继往开来的化学
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继往开来的化学. 生命科学与医药化工学院:梁华定. 本章内容. 1 、20世纪化学的回顾与化学学科发展的趋势 2 、未来化学的作用和地位 3 、21世纪化学要解决的四大难题(中长期) 4 、21世纪化学的11个突破口(10-20年). 一、20世纪化学的回顾与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。

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Presentation Transcript

继往开来的化学

生命科学与医药化工学院:梁华定


本章内容

  • 1、20世纪化学的回顾与化学学科发展的趋势

  • 2、未来化学的作用和地位

  • 3、21世纪化学要解决的四大难题(中长期)

  • 4、21世纪化学的11个突破口(10-20年)


一、20世纪化学的回顾与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: 20世纪末资源问题?环境问题?


20世纪有七大技术,第一是合成化学技术

  • 报刊上常说20世纪发明了六大技术(1)无线电、半导体、计算机、芯片和网络技术;(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)航空航天和导弹技术;(5)激光技术;(6)纳米技术。

  • 但很少人提到包括新药物、新材料、高分子、化肥、农药的化学合成技术。

  • 其实,化学在20世纪的成就用“空前辉煌”来描述,是并不过分的。上述六大技术如果缺少一两个,人类照样生存,但如果没有发明合成氨(国外评选20世纪最重大发明,得票最多)和合成尿素,合成第一、二、三代农药,60亿人口将一半饿死;没有发明合成抗生素和新药物,人类寿命缩短;没有三大合成,人类生活受很大影响,没有合成新分子、新材料,上述六大技术无法实现。


2、20世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心的作用2、20世纪的化学在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


化学是中心科学2、20世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心的作用

  • 科学分上、中、下游,数理是上游、化学是中游、朝阳学科是下游。

  • 交叉学科中化学放弃了冠名权。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“凝聚态物理学”,“溶液理论、胶体化学”称为“软物质物理学”,“量子化学”称为“原子分子物理学”。

  • 又如人类基因组计划的主要内容之一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。再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机都是化学家开始的,但开创研究家却不提出“化学器件学”这一名词,而微电子学专家马上称之为“分子电子学”。

  • 因此,20世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心的作用


3、对20世纪末化学现状和地位的不同估计2、20世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心的作用

  • 20世纪末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。


二、未来化学的作用和地位2、20世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心的作用

  • 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


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


3、化学继续推动材料科学的发展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、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


4、化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障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


三、21世纪化学要解决的四大难题4、化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障

科学研究始于提出问题。 科学问题的提出、确认和解决是科学发展的动力。20世纪最伟大的数学家Hilbert 在1900年提出23个数学难题。每一个难题的解决,就诞生一位世界著名的数学家。现在2000年世界数学家协会提出七大数学难题,筹集了700万美元,悬赏100万美元给每一个难题的解决者。

  •    21世纪物理学的难题:(1) 四个作用力场的统一问题,相对论和量子力学的统一问题。(2) 对称性破缺问题。(3) 占宇宙总质量90%的暗物质是什么的问题。(4) 黑洞和类星体问题。(5) 夸克禁闭问题等。

  •    21世纪生物学的重大难题是后基因组学、蛋白质组学、脑科学、生命起源等。


1 化学的第一根本规律-化学反应理论和定律4、化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障

化学是研究化学变化的科学,所以化学反应理论和定律是化学的第一根本规律。

  • 决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应?能否生成预期的分子?需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应?如何在理论指导下控制化学反应?如何计算化学反应的速率?如何确定化学反应的途径等,是21世纪化学应该解决的第一个难题。


化学反应理论和定律4、化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障

  • 在化学反应理论中特别重要,应予首先研究的课题

  • (1)充分了解若干个重要的典型的化学反应的机理,以便设计最好的催化剂,实现在最温和的条件进行反应,控制反应的方向和手性,发现新的反应类型,新的反应试剂。

  • (2)在搞清楚光合作用和生物固氮机理的基础上,设计催化剂和反应途径,以便打断CO2, N2等稳定分子中的惰性化学键。

  • (3)研究其它各种酶催化反应的机理。酶对化学反应的加速可达100亿倍,专一性达100%。如何模拟天然酶,制造人工催化剂,是化学家面临的重大难题。

  • (4)充分了解分子的电子、振动、转动能级,用特定频率的光脉冲来打断选定的化学键选键化学的理论和实验技术。


2 化学的第二根本规律-结构和性能的定量关系

  • 这里“结构”和“性能”是广义的,前者包含构型、构象、手性、粒度、形状和形貌等,后者包含物理、化学和功能性质以及生物和生理活性等。

  • 大力发展密度泛函理论和其它计算方法。确定物质结构与性能的定量关系是21世纪化学的第二个重大难题。

  • (1)如何设计合成具有人们期望的某种性能材料;

