展望21世纪的化学.docx

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展望21世纪的化学

展望21世纪的化学

（一）

第一篇 回顾与动向             

前言

第一章 20世纪化学的回顾   

 一、基础研究的重大突破   

   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．高分子科学和材料    

5．化学动力学与分子反应动态学   

二、在化学基础研究推动下化学工业的大发展

1．石油化工            

2．三大合成材料          

3．合成氨工业           

4．医药工业              

第二章 从20世纪末化学基础学科的动向看未来发展趋势

 一、无机化学                  

   1．现代无机合成              

   2．配位化学                

   3．原子簇化学               

   4．超导材料                

   5．无机晶体材料              

   6．稀土化学                

   7．生物无机化学              

   8．无机金属与药物             

   9．核化学和放射化学            

 二、有机化学                  

1.有机合成化学      

（1）天然复杂有机分子的全合成

（2）不对称合成     

2.金属有机化学和有机催化   

（1）金属有机化合物的合成、结构和性能研究

（2）金属有机导向的有机反应     

3.天然有机化学            

（1）天然产物的快速分离和结构分析鉴定

（2）传统中草药的现代化研究     

（3）天然产物的衍生物和组合化学   

（4）生物技术            

4.物理有机化学           

（1）分子结构测定          

（2）反应机理            

（3）分子问的弱相互作用       

5．生物有机化学

三、物理化学 

   1．结构化学

   2．化学热力学

   3．化学动力学

   4．催化  

（1）多相催化        

（2）均相催化        

（3）光催化         

（4）电催化         

（5）酶催化和仿酶催化    

5.量子化学          

四、高分子化学           

1.高分子合成         

2.高分子高级结构和尺度与性能的关系

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、分析化学    

1.光谱分析 

2.电化学分析

3.色谱分析 

4.质谱分析（MS）

（1）质谱联用

（2）串联质谱

（3）傅立叶变换质谱FT-MS

（4）整分子气化和多光子电离技术（LEIM-MUPl）

5.核磁共振（NMR）     

（1）提高磁体的磁场强度  

（2）发展三维核磁共振技术（3D-NMR）

（3）固体NMR和NMR成像技术  

   6．表面分析           

   7．放射化分析          

   8．单分子（原子）检测体系和仪器的研制

 六、化学工程             

   1．化工过程的多尺度效应     

   2．化学反应-催化-反应器     

   3．非传统反应工程        

（1）超临界反应工程      

（2）反应-分离过程集成      

     （3）人为非定态反应工程    

   4．生化反应工程         

第三章 交叉学科和热点研究领域     

 一、生命科学             

   1．生命的基础物质研究      

   2．遗传物质的作用          

   3．人类基因组计划          

   4．酶结构和催化功能的关系研究    

   5．脑科学            

   6．模拟生命过程和生命体系的合成 

二、材料科学    

1．新型导电材料

（1）半导体材料

（2）超导材料

     （3）有机导体

     （4）有机磁性材料

2．新型光学材料

（1）非线性光学材料

（2）液晶和有机电致发

（3）光开关材料 

3.新型陶瓷材料  

（1）工程陶瓷  

（2）电气陶瓷  

（3）超硬陶瓷材料

（4）热敏元件陶瓷

4.复合材料    

（1）聚合物基复合材料

（2）陶瓷基复合材料

（3）金属基复合材料

5.生物医学材料  

6.新型合金材料  

（1）轻质合金  

（2）贮氢合金  

（3）超耐热合金 

（4）形状记忆合金

7.高分子材料   

三、环境化学      

1.什么是环境化学 

2.环境化学的研究方向

（1）环境分析化学

（2）大气环境化学

（3）水环境化学 

（4）土壤环境化学

（5）元素化学循环          

（6）控制污染的化学         

（7）环境计算化学          

四、绿色化学                

1．什么是绿色化学           

2．绿色化学的发展方向           

（1）新的化学反应过程研究      

（2）传统化学过程的绿色化学改造   

（3）能源中的绿色化学问题和洁净煤化学技术

（4）资源再生和循环使用技术研究   

（5）综合利用的绿色生化工程     

五、能源化学     

   1．氢能       

   2．燃料电池   

   3．生物质能源  

   4．太阳能电池  

   5．海水盐差发电 

六、计算化学     

   1．什么是计算化学

   2．计算化学的发展方向

（1）研究分子结构和性能的关系          

（2）研究化学反应是如何发生的          

（3）预测化学反应的产物及新化合物具有什么样的化学性质

（4）生物大分子的空间结构、取向和形态研究    

（5）研究分子—分子体系的排列和相互作用       

（6）计算机对化学过程的模拟           

七、纳米化学      

1．纳米化学合成  

（1）纳米插层聚合  

（2）相分离嵌段聚合物

（3）杂化材料    

（4）组装合成纳米相 

2．纳米检测技术   

   3．纳米材料的异常行为及其用途

   4．纳米化学研究动向与课题

 八、手性药物和手性技术  

   1．什么是手性药物?

