化学学科的发展、现状与未来课件.pptx
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1、2022年8月1日星期一化学学科的发展、现状化学学科的发展、现状与未来与未来1 化学学科发展的简单回顾化学学科发展的简单回顾 远古的化学远古的化学实用技术实用技术 如:冶金、火药、造纸等。近代化学近代化学基本理论的建立基本理论的建立 如:质量守恒定律、燃烧学说、阿佛加德罗定律、原子论、分子论、电离学说、酸碱理论等。现代化学现代化学物质结构理论和合成化学物质结构理论和合成化学 如:杂化轨道理论(如:杂化轨道理论(VB法)、分子轨道理论(法)、分子轨道理论(MO法)、配位场理论、法)、配位场理论、逆合成、手性合成、绿色化学、组合化学、分子设计等。逆合成、手性合成、绿色化学、组合化学、分子设计等。未
2、来的化学未来的化学综合学科发展的科学综合学科发展的科学 如:深入研究原子组合分子的方法和技巧如:深入研究原子组合分子的方法和技巧;研究分子以上层次的现研究分子以上层次的现象象;与其他学科渗透、交叉联合与其他学科渗透、交叉联合;科学科学技术技术生产、必须创新、理论生产、必须创新、理论与实验并驾齐驱、学科界限越来越模糊等。与实验并驾齐驱、学科界限越来越模糊等。16611661年年 波义耳在其著名论文波义耳在其著名论文“怀疑派的化学家怀疑派的化学家”中提出中提出 “元素元素”的概念,从而化学被确定为一门学科。的概念,从而化学被确定为一门学科。18031803年年 道尔顿提出道尔顿提出原子论原子论。1
3、8111811年年 阿伏加德罗提出了阿伏加德罗提出了“分子分子”的概念。的概念。18601860年年 康尼查罗提出了康尼查罗提出了原子原子-分子论分子论。18701870年年 门捷列夫发现了门捷列夫发现了元素周期律元素周期律,奠定了化学学科的,奠定了化学学科的 理论基础。理论基础。1919世纪末世纪末 化学的重要分支(二级学科)化学的重要分支(二级学科)分析化学、无机化分析化学、无机化 学、有机化学学、有机化学和和物理化学物理化学相继建立,这种分工大相继建立,这种分工大 大推动了化学研究的深化。大推动了化学研究的深化。2020世纪世纪 量子力学量子力学的诞生,近邻学科特别是物理学、生物学的诞生
4、,近邻学科特别是物理学、生物学 和数学的发展,以及各种新的实验技术及精密仪和数学的发展,以及各种新的实验技术及精密仪 器的发明和计算机的出现,使化学学科得器的发明和计算机的出现,使化学学科得到迅猛到迅猛 的发展。的发展。化学理论发展的重要轨迹化学理论发展的重要轨迹 1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破(1)放射性和铀裂变的重大发现放射性和铀裂变的重大发现 l1903年居里夫妇因发现了放射性比铀强年居里夫妇因发现了放射性比铀强400倍的钋,以及放射性比铀强倍的钋,以及放射性比铀强200多万倍的镭为此而获得了诺贝尔物理学奖。多万倍的镭为此而获得了诺贝尔物理学奖。
5、l 1911年为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年为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,居里夫人被授予了诺贝尔化学奖性元素的应用方面的贡献,居里夫人被授予了诺贝尔化学奖l 1908年卢瑟福因从事关于元素衰变和放射性物质的研究年卢瑟福因从事关于元素衰变和放射性物质的研究,提出了原子的有核提出了原子的有核结构模型和放射性元素的衰变理论而获得了的诺贝尔化学奖。结构模型和放射性元素的衰变理论而获得了的诺贝尔化学奖。l1935年约里奥年约里奥-居里夫妇因第一次用人工方法创造出放射性元素而荣获了的居里夫妇因第一次用人工方法创造出放射性元素
6、而荣获了的诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。l 1938年费米因人工合成了年费米因人工合成了60种新的放射性元素而获得了的诺贝尔物理学奖。种新的放射性元素而获得了的诺贝尔物理学奖。l1944年哈恩因发现了核裂变现象而获得了诺贝尔化学奖年哈恩因发现了核裂变现象而获得了诺贝尔化学奖.l1942年费米领导下成功的建造了第一座原子反应堆。年费米领导下成功的建造了第一座原子反应堆。l1945年美国在日本投下了原子弹。年美国在日本投下了原子弹。(2)化学键和现代量子化学理论的建立化学键和现代量子化学理论的建立 鲍林在化学键本质研究和应用鲍林在化学键本质研究和应用化学键理论化学键理论来阐明物来阐明物质结构而获质结