  • (2)如何使宏观材料达到微观化学健强度?例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个数量级,但远远未达到金属-金属键的强度,所以增加金属材料强度的潜力是很大的。又如目前高分子纤维的强度要比高分子中的共价键的强度小两个数量级,这就向人们提出了如何挑战强度极限的大难题。

  • (3)溶液结构和溶剂效应对于性能的影响。


结构和性能的定量关系 化学的第二根本规律-结构和性能的定量关系

  • (4)具有单分子和多分子层的膜结构和性能的关系。

  • 要优先研究的课题有:

  • (1)分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律。

  • (2)超分子结构的类型,生成和调控的规律。

  • (3)给体-受体作用原理。

  • (4)进一步完善原子价和化学键理论,特别是无机化学中的共价问题。

  • (5)生物大分子的一级结构如何决定高级结构?高级结构又如何决定生物和生理活性?

  • (6)分子自由基的稳定性和结构的关系。

  • (7)掺杂晶体的结构和性能的关系 。


结构和性能的定量关系 化学的第二根本规律-结构和性能的定量关系

  • (8)各种维数的空腔结构和复杂分子体系的构筑原理和规律。

  • (9)如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料?

  • (10)如何使宏观材料达到微观化学键的强度?例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个量级,但比金属-金属键的强度小得多。又如目前高分子纤维达到的强度要比高分子中的共价键的强度小两个数量级。这就向人们提出如何挑战极限的大难题。

  • (11)镧系理论-4f电子的能级比sp区和d区元素的能级多一个量级,所以稀土元素有十分丰富的光、电、磁、声等功能性质。稀土元素有机化合物是很好的催化剂。稀土是21世纪的战略元素。研究镧系元素的结构和性能关系具有十分重要的意义。以上各方面是化学的第二根本问题,其迫切性可能比第一问题更大,因为它是解决分子设计问题的关键。


3 纳米尺度的基本规律 化学的第二根本规律-结构和性能的定量关系

现在中美日等国都把纳米科学技术定为优先发展的国家目标。

在复杂性科学和物质多样性研究中,尺度效应至关重要。尺度的不同,常常引起主要相互作用力的不同,导致物质性能及其运动规律和原理的质的区别。纳米尺度体系的热力学性质,包括相变和“集体现象,如铁磁性,铁电性,超导性和熔点等与粒子尺度有重要的关系。当尺度在十分之几到10纳米的量级,正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界中,此时热运动的涨落和布朗运动将起重要的作用。

1、例如金的熔点为1063℃,纳米金的融化温度却降至330℃。银的熔点为960.3℃,而纳米银为100℃。

2、当代信息技术的发展,推动了纳米尺度磁性(Nanoscale magnetism)的研究。由几十个到几百个原子组成的分子磁体表示出许多特性。


纳米尺度的基本规律 化学的第二根本规律-结构和性能的定量关系

3、纳米粒子的比表面很大,由此引起性质的不同。例如纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从600℃降至室温。这一现象为新型常温催化剂的研制提供了基础,有非常重要的应用前景。纳米催化剂能否降低活化能?这是值得研究的一个理论问题。

4、电子或声子的特征散射长度,即平均自由途径 在纳米量级。当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时,电流或热的传递方式就发生质的改变。

5、与微粒运动的动量p=mv相对应的波长=h/p,通常也在纳米量级,由此产生许多所谓的“量子点”的新现象。所以纳米分子和材料的结构与性能关系的基本规律是21世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一。


4 活分子运动的基本规律 化学的第二根本规律-结构和性能的定量关系

  • 充分认识和彻底了解人类和生物体内活分子(living molecules)的运动规律,无疑是21世纪化学亟待解决的重大难题之一。例如:

