20世纪化学的回顾与21世纪化学之展望

20世纪化学的回顾与21世纪化学之展望

化学是在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门科学，它涉及存在于自然界的物质（如矿物、空气中的气体、海洋里的水和盐、动植物体内的化学成分），以及由化学家创造的新物质，它涉及自然界的变化（如因闪电而着火的树木、生命过程中的化学变化），还有那些由化学家发明创造的新变化。作为自然科学中的一门基础学科，化学是当代科学技术和人类物质文明迅猛发展的基础和动力，是一门中心的、实用的和创造性的科学，是一门古老而又生机勃勃的科学。

现在很多化学工作者都在预测21世纪化学学科发展的前景，推测21世纪化学会在哪些方面取得重大突破？会遇到哪些挑战和难题？什么是未来化学的新生长点？化学在整个科学体系中占有什么地位？实际上，我们只要温故以知新，就不难看出未来化学发展的动向。

1．20世纪化学的辉煌成就

20世纪人类对物质需求的日益增加以及科学技术的迅猛发展，极大的推动了化学学科自身的发展。化学不仅形成了完整的理论体系，而且在理论的指导下，化学实践为人类创造了丰富的物质。从19世纪的经典化学到20世纪的现代化学的飞跃，从本质上说是从19世纪的道尔顿原子论、门捷列夫元素周期表等在原子的层次上认识和研究化学，进步到20世纪在分子的层次上认识和研究化学。如对组成分子的化学键的本质、分子的强相互作用和弱相互作用、分子催化、分子的结构与功能关系的认识，以至1900多万种化合物的发现与合成；对生物分子的结构与功能关系的研究促进了生命科学的发展。另一方面，化学过程工业以及与化学相关的国计民生的各个领域，如粮食、能源、材料、医药、交通、国防以及人类的衣食住行用等，在这100年中发生的变化是有目共睹的。过去的100年间化学学科的重大突破性成果可从历届诺贝尔化学奖获得者的重大贡献中获悉20世纪在能源利用方面一个重大突破是核能的释放和可控利用。仅此领域就产生了6项诺贝尔奖。首先是居里夫妇从19世纪末到20世纪初先后发现了放射性比铀强400倍的钋，以及放射性比铀强200多万倍的镭，这项艰巨的化学研究打开了20世纪原子物理学的大门，居里夫妇为此而获得了1903年诺贝尔物理学奖。1906年居里不幸遇车祸身亡，居里夫人继续专心于镭的研究与应用，测定了镭的原子量，建立了镭的放射性标准，同时制备了20克镭存放于巴黎国际度量衡中心作为标准，并积极提倡把镭用于医疗，使放射治疗得到了广泛应用，造福人类。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，1911年被授予了诺贝尔化学奖。20世纪初，卢瑟福从事关于元素衰变和放射性物质的研究,提出了原子的有核结构模型和放射性元素的衰变理论,研究了人工核反应，因此而获得了1908年的诺贝尔化学奖。居里夫人的女儿和女婿约里奥-居里夫妇用钋的射线轰击硼、吕、镁时发现产生了带有放射性的原子核，这是第一次用人工方法创造出放射性元素，为此约里奥-居里夫妇荣获了1935年的诺贝尔化学奖。在约里奥-居里夫妇的基础上，费米用曼中子轰击各种元素获得了60种新的放射性元素，并发现中子轰击原子核后，就被原子核捕获得到一个新原子核，且不稳定，核中的一个中子将放出一次衰变，生成原子序数增加1的元素。这一原理和方法的发现，使人工放射性元素的研究迅速成为当时的热点。物理学介入化学，用物理方法在元素周期表上增加新元素成为可能。费米的这一成就使他获得了1938年的诺贝尔物理学奖。1939年哈恩发现了核裂变现象，震撼了当时的科学界，成为原子能利用的基础，为此，哈恩获得了1944年诺贝尔化学奖。

1939年费里施在裂变现象中观察到伴随着碎片有巨大的能量，同时约里奥-居里夫妇和费米都测定了铀裂变时还放出中子，这使链式反应成为可能。至此释放原子能的前期基础研究已经完成。从放射性的发现开始，然后发现了人工放射性，再后又发现了铀裂变伴随能量和中子的释放，以至核裂变的可控链式反应。于是，1942年费米领导下成功的建造了第一座原子反应堆，1945年美国在日本投下了原子弹。核裂变和原子能的利用是20世纪初至中叶化学和物理界具有里程碑意义的重大突破。