7、构而获19451945年诺贝尔化学奖。经许多化学家近半个年诺贝尔化学奖。经许多化学家近半个世纪的努力,现代量子化学理论不断发展和完善,化学世纪的努力,现代量子化学理论不断发展和完善,化学进入进入实验和理论计算并重实验和理论计算并重的时代。化学家们由浅入深,的时代。化学家们由浅入深,认识分子的本质及其相互作用的基本原理,从而让人们认识分子的本质及其相互作用的基本原理,从而让人们进入进入分子的理性设计分子的理性设计的高层次领域。的高层次领域。1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破(3)创造新物质创造新物质合成化学合成化学 近百年来化学家近百年来化学家(特别是有机化
8、学家特别是有机化学家)已经设计和合成已经设计和合成了数千万个化合物,几乎又创造了一个新的自然界;同了数千万个化合物,几乎又创造了一个新的自然界;同时还发现了大量的时还发现了大量的新反应、新试剂、新方法和新理论新反应、新试剂、新方法和新理论。19121912年格林尼亚因发明年格林尼亚因发明格林尼亚试剂格林尼亚试剂,开创了,开创了有机金属有机金属化合物化合物在各种官能团反应中的新领域而获诺贝尔化学奖。在各种官能团反应中的新领域而获诺贝尔化学奖。现代有机合成化学是经过现代有机合成化学是经过2020世纪近世纪近100100年的研究、探索发年的研究、探索发展到今天已可以合成像展到今天已可以合成像海葵毒素
9、海葵毒素(Polytoxin)(Polytoxin)这样复杂的有这样复杂的有机分子机分子(具有具有6464个手性中心个手性中心的的7 7个骨架内双键个骨架内双键的分子,存在的分子,存在2 271712210102121个异构体个异构体)。1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 OOHOHOHOHHOHOOHMeH2NOHOOOOHOHOHOHHOOOHOHOHOOHHOHOOHOHMeOHOHOHOOHOHOHHOOHOOMeMeMeOHOHOHHOOHOOHOHHOOHOHOHMeMeOHNHOHNOOH海葵毒素的分子结构海葵毒素的分子结构分子式为分子式为C
10、129H223N3O54 有有64个不对称碳和个不对称碳和7个骨架内个骨架内双键双键,异构体数目多达异构体数目多达271个个有机合成有机合成杰杰 作作1989年美国哈佛大学年美国哈佛大学Kishi宣布全合成宣布全合成64个手性个手性中心中心21021个同分异个同分异构体构体NNNNC NC oC H3C H3C H3H2N O CC O N H2C O N H2C O N H2C H3C H3H2N O CC H3HH2N O CC H3C H3ON HNNC H3C H3OH OO HOPOOC H3O-+VB12分子结构分子结构R.B.Woodward 合成合成1965年获年获Nobel化
11、学奖化学奖有机合成有机合成杰杰 作作药物合成抗生素NHNHSCO2HOCH2COPenicillin GNHNHSCO2HOCHCOH2NAmpicillinNHNHSCO2HOCHCOH2NHOAmoxicillin随即筛选随即筛选 分子设计分子设计(4)高分子科学的建立和发展高分子科学的建立和发展2020世纪的人类社会文明的标志之一是世纪的人类社会文明的标志之一是合成材料合成材料的出现。的出现。p1953年年H.Staudinger因提出了高分子这个概念,创立了高分子因提出了高分子这个概念,创立了高分子链型学说建立了高分子粘度与分子量之间的定量关系,从而获得链型学说建立了高分子粘度与分子量
12、之间的定量关系,从而获得了的诺贝尔化学奖。了的诺贝尔化学奖。p1963年年Ziegler和和Natta因发现了配位聚合反应和实现了丙烯的定因发现了配位聚合反应和实现了丙烯的定向聚合而共获了诺贝尔化学奖。向聚合而共获了诺贝尔化学奖。p 1974年年Flory因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖。因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖。三大传统合成材料三大传统合成材料塑料塑料 橡胶橡胶 纤维纤维新型功能材料新型功能材料 光电材料光电材料 信息储存材料信息储存材料 光导纤维光导纤维 超导超导 1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破(5)化学动力学与分子
13、反应动态学的发展化学动力学与分子反应动态学的发展 揭示揭示化学反应的历程化学反应的历程和研究和研究物质的结构与其反应能物质的结构与其反应能力之间的关系力之间的关系,是控制化学反应过程的需要。,是控制化学反应过程的需要。19561956年由年由前苏联的谢苗诺夫和英国的欣歇尔伍德在前苏联的谢苗诺夫和英国的欣歇尔伍德在化学反应机理化学反应机理、反应速度反应速度和和链式反应链式反应方面的开创性研究而获诺贝尔化学方面的开创性研究而获诺贝尔化学奖。同时研究快速反应的技术得到发展,现在可以研究奖。同时研究快速反应的技术得到发展,现在可以研究十亿分之一秒内发生的化学反应。美籍华人化学家李远十亿分之一秒内发生的