  • (1)配体小分子和受体生物大分子的相互作用,这是药物设计的基础。中科院上海药物所的量子化学家陈凯尔做了很好的工作,正在主持一个药物设计的973项目。北京大学徐小杰教授做了几个药物设计软件。

  • (2)在地球元素的生态循环中,植物界做了两件伟大的事:其一,利用太阳能把很稳定的CO2和H2O分子的化学键打开,合成碳水化合物[CH2O]n,并放出氧气O2,供人类和其它动物使用。在这个伟大的过程中,活分子催化剂叶绿素是怎样作用的?其二,豆科植物的根瘤菌能打开非常稳定的氮分子中的化学键,生成含氮小分子,再进一步合成蛋白质和核酸。我们必须把这两个过程的全部反应机理搞清楚,然后研究能否在化学工厂中,在温和的条件下,实现这两个伟大的催化反应。


(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • (4)人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。

  • (5)了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。

  • (6)了解从化学进化到手性和生命的起源。

  • (7)如何实现从生物分子到分子生物(molecular life)的飞跃?如何跨越从化学进化到生物进化的鸿沟?

  • (8)研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学,耗散和混沌状态,分形现象等非线形科学问题。


活分子运动的基本规律(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • (9)生物固氮作用机理

  • (10)蛋白质和DNA的理论研究


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四. 21世纪化学的11个突破口(10-20年)(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 1 新的合成方法学

  • 如(1)组合化学。(2)手性合成。(3)分子反应器控制的合成。(4) 自复制和自组装合成。(5)定向合成。(6)掌握零维笼状和杯状、一维通道、二维层间、三维网络空腔结构的合成方法,并通过化学、电场或磁场的作用,使囚禁在里面的客体分子被释放或取代出来。

  • 2 纳米化学

  • 纳米化学、纳米材料和分子器件,纳米表面化学、高效 纳米催化剂设计合成及应用。

  • 3 稀土化学

  • 特别是有我国知识产权的新型稀土功能材料


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21世纪化学的11个突破口(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 4 能源科学中的化学问题

  •  如(1)各种高效换能器(Transducer),特别是太阳能电池。(2)燃料电池(3)氢能利用问题(4)各种再生能源。

  • 5 生命和医药科学中的化学问题

  • 例如:(1)把中国名医的处方和人体的生理病理状态作为两个复杂体系来研究它们之间的 相互作用和 药效。(2)用组合化学的方法来筛选特效中药,并使中药现代化。(3)药物设计、合成和开发应用。(4)生物材料(Biomaterials)和人工器官的合成。(5)配合物小分子作为Key和DNA大分子作为Lock的相互作用。(6)了解神经细胞和生理调控的化学机理(7)糖化学。


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21世纪化学的11个突破口(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  •   6 生态环境科学中的化学问题

  •    例如:(1)环境元素的循环。(2)有害化学物质的控制和治理。(3)以“原子经济”和“零排放”为目标的绿色化学和化工。(4)生态环境化学。

  • 7 信息科学中的化学问题

  • 例如:(1)高效的光纤通信材料,特别是可使激光得到增益的稀土铒羼杂Si基1。54微米材料。(2)高效的光贮存材料。(3)分子芯片。(4)分子计算机。


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21世纪化学的11个突破口(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

   8 分析化学的十化(1)微型化、芯片化、仿生化;(2)在线化;(3)实时化;(4)原位化;(5)在体化;(6)智能信息化;(7)高灵敏化;(8)单原子化和单分子化,单分子光谱,单分子检测,搬运和调控技术;(9)高选择化;(10)分离和分析方法的联用,合成和分离方法的联用,合成、分离和分析方法三用。

  • 9 化工化学复杂体系中的多层次、多尺度效应及其规律和方法学研究。

  • 10 理论化学和计算化学的基础及应用研究

  • 11 化学信息学

  •  20世纪的化学积累了巨量的实验材料和信息,21世纪的化学信息学将建立各种化学信息库,然后分析信息的内涵,总结出规律,最大限度地挖掘、开发和应用信息宝库,使它们作为实验归纳法和理论演绎法的桥梁,推动化学和化工学科的发展,为国民经济服务