   2．手性药物分类     

   3．如何制造手性药物?

（1）手性合成      

（2）手性拆分      

第四章 化学工业与国民经济的关系

一、农业           

1．肥料

2．农药           

3．植物激素及生长调节剂   

4．光合作用和固氮      

（1）光合作用        

（2）固氮          

5．优良品种和基因工程    

二、能源           

1．煤的高效和清洁化燃烧   

2．天然气的开发和利用    

3．石油的开采、精炼和燃烧  

4．核能利用         

三、石油化工、天然气化工和煤化工

1．石油化工         

2．天然气化工        

3．煤化工          

（1）煤的拔头上艺生产液体燃料

（2）煤制合成气（CO+H2）  

四、健康与医药    

 1．基因药物     

 2．酶抑制剂的研究和开发

 3．受体拮抗剂或阻断剂

 4．手性药物     

5．常见病和多发病治疗药物的研制

 6．中医药现代化  

五、新功能材料   

 1．微电子材料和器件

 2．超导材料    

 3．新型纳米陶瓷  

 4．光纤通讯材料  

 5．聚合物结构材料 

 6．医用材料    

六、日用化学品和精细化工

第二篇 展望

一、20世纪化学的回顾与未来化学学科发展的趋势       

1．科技发展的基本考虑                  

2．20世纪的化学在推动人类进步和科技发展中起了核心科学的作用

（1）为人类进步提供物质基础           

（2）在相关学科的发展中起了牵头作用       

   3．对20世纪末化学现状和地位的不同估计      

二、未来化学的作用和地位              

   1．化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一     

   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

   3．化学继续推动材料科学发展            

   4．化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障    

三、21世纪化学科学发展的总趋势            

   1．微观与宏观相结合                 

   2．静态与动态（过程）相结合             

   3．由复杂到简单，再由简单到复杂           

四、未来化学研究模式                 

（1）从实际问题中抽出化学基本问题来研究       

（2）吸收其他学科的新理论和新结果，孕育化学生长点  

     （3）与其他学科融合，开拓化学新领域         

     （4）把握动向和时机，提出新的思路和新的研究方向   

     （5）重视化学学科自身发展与整体科学技术的发展相结合    

五、其他学科中的基本化学问题                

   1．生命科学中的基本化学问题                

（1）生物大分子之间、生物大分子与小分子之间的各种相互作用

（2）生物功能分子的结构与功能关系的研究         

     （3）生命过程复杂性的研究                

   2．材料科学中的基本化学问题                

（1）分子结构-分子聚集体高级结构-材料结构-理化性质-功能之间的关系                  

（2）合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法的研究

     （3）分子器件的研究             

     （4）模拟生物材料形成过程的基础研究     

   3.可持续性发展的基本化学问题——绿色化学和环境化学

六、21世纪化学学科的发展方向          

   1．寻求结构多样性的研究与功能研究结合     

（1）寻求结构复杂性和多样性的目标结构包含高级结构

（2）组合化学研究          

     （3）发现和寻找新合成方法      

     （4）结构化学与合成化学结合     

   2．复杂化学体系的研究         

（1）复杂系统中的多层次结构研究   

（2）尺度效应和多尺度问题      

     （3）复杂系统过程问题        

   3．化学信息学和高效计算机信息处理   

（1）功能分子信息处理        

（2）与生物衔接的化学信息学     

   （3）与化学反应和化学过程衔接的化学信息学

   4．新实验方法的建立和方法学研究    

   5．跟踪、分析、模拟化学反应过程    

编者附话                

第三篇 发言汇编

21世纪的高分子化学（王佛松、何天白）

化学研究的空白区和未来发展的前沿（王夔） 

微系统与化学（田中群）           

化学的新问题：

仿生自组装和开发植物能源（朱清时、阎立峰）

21世纪的核化学与放射化学展望（刘元方）   

充满希望的新世纪对21世纪化学学科发展一些看法（吴毓林）

化工过程中的多尺度效应（李静海）      

生命科学进展中的化学机遇（张礼和）     

化学计量学与21世纪的化学（俞汝勤、梁逸曾）     

展望21世纪的分析科学（黄本立）        

后记             

前言

现在很多人在预测21世纪学科发展前景。

推测21世纪的化学会在哪些方面有历史性突破?

什么是未来化学的新生长点?

它会发展成什么样的学科?

它在整个科学体系中占有什么地位?

从另一方面看，21世纪中化学会遇到来自哪一方面的挑战?

会遇到什么难题?

会陷入什么困境?