14、化学反应。美籍华人化学家李远哲及美国化学家赫希巴赫首先研制成功能获得各种态信哲及美国化学家赫希巴赫首先研制成功能获得各种态信息的息的交叉分子束交叉分子束实验装置,从微观角度来认识化学反应,实验装置,从微观角度来认识化学反应,发展了发展了分子反应动态学分子反应动态学,亦称态,亦称态-态化学,对化学反应的态化学,对化学反应的基本原理做出了重要突破。基本原理做出了重要突破。(荣获荣获19861986年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖)。1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 关于化学反应的历程的重要研究成果关于化学反应的历程的重要研究成果u1956年年Semenov和和H
15、inchelwood在化学反应机理、反应速度和在化学反应机理、反应速度和链式反应方面的开创性研究获得了诺贝尔化学奖。链式反应方面的开创性研究获得了诺贝尔化学奖。u1967年年Eigen Porter和和Norrish因发展了闪光光解法技术用于因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,对快速反应动力研究发生在十亿分之一秒内的快速化学反应,对快速反应动力学研究作出了重大贡献,三人共获了诺贝尔化学奖。学研究作出了重大贡献,三人共获了诺贝尔化学奖。u1986年李远哲、年李远哲、Herschbach和和Polany因发明了获得各种态信因发明了获得各种态信息的交叉分子束技术,并利用
16、该技术息的交叉分子束技术,并利用该技术F+H2的反应动力学(态的反应动力学(态态化学),对化学反应的基本原理作出了重要贡献,为此共态化学),对化学反应的基本原理作出了重要贡献,为此共获了诺贝尔化学奖。获了诺贝尔化学奖。u1999年年Zewail因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝尔化学奖。尔化学奖。飞秒化学飞秒化学p飞秒化学是研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。飞秒化学是研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。这一领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒,即这一领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒,即1飞秒。飞秒。1 s(s,秒秒)=103ms(
17、毫秒毫秒)=109ns(纳秒纳秒)1015 fs(femtosecond飞飞秒秒)p飞秒化学的技术基础飞秒化学的技术基础飞秒激光。不同波长的激光可以选择飞秒激光。不同波长的激光可以选择性地激发和检测不同的分子,或者同一分子的不同内部能量状态,性地激发和检测不同的分子,或者同一分子的不同内部能量状态,或量子态分布。或量子态分布。p从分子的角度来说,化学反应的本身就是分子体系的波函数随从分子的角度来说,化学反应的本身就是分子体系的波函数随时间的变化,在势能面上运动的过程。实验上,通过观察在不同时间的变化,在势能面上运动的过程。实验上,通过观察在不同时刻体系的性质,就可以得到这种演化的图像,从而理解
18、反应的时刻体系的性质,就可以得到这种演化的图像,从而理解反应的具体动力学过程。由于分子内部、化学反应过程中及凝聚相中分具体动力学过程。由于分子内部、化学反应过程中及凝聚相中分子间相互作用过程是在非常短的时间里发生的,比如说,化学反子间相互作用过程是在非常短的时间里发生的,比如说,化学反应过渡态的寿命一般只有几十飞秒,所以必须在飞秒的时间尺度应过渡态的寿命一般只有几十飞秒,所以必须在飞秒的时间尺度上对化学反应过程进行检测。也就是说,要象照相一样,要用足上对化学反应过程进行检测。也就是说,要象照相一样,要用足够短的够短的“快门快门”,来捕捉分子运动和变化的瞬间行为的信息。,来捕捉分子运动和变化的瞬
19、间行为的信息。(6)分析科学的发展分析科学的发展 2020世纪世纪7070年代,生命科学、信息科学和计算机技术的发展,年代,生命科学、信息科学和计算机技术的发展,使分析化学进入了崭新阶段,它不只限于测定物质的组成和含使分析化学进入了崭新阶段,它不只限于测定物质的组成和含量,而要对量,而要对物质的状态物质的状态(氧化还原态、各种结合态、结晶态氧化还原态、各种结合态、结晶态)、结构结构(一维、二维、三维空间分布一维、二维、三维空间分布)、微区、薄层和表面的组成与、微区、薄层和表面的组成与结构以及结构以及化学行为化学行为和和生物活性生物活性等做出瞬时追踪,等做出瞬时追踪,无损无损和和在线监在线监测测