纳米科技(一)(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 在20世纪90年代,科学家发现许多纳米陶瓷(如ZrO2、Ti2O3、Si3N4)在适当温度下具有很好的塑性,甚至塑性形变可达100%。这使人们想到陶瓷的最大缺点--脆性是否可以在这种异常性能中得到解决。这是将来陶瓷材料研究中的一个重要课题。

  • 碳纳米管是在20世纪末制成的新型纳米材料。碳纳米管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”,内部是空的,外径只有几十纳米。这种纤维的密度是纲的1/6,而强度却是钢的100倍。有人指出,用它做绳索是惟一可以从月球表面拉到地球表面而不能被自身重量拉断的绳索。这种材料还能储存和凝聚大量氢气,并可能作为燃料电池驱动汽车。


纳米科技(二)(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 2000年11月香港科学家研制成功的最小碳管直径只有0.4mm,它是由一个个笼状的小单元连接而成,这些小单元看起来很像足球。

  • 现代纳米技术不仅是指制造超细粉末的技术,它的重要意义在于人类能够在纳米尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工,并按人的意愿组成所需要的超微细器件。

  • 计算机存储器的存储能力将提高1000倍,到那时巨型计算机小到可以放到口袋里;美国国会图书馆的全部资料的信息可以存储在一块水果糖大小的存储器中。据调查,到2010年,纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界第二大产业,拥有14400亿美元的市场份额。

  • 纳米机器人可注入人体血管内,进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪淀积物,吞噬病毒,杀死癌细胞。


纳米科技(三)(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 据报道日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车;德国还制成了一架只有黄蜂大小、并能升空的直升机以及肉眼几乎看不见的发动机。

  • 纳米材料的异常行为必将拓展其在各领域的应用。纳米SiO2、 α- Al2O3或稀土氧化物对紧凑节能灯的玻璃管做表面处理,可提高灯的光通维持率。电池使用纳米材料制作,则可以使很小的体积容纳极大的能量,届时汽车可以以电池为动力在大街上奔驰了;如果在玻璃表面涂一层渗有纳米氧化钛的涂料,玻璃会变成一种具有自己清洁功能的“自净玻璃”不用人工擦洗了。

  • 2001年11月三位中国科学家在美国制造出10-15mm厚,30-300nm宽的“纳米带”,纳米带的生产可解决在大量生产纳米管时难免出现的结构上的缺陷。


可持续发展的基本化学问题-绿色化学(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

一、绿色化学的重要性

迄今为止。化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开

发的。

近年来,由于化学工业向大气、水和土壤等排放了大量

有毒、有害的物质。1992年,美国化学工业用于环保的费

用为1150亿美元,清理已污染地区花去7000亿美元。1996

年美国Dupont公司的化学品销售总额为180亿美元。环保

费用为10亿美元。所以从环保、经济和社会的要求看。化

学工业不能再承担使用和产生有毒。有害物质的费用。需

要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。 1990年美国颁布了污染防止法案。将污染防止确立

为美国的国策。1995年4月美国副总统Gore宣布了国家环

境技术战略。其目标为:至2020年地球日时。将废弃物减

少40-50%,每套装置消耗原材料减少20一25%。1996年美国

设立了总统绿色化学挑战奖。


绿色化学的重要性(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 绿色化学的研究已成为国外企业、政府和学术界的重要研究与开发方向。这对我国既是严峻的挑战,也是难得的发展机遇。

  •  采用化学手段研究如何合理开发和利用资源,以及如何保护环境是实现可持续发展的主要手段。其中基本化学问题归属于两个学科,即绿色化学和环境化学。

  • 绿色化学是从“源头”上杜绝不安全因素。其主导思想是在工业中采用无毒、无害的原料和溶剂,新化学反应达到选择性高、生产环境友好的产品;农业中减少农药、有害化肥、污水灌溉以及有害于土壤结构和肥力的材料(塑料);在生活中,减少使用有害环境材料和过度消耗能源。

  • 环境科学则是寻找净化环境的途径。是研究环境污染的来源和治理问题。


绿色化学的重要性(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 显然,治理不如预防,可见绿色化学是实现污染预防的基本和重要的手段。它要求设计和重新设计对人类和环境“更安全”的化合物和生产线以及生产工艺。不仅针对人类的健康,还包括对生态、动物、水生生物和植物。不仅考虑直接影响而且考虑间接影响(如转化物、代谢物)。


