构式。比推导出奎宁的化学结构式。疟原虫的抗药性与疟原虫的抗药性与“五二三项目五二三项目” 第二次世界大战结束后,引发疟疾的疟原第二次世界大战结束后,
22、引发疟疾的疟原虫产生了抗药性;虫产生了抗药性; 1961年年美军进驻越南,美军进驻越南,越南战争爆发越南战争爆发。 美国投入巨额资金,筛选出美国投入巨额资金,筛选出20多万种化合多万种化合物,但没有找到理想的药物。物,但没有找到理想的药物。 越南则求助于中国。越南则求助于中国。 “五二三项目五二三项目”()启动了()启动了中国的青蒿比西方的金鸡中国的青蒿比西方的金鸡纳早得多纳早得多 青蒿(黄花蒿)在中国民间又称作臭蒿和苦蒿,属青蒿(黄花蒿)在中国民间又称作臭蒿和苦蒿,属菊科一年生草本植物。菊科一年生草本植物。 公元前公元前2 2世纪,中国先秦医方书世纪,中国先秦医方书五十二病方五十二病方已经已
23、经对植物青蒿有所记载;对植物青蒿有所记载; 公元前公元前340340年,东晋的葛洪在其撰写的中医方剂年,东晋的葛洪在其撰写的中医方剂肘后备急方肘后备急方一书中,首次描述了青蒿的退热功一书中,首次描述了青蒿的退热功能;能; 李时珍的李时珍的本草纲目本草纲目则说它能则说它能“治疟疾寒热治疟疾寒热”。他会怎样想?你会怎样想?producedbysynthetic宇宙进化链的层次结构图1939NobelPrizeinPhysiologyandMedicinetoDomagk各种高分子产品的广泛应用已经对世界经济产生了巨大影响,在美国它们已占国内生产总值(GDP)的4,而且其产量将继续增加。overwh
24、elmingroleinhome硫酸盐Se2(SO4)3H2N-NH2247青蒿素的结构被写进中国有机化学合成的教科书中,奠定了今后所有青蒿素及其衍生药物合成的基础。对于鼠疫、发疹热、黃热等其他的昆虫媒介性传染病,也证实有抑制效果。2011年9月12日屠呦呦教授获得了“拉斯克奖”中的临床医学奖。从金鸡纳(cinchona)到奎宁:西方科学致力于解开植物治疟的秘密中国的青蒿比西方的金鸡纳早得多元素学说成为现代化学理论的起点,完成了人类元素认识史上的一次质的飞跃。具有对因饥饿致死的尸体进行剖检的特权的英国皇家医学协会Berry教授说:”任何人只要看到这些因饥饿死亡的尸体,就不会不支持使用农药,农药
25、是人类与饥饿斗争的主要武器。药学家屠呦药学家屠呦呦制取青蒿呦制取青蒿提取物提取物 科研人员已经筛选了科研人员已经筛选了4 4万多种抗疟疾的化合物和中草药,万多种抗疟疾的化合物和中草药,没有令人满意的结果。没有令人满意的结果。 屠呦呦决定从系统整理历代医籍开始,她整理了一个屠呦呦决定从系统整理历代医籍开始,她整理了一个640640多种包括青蒿在内的草药多种包括青蒿在内的草药抗疟单验访集抗疟单验访集。 最初的实验中,青蒿的效果都不是最好的。最初的实验中,青蒿的效果都不是最好的。 她再次翻阅古代文献,她再次翻阅古代文献,肘后备急方肘后备急方治寒热诸疟方治寒热诸疟方中中的几句话引起了她的注意的几句话引
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