（2）化学键和现代量子化学理论

在分子结构和化学键理论方面，鲍林（L.Pauling, 1901-1994）的贡献最大。他长期从事X-射线晶体结构研究，寻求分子内部的结构信息，把量子力学应用于分子结构，把原子价理论扩展到金属和金属间化合物，提出了电负性概念和计算方法，创立了价键学说和杂化轨道理论。1954年由于他在化学键本质研究和用化学键理论阐明物质结构方面的重大贡献而荣获了诺贝尔化学奖。此后，莫利肯运用量子力学方法，创立了原子轨道线性组合分子轨道的理论，阐明了分子的共价键本质和电子结构，1966年荣获诺贝尔化学奖。另外，1952年福井谦一提出了前线轨道理论，用于研究分子动态化学反应。1965年R.B.Woodward,和R.Hoffman提出了分子轨道对称守恒原理，用于解释和预测一系列反应的难易程度和产物的立体构型。这些理论被认为是认识化学反应发展史上的一个里程碑，为此，福井谦一和Hoffman共获1981年诺贝尔化学奖。1998年科恩因发展了电子密度泛函理论，以及波普尔因发展了量子化学计算方法而共获了诺贝尔化学奖。

化学键和量子化学理论的发展足足花了半个世纪的时间，让化学家由浅入深，认识分子的本质及其相互作用的基本原理，从而让人们进入分子的理性设计的高层次领域，创造新的功能分子，如药物设计、新材料设计等，这也是20世纪化学的一个重大突破。

（3）合成化学的发展

创造新物质是化学家的首要任务。100年来合成化学发展迅速，许多新技术被用于无机和有机化合物的合成，例如，超低温合成、高温合成、高压合成、电解合成、光合成、声合成、微波合成、等离子体合成、固相合成、仿生合成等等；发现和创造的新反应、新合成方法数不胜数。现在，几乎所有的已知天然化合物以及化学家感兴趣的具有特定功能的非天然化合物都能够通过化学合成的方法来获得。在人类已拥有的1900多万种化合物中，绝大多数是化学家合成的，几乎又创造出了一个新的自然界。合成化学为满足人类对物质的需求作出了极为重要的贡献。纵观20世纪，合成化学领域共获得10项诺贝尔化学奖。

1912年格林亚德因发明格氏试剂，开创了有机金属在各种官能团反应中的新领域而获得诺贝尔化学奖。1928年狄尔斯和阿尔德因发现双烯合成反应而获得1950年诺贝尔化学奖。1953年齐格勒和纳塔发现了有机金属催化烯烃定向聚合，实现了乙烯的常压聚合而荣获1963年诺贝尔化学奖。人工合成生物分子一直是有机合成化学的研究重点。从最早的甾体（A.Windaus，1928年诺贝尔化学奖）、抗坏血酸（W.N.Haworth, 1937年诺贝尔化学奖）、生物碱（R.Robinson,1947年诺贝尔化学奖）到多肽（V.du.Vigneand,1955年诺贝尔化学奖）逐渐深入。到1965年有机合成大师Woodward由于其有机合成的独创思维和高超技艺，先后合成了奎宁、胆固醇、可的松、叶绿素和利血平等一系列复杂有机化合物而荣获诺贝尔化学奖。获奖后他又提出了分子轨道对称守恒原理，并合成了维生素B12等。

此外，Wilkinson和Fischer合成了过渡金属二茂夹心式化合物，确定了这种特殊结构，对金属有机化学和配位化学的发展起了重大推动作用，荣获1973年诺贝尔化学奖。1979年Brown和Wittig因分别发展了有机硼和Wittig反应而共获诺贝尔化学奖。1984年Merrifield因发明了固相多肽合成法对有机合成方法学和生命化学起了巨大推动作用而获得诺贝尔化学奖。1990年Corey在大量天然产物的全合成工作中总结并提出了“逆合成分析法”，极大的促进了有机合成化学的发展，因此而获得诺贝尔化学奖。