绿色化学的发展方向(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 1、新的化学反应过程的研究。以“原子经济性”为基本原则,实现“零排放”。

  • Trost在l991年首先提出了原子经济性(Atom economy 的概念,即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成、产物,不生副产物或废物。实现废物的"零排放"(Zero emission)。

  • 如开发钛硅分子筛上催化氧化丙烯制环氧丙烷的原子经济新方法

  • 2、采用无毒、无害的原料在代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料方面。Riley等报道了工业上已开发成功一种由胺类和二氧比碳生产异氰酸酯的新技术

  • 关于代替剧毒氢氰酸原料,Monsanto公司从无毒无害的二乙醇胺原料出发。经过催化蜕氢,开发了安全生产氨基二乙酸钠的工艺,改变了过去的拟氨、甲醛和氢氰酸为原料的二步合成路线。并因此获得了1996年美国总统绿色化学挑战奖中的变更合成路线奖。


绿色化学的发展方向(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 3、采用无毒。无害的催化剂  目前烃类的烷基他反应一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂。这些液体催化剂共同缺点是,对设备的腐蚀严重、对人身危害和产生废渣、污染环境。为了保护环境。

  • 年来国外正从分子筛、杂多酸、超强酸等新催化材料中大力开发固体酸烷基化催化剂。其中采用新型分子筛催化剂的乙苯液相烃他技术引人注目,这种催化剂选择性很高,乙苯重量收率超过99.6%。而且催化剂寿命长。

  • 还有一种生产线性烷基苯的固体酸催化剂替代了氢氟酸催化剂,改善了生产环境,已工业化。在固体酸烷基化的研究中。还应进一步提高催化剂的选择性。以降低产品中的杂质含量;提高催化剂的稳定性。以延长运转周期;降低原料中的苯烯比。以提高经济效益


4、采用无毒、无害的溶剂(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 大量的与化学品制造相关的污染问题不仅来源于原料和产品,而且源自在其制造过程中使用的物质。最常见的是在反应介质、分离和配方中所用的溶剂。

  • 当前广泛使用的溶剂是挥发性有机化合物(VOC)。其在使用过程中有的会引起地面臭氧的形成。有的会引起水源污染。因此。需要限制这类溶剂的使用。

  • 在无毒无害溶剂的研究中。最活跃的研究项目是开发超临界流体(SCF)。特别是超临界二氧化碳作溶剂。超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点(3llC、7477.7gkPa)以上的二氧化碳流体。它通常具有液体的密度。因而有常规液态溶剂的溶解度;在相同条件下。它又具有气体的粘度,因而又具有很高的传质速度。而且。由于具有很大的可压缩性。流体的密度、溶剂溶解度和粘度等性能均可由压力和温度的变化来调节。超临界二氧化碳的最大优点是无毒、不可燃、价廉等。


采用无毒、无害的溶剂(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  •   除采用超临界溶剂外。还有研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂/水相界面反应。采用水作溶剂虽然能避免有机溶剂,但由于其溶解度有限,限制了它的应用,而且还要注意废水是否会造成污染。在有机溶剂/水相界面反应中。一般采用毒性较小的溶剂(甲苯)代替原有毒性较大的溶剂,如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、醋酸等。采用无溶剂的固相反应也是避免使用挥发性溶剂的一个研究动向,如用微波来促进固、固相有机反应。


5、利用可再生的资源合成化学品(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 利用生物量(生物原料)(Biomass)代替当前广泛使用的石油,是保护环境的一个长远的发展方向。1996年美国总统绿色化学挑战奖中的学术奖授予TaxaA大学M.Holtzapp教授,就是基于其开发了一系列技术。把废生物质转化成动物饲料、工业化学品和然料。

  • Frost报道以葡萄糖为原料,通过酶反应可制得己二酸、邻苯二酚和对苯二酚等。尤其是不需要从传统的苯开始来制取作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。

  • 另外,Gfoss首创了利用生物或农业废物如多糖类制造新型聚合物的工作。具优越性在于聚合物原料单体实现了无害化;[email protected]物还具有生物降解功能。