20、等分析及过程控制,甚至要求等分析及过程控制,甚至要求直接观察原子和分子的形态与直接观察原子和分子的形态与排列排列。分析化学成为一门仪器装置和测量的科学。分析化学成为一门仪器装置和测量的科学。1990 1990年开始的人类基因组计划年开始的人类基因组计划(HGP)(HGP)中,由于中,由于DNADNA测序技测序技术不断推陈出新,从术不断推陈出新,从板凝胶板凝胶电泳到电泳到凝胶毛细管凝胶毛细管电泳、电泳、线性高分线性高分子溶液毛细管子溶液毛细管电泳、到电泳、到阵列毛细管阵列毛细管电泳,直至电泳,直至全基因组鸟枪全基因组鸟枪测测序技术。终于使人类基因组计划提前到序技术。终于使人类基因组计划提前到20
21、012001年完成。分析化学年完成。分析化学在推进人们弄清环境和生命有关的化学问题中起着关键作用。在推进人们弄清环境和生命有关的化学问题中起着关键作用。1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破(7)生命科学生命科学 生物小分子化学,蛋白质化学生物小分子化学,蛋白质化学核酸化学,糖化学核酸化学,糖化学蛋白质的化学结构:一级结构结构:一级结构,二级结构二级结构,三级结构三级结构,四级结构四级结构氨基酸序列分析仪氨基酸序列分析仪酶的化学p酶催化的机理酶催化的机理p化学模拟化学模拟p生物合成与生物转化生物合成与生物转化核酸的化学pDNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现(
22、Watson-Crick获获1962年诺年诺贝尔医学或生理学奖贝尔医学或生理学奖)p碱基配对原则碱基配对原则pDNA的复制的复制p基因表达基因表达p遗传密码的发现遗传密码的发现p中心法则中心法则1.1 20世纪化学学科基础研究的重大突破世纪化学学科基础研究的重大突破 p20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p1955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;p1960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;p1980年P.Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在DNA分裂和
23、重组、DNA测序以及现代基因工程学方面的杰出贡献而共获诺贝尔化学奖。p1982年A.Klug因发明“象重组“技术和揭示病毒和细胞内遗传物质的结构而获得诺贝尔化学奖。p 1993年M.Smith因发明寡核苷酸定点诱变法以及K.B.Mullis因发明多聚酶链式反应技术对基因工程的贡献而共获诺贝尔化学奖。化学在生命科学领域的重要研究成果化学在生命科学领域的重要研究成果DNA蛋白酶的一种蛋白酶的一种胰蛋白酶的结构和胰蛋白酶的结构和排列顺序示意图排列顺序示意图 1965年年9月,我国科学家汪猷帅月,我国科学家汪猷帅上百位化学工作者经过上百位化学工作者经过6年多坚持不懈的努力年多坚持不懈的努力,获得了人工
24、全合成牛胰岛素晶体。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。,获得了人工全合成牛胰岛素晶体。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。两条肽链两条肽链:A:A链链2121个氨基酸残基个氨基酸残基,B,B链链3030个残基个残基,分子量分子量57005700道尔顿道尔顿,1953,1953年确定全部化学结构年确定全部化学结构.人工合成牛胰岛素1.2 20世纪化学工业的大发展世纪化学工业的大发展(1)(1)石油化工成为支柱产业石油化工成为支柱产业 2020世纪世纪3030年代催化剂进入石油化工,年代催化剂进入石油化工,催化动力学催化动力学的的发展及发展及催化剂催化剂的作用使石油的的作用使石油的各种馏分各种馏分成
25、为各种不同用成为各种不同用途的化工产品,石油化工迅速发展,已成为世界经济发途的化工产品,石油化工迅速发展,已成为世界经济发展中占重要地位的工业领域。展中占重要地位的工业领域。世界化工总产值中世界化工总产值中8080以以上的产品与石油化工有关上的产品与石油化工有关。(2)(2)三大合成材料时代三大合成材料时代 2020世纪前半叶,由于基础化学中的高分子化学的兴世纪前半叶,由于基础化学中的高分子化学的兴起和发展,逐步形成了起和发展,逐步形成了塑料、纤维、橡胶塑料、纤维、橡胶三大合成材料三大合成材料工业。到工业。到2020世纪末,世界年产合成橡胶能力已世纪末,世界年产合成橡胶能力已12001200万
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