绝大多数化学工作者都会思考这些问题，但是实际上谁也说不清这些问题。

如果我们一个一个地来考察科学技术领域中的重要发现和创造，似乎都发生在偶然的机会之中；而且，好像计划制订得越明确、预期目标越清楚、实验方案越合理、可行，就越不大可能有重大突破。

那么，是否科学研究中的创新既不可能预见，也不可能有计划地达到呢?

走不是人们只能随着科学发展的潮流，等待机遇呢?

实际上，我们只要温故以知新，还是可以看出发展的动向来的。

在19世纪末到20世纪初，有几个重要动向决定了20世纪的化学发展方向。

周期律、原予结构、放射性、人工放射性元素、量子论以至量子化学等等形成了贯穿100年的向物质的微观本质深入的一条主线。

另外，从热力学到动力学，从平衡态到非平衡态，这是化学宏观研究的另一条主线l从制备到合成，从无机化合物到有机化合物，从小分子到高分子，从简单分子到复杂分子，这条合成化学发展途径也是从19世纪末发展到20世纪中去的。

这说明，可以从分析目前发展动向去看未来若干年的发展方向。

在这一部分中我们将给读者展示化学各个领域过去的历史和目前的动向，希望读者能够从中找到未来化学发展的方向。

   学科的划分、融合和重组，恐怕是不能停止的，而且越来变化越快。

化学诞生之后渐渐形成无机化学、有机化学、分析化学和物理化学等少数几个分支学科。

如此发展了上百年。

但是，一方面随着研究的细化，它们又分化成新的学科；另一方面又因为实际问题大多数是综合的，不能早靠一个分支学科所能解决。

因此又不断交叉、融合，产生另外一些新学科。

在这一部分，先讨论各个传统分支学科的动向，然后再讨论交叉学科的动向。

   这一部分是根据1999年在香港由香港理工大学主办、有两岸三地主要化学家参加的“21世纪化学前景讨论会”上的发言，集思广益编写而成的。

初稿又经过许多化学家提出意见，作了许多修改和补充。

得奖年份 获奖者 国籍 获奖时年龄（岁） 获奖成就

1999 A.H.Zewail 美国 53 飞秒激光技术研究超快化学反应过程和过渡态

1998 W.KohnJ.A.Pople 美国英国 7573 发展了电子密度泛函理论发展了量子化学计算方法

1997 J.SkouP.BoyerJ.Walker 丹麦美国英国 797956 发现为此细胞中钠钾浓度平衡的酶，并阐明起作用机理发现了能量分子三磷酸腺苷的形成过程

1996 R.F.CurlR.E.SmalleyH.W.Kroto 美国美国英国 585357 发现C60

1995 M.MolinaS.RowlandP.Crutzen 墨西哥美国荷兰 526862 研究大气环境化学，特别在臭氧的形成和分解研究方面做出的贡献

1994 G.A.Olah 美国 67 碳正离子化学的研究

1993 M.SmithK.B.Mullis 加拿大美国 6148 寡聚核苷酸定点诱变法对基因的贡献多聚酶链式反应技术对基因的贡献

1992 R.A.Marcus 美国 69 电子转移反应理论

1991 R.R.Ernst 瑞士 58 高分辨核磁共振谱法的发展

1990 E.J.Corey 美国 62 有机合成的逆合成分析法

1989 T.CechS.Altman 美国美国 4150 Ribozyme（核糖核酸酶）的发现

1988 J.DeisenhogerH.MichelR.Huber 德国德国德国 454051 测定了细菌光合反应中心膜蛋白-色素复合体的三维结构，为光化学反应做出的贡献

1987 C.J.PedersenD.J.CramJ.M.Lehn 美国美国法国 836848 开创主-客体化学，超分子化学，冠醚化学等新领域

1986 李远哲D.R.HerschbachJ.Polanyi 美籍华人美国加拿大 505455 发展了交叉分子束技术，红外线化学发光方法，对微观反应动力学研究做出的贡献