6,环境友好产品(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 在环境友好产品方面。从1996年美国总统绿色化学挑战奖看,设计更安全他学品奖授予RohmHaas公司。由于其开发成功一种环境友好的海洋生物防垢剂。小企业奖授予Donlar公司。 因其开发了两个高效工艺以生产热聚天冬氨酸,它是一种代替丙烯酸的可生物降解产品。

  • 在环境友好机动车燃料方面,随着环境保护要求的日益严格。1990年美国清洁空气法(修正案)规定,逐步惟广使用新配方汽油,减小由汽车尾气中的一氧化碳以及烃类引发的臭氧和光化学 烟雾等对空气的污染。新配方汽油要求限制汽油的蒸汽压、苯含量,还将逐步限制芳烃和烯烃含量。

  •     柴油是另一类重要的石油炼制产品。对环境友好柴油。美国要求硫含量不大于0.05%,芳烃含量不大于20%,同时十六烷值不低于40; 为达到上述目的,一是要有性能优异的深度加氢脱硫催化剂;二是要开发低压的深度脱硫/芳烃饱和工艺。国外在这方面的研究已有进展。    此外。保护大气臭氧层的氟氯烃代用品已在开始使用。防止“白色污染”的生物降解塑料也在使用。


化工生产应遵循“绿色化学12条原则”(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 1.防止废物产生优于废物产生后再处理或清理

  • 2.应设计合成方法使其能把反应过程中利用的所有材料尽可能多地转化到最终产物中

  • 3.只要可行,应设计合成方法使其利用和产生的物质对人类健康和环境无毒性或很低毒性。

  • 4.应设计化工产品使其保留功效,但降低毒性

  • 5.应尽可能避免使用辅助物质(如溶剂、分离剂),如用时应是无毒的

  • 6.应考虑到能源消耗对环境和经济的影响,并应尽量少地使用能源。合成应在常温和常压下进行

  • 7.只要技术和经济上可行,原料应是可再生的,而不是将耗竭的


化工生产应遵循“绿色化学12条原则”(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 8.应尽可能避免不必要的衍生化(阻断基团,保护/脱保护,物理和化学过程的暂时修饰)

  • 9.催化试剂(有尽可能好的选择性)优于化学计量试剂

  • 10.应设计化工产品使其在完成使命后不在环境中久留,并降解为无毒的物质

  • 11.分析方法须进一步发展,以能够进行即时的和在线的跟踪及控制有害物质的生成

  • 12.在化学转换过程中,所用的物质和物质的形态应尽可能地降低发生化学事故的可能性,包括:泄漏、爆炸、和火灾


新药的(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。“催化剂”——组合化学

1.什么是组合化学

  • 组合化学是同时创造出多种化合物的合成技术,其产物不是一、二个化合物,而是很多化合物,甚至多到上百万个化合物(肽类),因此被称为化合物库。

  • 组合化学研究的基本思路是构建组成分子具有多样性的化学库,每一个化学库都具有分子的可变性和多样性,分子间不要求存在着简单的定量关系。因此,组合化学能为新药物分子设计,即先导药物分子设计提供巨大的“化合物库”。

  • 2.组合化学的数学方法

  • 下图表明用9种(3+4+2)不同的反应物合成24种组成不同的化合物时的组合方法。


组合化学(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 如果用传统的合成方法,就要进行24×3=72次合成。现在包括将A、B、C通过联结剂固定在固定化球上,只要进行三步合成操作。

  •   如果用类似的方法用于多肽合成,由20种天然氨基酸为构建单元,利用传统的合成方法,二肽便有400(202)种组合,三肽则有8000(203)种组合,依次类推,八肽将达到25600000000(208)种组合,将它们逐一合成要进行256亿次实验。如果采用组合化学的方法,只要进行9次如上图所示的固定化和混合操作即可,由此可以看出组合化学方法的先进性。


组合化学(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 3.组合化学在新药设计中的作用

  • 设计和研制对某种疾病有特效的药物往往需要经过一个旷日持久的漫长过程。例如先要根据已有的经验(如药物的结构与效用间的关系,简称构效关系)对药物进行分子设计;第二步是合成所设计的分子和它的相似物或衍生物;第三步对合成出来的诸多化合物进行药效的初步筛选,要进行动物试验、生理毒理试验、临床试验,时间之长,可想而知。