现代合成化学是经历了近百年的努力研究、探索和积累才发展到今天可以合成像海葵毒素这样复杂的分子（分子式为C129H223N3O54, 分子量为2689道尔顿，有64个不对称碳和7个骨架内双键, 异构体数目多达271个）。

海葵毒素

（4）高分子科学和材料

20世纪人类文明的标志之一是合成材料的出现。合成橡胶、合成塑料和合成纤维这三大合成高分子材料化学中具有突破性的成就，也是化学工业的骄傲。在此领域曾有3项诺贝尔化学奖。1920年H.Staudinger提出了高分子这个概念，创立了高分子链型学说，以后又建立了高分子粘度与分子量之间的定量关系，为此而获得了1953年的诺贝尔化学奖。1953年Ziegler成功地在常温下用（C2H5）3AlTiCl4作催化剂将乙烯聚合成聚乙烯，从而发现了配位聚合反应。1955年Natta将Ziegler催化剂改进为-TiCl3和烷基铝体系，实现了丙烯的定向聚合，得到了高产率、高结晶度的全同构型的聚丙烯，使合成方法-聚合物结构-性能三者联系起来，成为高分子化学发展史中一项里程碑。为此，Ziegler和Natta共获了1963年诺贝尔化学奖。1974年Flory因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖。

（5）化学动力学与分子反应动态学

研究化学反应是如何进行的，揭示化学反应的历程和研究物质的结构与其反应能力之间的关系，是控制化学反应过程的需要。在这一领域相继获得过3次诺贝尔化学奖。1956年Semenov和Hinchelwood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。另外，Eigen提出了研究发生在千分之一秒内的快速化学反应的方法和技术，Porter和Norrish提出和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，对快速反应动力学研究作出了重大贡献，他们三人共获了1967年诺贝尔化学奖。

分子反应动态学，亦称态-态化学，从微观层次出发，深入到原子、分子的结构和内部运动、分子间相互作用和碰撞过程来研究化学反应的速率和机理。李远哲和Herschbach首先发明了获得各种态信息的交叉分子束技术，并利用该技术F+H2的反应动力学，对化学反应的基本原理作出了重要贡献，被称为分子反应动力学发展中的里程碑，为此李远哲、Herschbach和Polany共获了1986年诺贝尔化学奖。1999年Zewail因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝尔化学奖。

（6）对现代生命科学和生物技术的重大贡献

研究生命现象和生命过程、揭示生命的起源和本质是当代自然科学的重大研究课题。20世纪生命化学的崛起给古老的生物学注入了新的活力，人们在分子水平上向生命的奥秘打开了一个又一个通道。蛋白质、核酸、糖等生物大分子和激素、神经递质、细胞因子等生物小分子是构成生命的基本物质。从20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得诺贝尔化学奖，这是化学向生命科学进军的第一步。1955年Vigneand因首次合成多肽激素催产素和加压素而荣获了诺贝尔化学奖。1958年Sanger因对蛋白质特别是牛胰岛素分子结构测定的贡献而获得诺贝尔化学奖。1953年J.D.Watson和H.C.Crick提出了DNA分子双螺旋结构模型，这项重大成果对于生命科学具有划时代的贡献，它为分子生物学和生物工程的发展奠定了基础，为整个生命科学带来了一场深刻的革命。Watson和Crick因此而荣获了1962年诺贝尔医学奖。1960年J.C.Kendrew和M.F.Perutz利用X-射线衍射成功地测定了鲸肌红蛋白和马血红蛋白的空间结构，揭示了蛋白质分子的肽链螺旋区和非螺旋区之间还存在三维空间的不同排布方式，阐明了二硫键在形成这种三维排布方式中所起的作用，为此，他们二人共获了1962年诺贝尔化学奖。1965年我国化学家人工合成结晶牛胰岛素获得成功，标志着人类在揭示生命奥秘的历程中迈进了一大步。此外,1980年P.Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在DNA分裂和重组、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。1982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。1984年R.B.Merrifield因发明多肽固相合成技术而荣获诺贝尔化学奖。1989年T.Cech和S.Altman因发现核酶（Ribozyme）而获得诺贝尔化学奖。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。1997年J.Skou因发现了维持细胞中Na离子和K离子浓度平衡的酶及有关机理、P.Boyer和J.Walker因揭示能量分子ATP的形成过程而共获诺贝尔化学奖。