1985 H.A.HauptmanJ.Kale 美国美国 6867 发明了X-射线衍射确定晶体结构的直接计算方法，对分子晶体结构测定方法做出的贡献

1984 R.B.Merrifield 美国 63 发明了固相多肽合成法

1983 H.Taube 加拿大 68 在金属配位化合物电子转移反应机理研究中做出的贡献

1982 A.Klug 英国 56 创造了“象重组”技术，揭示病毒结构

1981 KenichFukuiR.Hoffmann 日本美国 6344 提出前线轨道理论提出分子轨道对称守恒原理

1980 P.BergF.SangerW.Gilbert 美国英国美国 546248 DNA分裂和重组研究，确定DNA内核苷酸排列顺序的方法，开创了现代基因工程学

1979 H.C.BrownG.Wittig 美国德国 6782 在有机合成中发展了有机硼、有机磷试剂和反应

1978 P.Mitchell 英国 58 用化学渗透理论研究生物能的转换

1977 I.Prigogine 比利时 60 研究非平衡的不可逆过程热力学，提出了耗散结构理论

1976 W.N.Lipscomb,Jr 美国 57 有机硼化合物的结构研究，发展分子结构学说和有机硼化学

1975 J．W．CornforthV．Prelog 英国瑞士 5869 酶催化反应的立体化学研究有机分子和反应的立体化学研究

1974 P．J．Flory 美国 64 高分子物理化学理论和实验力面的基础研究

1973 G，WilkinsonE．O．Fischer 英国德国 5245 研究二茂铁结构，发展了金属有机化学和配合物化学

1972 C.B．AnfinsenS．MooreW.H．Stein 美国美国美国 565961 研究核糖核酸酶分子结构和催化反应活性中心

1971 G．Herzberg 加拿大 67 分子光谱学和自由基电子结构的研究

1970 L．F．Leloir 阿根廷 64 在糖生物合成中发现了糖核苷酸的作用

1969 D．H．R．BartonO．Hassel 英国挪威 5172 发展分子空间构象概念分析及其在化学中的应用

1968 L．Onsager 美国 65 不可逆过程热力学研究

1967 M．EigenR．G．W．NorrishG．Porter 德国英国英国 407047 用弛豫法、闪光光解法研究快速化学反应

1966 R．S．Mulliken 美国 70 创立了分子轨道理论，阐明了分子共价键本质和电子结构

1965 R．B．Woodward 美国 48 在天然有机化合物的合成方面作出重大贡献

1964 D．C．Hodgkin 英国 54 重要生物大分子的结构测定

1963 K．ZieglerG．Natta 德国意大利 7060 发明了Ziegler-Natta催化剂，首次合成了定向有规高聚物

1962 M．F．PerutzJ.C.Kendrew 英国英国 4845 研究蛋白质结构的杰出贡献

1961 M．Calvin 美国 50 研究植物中CO2进行的光合作用

1960 W．F．Libby 美国 52 发明了14C测定地质年代的方法

1959 J．Heyrovsky 捷克 69 发明极谱分析法

1958 F．Sanger 英国 40 对蛋白质结构特别是胰岛素结构的测定

1957 A．Todd 英国 50 对核苷酸和核苷酸辅酶的研究

1956 C．N.HinchelwoodN．Sernenov 英国前苏联 5960 对化学反应机理和链式反应的研究

1955 V．duVigneand 美国 54 对生物化学上重要含硫化合物的研究，第一次合成多肽激素

1954 L．Pauling 美国 53 对化学键本质的研究并用于阐明复杂物质的结构

1953 H．Staudinger 德国 72 高分子化学方面的杰出贡献

1952 A．J．P．MartinR．L．M．Synge 英国英国  4238 发明分配色层分析法

1951 E．M．McmillanG．Seaborg 美国美国 4439 发现超铀元素

1950 O．DielsK．Alder 德国德国 7448 发现了双烯合成反应，即Diels-Alder反应

1949 W．F．Giaugue 美国 54 对化学热力学特别是超低温下物质性质的研究

1948 A．W．K．Tiselius 瑞典 46 对电泳和吸附分析的研究，发现了血清蛋白

1947 R．Robinson 英国 61 对生物活性的植物成分研究，特别是生物硷研究

1946 J．B.SumnerJ．H．NorthropW．M．Stanley 美国美国美国 555942 发现酵的类结晶法分离得到纯的酶和病毒蛋白

1945 A．J．Virtarnen 荷兰 50 发明了饲料贮存保鲜方法，对农业化学和营养化学作出贡献

1944 O．Hahn 德国 65 发现重核裂变

1943 G．Heresy 匈牙利 57 利用同位素示踪研究化学反应

1942 无   

1941 无   

1940 无   

1939 A．F．J．ButenandtL．Ruzicka 德国瑞土 3652 性激素研究聚亚甲基多碳原子大环和多萜烯研究

1938 R．Kuhn 德国 38 维生素和类胡萝卜素研究

1937 W．N．HaworthP．Karrer 英国瑞士 5448 发现了糖类环状结构和合成Vc胡萝卜素、核黄素及维生素A和B2的研究

1936 P．Debye 荷兰 52 提出了极性分子理论，确定了分子偶极矩的测定方法

1935 F．Joliot-CurieI．Joliot-Cude 法国法国 3538 合成了新的人工放射性元素

1934 H．C．Urey 美国    41 发现重水和重氢同位素

1933 无   

1932 J．Langmuir  美国 51 表面化学研究

1931 C.BoschF.Bergius 德国德国 574