  • 组合化学法可以一次就按排序制造出上千种带有表现其特性的化学附加物的新物质来,整个一组化合物可以根据某些生物靶来进行同步筛选,挑出其中的有效化合物加以鉴定。再以这些有效化合物的化学结构作为起点,合成新的相关化合物用于试验。在随机筛选法中,任意一种新化合物表现出生物活性的机会是很小的,但是具备同步制造和筛选能力之后,找到一种有价值的药物的机会就大大增加了。


组合化学(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 4.组合化学的启示

  • 组合化学再一次体现了数学规律和方法在现代科学技术发展中的重要性。上面所举的多肽合成的例子表明:组合化学方法与传统的有机合成方法在劳动强度和工作效率之间都存在着巨大的反差。

  •  其次,给予我们的启示应当远不止组合化学本身,善于从其他学科中汲取营养,不仅可以学习其他学科观察客观事物以及分析和解决问题的思路和方法,突破学科间分立的障碍和本学科中某些传统的束缚,而且可能对于发展本学科还是一条现实易行的重要途径。

  •  曾经有人认为,合成化学特别是有机合成几乎与数学无缘,组合化学的出现以及在合成系列中有机分子化学库的尝试,已经证明上述看法是很不全面的,至少应该引起有机化学家对可起作用的某些数学武器的关注。


微型化学开关-朝着分子计算机迈出一大步(3)搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理,为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

  • 现在科学家将开发出的微型化学开关细如毛发,可反复开启和关闭,从而可能用来制造随机存取的存储器。这是计算机中的关键设备,它使用户能保存和任意处理信息。

  • 分子计算机将淘汰掉今天体积庞大、笨重、能耗巨大的硅计算机。(目前的晶体管尺寸比分子器件大8000倍)最终计算机将变得十分微小,可编织到衣服中。它能完整地保存大量数据而不必担心出现系统崩溃或其它故障。

  • 一般的计算机,基本器件是二极管(开关,电流放大器)、三极管(信号-电压放大器,信息存储器)。微型化学开关的基础是一种叫连环体的分子(2、4-二苯硫酚-3-氨基硝基苯,如图)。


它是由两个微小的互相连锁的环状结构组成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子,从而导致一个环出现翻转或绕另一个环旋转,这就打开了开关。若把电子送回原处,便会使开关关闭。如右图的分子结构中,-它是由两个微小的互相连锁的环状结构组成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子,从而导致一个环出现翻转或绕另一个环旋转,这就打开了开关。若把电子送回原处,便会使开关关闭。如右图的分子结构中,-SH与Au易结合,中间苯环的电子可流动。加电场时,苯环发生扭曲,电子不能通过--这就是二极管。它在5V时,可承受0.2mA,穿过分子通道的电子数约为1012个,相当于电子是逐步通过的。

采用化学合成方法的重要特点是,一次可以提供数亿万计的“全同”分子原料,具有特定功能的分子器件的分子仪器。目前,分子计算机存在的难题是三维分子器件的设计、电路的连接方式、导线的材料等问题。

微型化学开头-朝着分子计算机迈出一大步(二)


基因芯片它是由两个微小的互相连锁的环状结构组成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子,从而导致一个环出现翻转或绕另一个环旋转,这就打开了开关。若把电子送回原处,便会使开关关闭。如右图的分子结构中,-

  • 基因芯片,也叫DNA芯片,是在90年代中期发展出来的高科技产物。基因芯片大小如指甲盖一般,其基质一般是经过处理后的玻璃片。每个芯片的基面上都可划分出数万至数百万个小区。在指定的小区内,可固定大量具有特定功能、长约20个碱基序列的核酸分子(也叫分子探针)。


基因芯片它是由两个微小的互相连锁的环状结构组成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子,从而导致一个环出现翻转或绕另一个环旋转,这就打开了开关。若把电子送回原处,便会使开关关闭。如右图的分子结构中,-

  • 基因芯片即脱氧核糖核酸(DNA)阵。在不大的芯片上,储存着巨大数量的信息,而传递信息的使者就是DNA。基因芯片由若干基因探针构成,每种基因探针包含着由若干个核苷酸对构成的DNA片段。

  • 基因芯片的工作原理与探针相同。在指甲盖大小的芯片上,排列着许多已知碱基顺序的DNA片段,根据碱基互补规律,芯片上单链的DNA片段能捕捉样品中相应的DNA,从而确定对方的身份,通过这种方式可准确识别异常蛋白等。

  • 基因芯片的制作是一项十分复杂的技术,要在小小的玻璃芯片上加工数十万个孔槽,然后在每个孔上精确地放上不同的、特定的DNA片段而不使它们发生任何混淆则是十分困难的。更重要的是,要制作基因芯片,首先必须分离出数十万种不同的DNA片段,并了解它们各自的功能特点。


基因芯片它是由两个微小的互相连锁的环状结构组成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子,从而导致一个环出现翻转或绕另一个环旋转,这就打开了开关。若把电子送回原处,便会使开关关闭。如右图的分子结构中,-

  • 中国科学家已分别研制出白血病病毒毒检芯片、染色体易位检测基因芯片、白血病相关癌基因表达检测基因芯片和白血病相关癌基因突变检测基因芯片。在此基础上,综合设计出白血病预警基因芯片。这一基因芯片从设计、制作到检测等都拥有自己的特色,并自成体系。

  • 通过基因芯片检查,可以发现血液中是否存在白血病病毒,细胞是否存在突变的基因,以此来诊断某患者是否患有白血病,可能或将有多大可能发生白血病,并能指导医生用药。


基因芯片它是由两个微小的互相连锁的环状结构组成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子,从而导致一个环出现翻转或绕另一个环旋转,这就打开了开关。若把电子送回原处,便会使开关关闭。如右图的分子结构中,-

  • 基因芯片将用于许多创新性研究,从癌症的基因到使艾滋病病毒产生抗药性的基因变异。它将代替传统的体格检查和疾病诊断办法,尽早预知疾病。通过用几个基因芯片探查你的基因,就可了解你全部的遗传缺陷,预测你未来若干年的健康会受到哪些威胁,以便采用相应的对策加以预防,当然也可以采用基因疗法加以治疗。

  • 由于被固定的分子探针在基质上形成不同的探针阵列,利用分子杂交及平行处理原理,基因芯片可对遗传物质进行分子检测,因此可用于进行基因研究、法医鉴定、疾病检测和药物筛选等。基因芯片技术具有无可比拟的高效、快速和多参量特点,是在传统的生物技术如检测、杂交、分型和DNA测序技术等方面的一次重大创新和飞跃。


DNA它是由两个微小的互相连锁的环状结构组成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子,从而导致一个环出现翻转或绕另一个环旋转,这就打开了开关。若把电子送回原处,便会使开关关闭。如右图的分子结构中,-计算机

  • 用一个盛着液体的试管来解答数学题乍听起来像是天方夜谭,可这种事情却真真切切地发生了。

  • DNA的计算并行度是非常大的,在1毫升的DNA溶液中,可以容纳1018条DNA。每条DNA都可以看成是一个微处理器。虽然生化反应是在一小时之内完成的,DNA每秒种的运算量却可以达到1015次。现在最快的计算机每秒种的运算速度是1012次。这样的话,DNA计算要比最快的计算机还要快一千倍。

  • DNA体积很小,但存储的信息量却很大。1克DNA所能存储的信息量可与1万亿张CD光盘相当,远大于现有的计算机存储芯片和存储介质。


DNA它是由两个微小的互相连锁的环状结构组成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子,从而导致一个环出现翻转或绕另一个环旋转,这就打开了开关。若把电子送回原处,便会使开关关闭。如右图的分子结构中,-计算机(二)

  • 虽然DNA计算很吸引人,但近期还不能投入使用。关键在哪里呢?首先是信息的输入、输出问题。要想看到DNA计算的结果,要先扩增,再做电泳。这些都需要很长的时间和很繁杂的操作。

  • 目前,DNA计算机还称不上是真正意义的计算机。它看上去只不过是一些盛有液体的试管。它更象算盘,很初级,需要人的协助才能完成计算。得这是很原始的DNA计算机却代表了人类更高的智慧。

  • 科学的发展使一个个不可能成为可能。未来的计算机将突破以硅为基础的图灵机的形式,以人们做梦都想不到的形式展现在我们眼前。


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