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应用化学 *学术讨论* 专贴

本主题由 一只狼 于 2007-8-9 12:03 设置高亮

应用化学 *学术讨论* 专贴

注~~~ID:yyhuaxue------周文明周老师

                  yjhuaxue-------朱玮朱老师


其它言论勿发,否则立删!
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我希望我们能在里面看到一些与我们应用化学专业方面有关的东西

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偶尔看到一个帖子,好像是北大化学院的学生写的,觉得有点意思,转贴一下(节选):


前一段时间和几个女生讨论以后的专业方向,我说我宁走有机不走分析,其他人脸上都露出仰慕的神色,我默然。很早以前就听到人说分析专业美女特别多,因为干净轻松,特别适合女生,还见过未名上有人建议女生不要走有机,因为太苦太脏太累,而且接触的药品对健康尤其是皮肤等的保养都有不可恢复的伤害……然而我还是对有机有着很深的向往,尽管我知道我的有机和有机实验成绩都并不好,也知道分析专业摆弄摆弄仪器是何等的潇洒轻松,但是,我就是不能忘记裴伟伟老师为这个专业挥洒的激情和她在课上手舞足蹈的快乐和风采(绝对不是bs刘锋老师哦……只是我的分析实验做得实在太没感觉了,5555555),不能忘记茶叶提取实验之后腰酸背痛在夜色里带着一身咖啡因和单宁酸气味走出化学院时的那种轻松与快乐,不能忘记写满半页纸终于设计成功一条合成路线时的那种欣慰和释然,总觉得有机化学给人的感觉是沉甸甸的,就象邢大本基础有机化学那非同一般的重量、无比错综复杂的反应与五花八门数不胜数的化合物体系、以及一不小心就贡献给了实验室的那几个小时……然而从有机化学中得到的快乐又是单纯的,犹如一个小孩看着自己花了一下午堆出的沙堡时天真的笑容一般,而这种沉重充实而又单纯的快乐,是只有爱她的人才有缘有福享受和体味的。不知n年后的我是否能成为其中的一员,像无数前辈一样为她献出自己的一切?(裴伟伟:大家看看多美的分子啊……这种审美能力,只有学过我们有机化学的人才会有啊……全体热烈鼓掌)
周一去做了有机实验,三组分分离。重结晶的失败已经成为了永远的记忆,测熔点的相对成功唤回了我对有机实验的兴趣。如果说普化实验只是给初学者走马灯般展示一下化学的多彩,分析实验更像是在教会你严谨的态度和规范的操作,那么有机实验就是真正让我感受到了化学更深一层的魅力。当30mL的混合物在分液漏斗中被两次萃取而成为三个单独的组分,当橙红色的含杂质的液体在常压蒸馏装置中受热升腾流过冷凝管接引管最终凝结为透明无色的甲苯,当你经过一下午的煮沸分液蒸馏抽滤终于可以拿着美丽的白色结晶去过秤,当你从比室外温度高好几度的有机实验室里走出来脱掉实验服回想着一下午操作方面的失败与成功……此时此刻,你会不由自主地被化学的强大吸引力所折服,会最大程度地感受到那种科学的高洁与纯净,会由衷的庆幸自己高考填报志愿时那一念之间的选择……每次走出化学楼北区,我都有一种强烈的冲动,如果有可能,我愿意把我的一生献给化学研究,献给实验室,献给那些美丽的玻璃仪器、性状各异五花八门的药品和那些也许复杂却无比迷人的反应。

昨天的有机课上,裴老师一如既往地手舞足蹈激情飞扬,很羡慕她,还有分析的刘老师这样的人,有一个自己能为之付出一切的专业,有一种取之不尽燃烧不完的激情,还有精妙的学术和严谨的态度,为人为学如此,难怪能够吸引如此之多的本不该在她这里上课的人来听。也许多少年后我们不会走有机或分析方向,但我们都会记住裴老师“这边一个基团……那边一个基团……双键——一打开”“原子核跃迁——电磁波提供能量”等等一套套的经典动作和“林黛玉-薛宝钗共振论”等等令人捧腹的类比,记住刘老师每次课“物理量要用斜体”的自说自话般的叮嘱、“氢三磷氧四”之类的特色表达和专门为我们纠正过的“氨、铵、胺”字音,记住他们扯人的独有风范和如火的非常激情。的确,在北大化学院这样的地方呆了四年,即使你把书本上的知识全还给了老师们,你也能够学到许多课堂以外的东西,足够你一生获益。
昨天下午的有机实验做重结晶

第一个实验做乙酰苯胺,我过滤器没预热够,结果在漏斗上就结晶了,拿热水洗了半天,结果又在底下结晶了,再加水溶解不成,于是重新加热煮沸,一直把200ml水煮到要求的90ml,最后把结晶倒出来的时候还损失了不少,产率将将过半

然后做对溴乙酰苯胺,先是浪费一包样品不得不去第四实验室拿(东北十三人啊,都以十分好奇的目光看着我-_-)煮的时候暴沸了啥的就不说了,连冷凝管的时候管子没插紧,一开水就脱落了,水从冷凝管上口喷涌而出(我一不小心又把水开大了),洒在一边的天然气灯上发出恐怖的响声,助教吓得脸都白了……最后弄得整实验台都是水,还是助教替我摆平的

然后要加水至刚出现混浊,结果我因为乙醇加得有点多,混浊迟迟不出现,求助助教,助教饶有兴致地把东西从我手里抢过去开始加水,过了一会他对着锥形瓶左看右看上看下看说:这个好像行了……结果事实证明水加少了,过半天死活不结晶,他又拿过我的玻璃棒和锥形瓶,靠在墙上自得其乐的捅来捅去~~~~表情好可爱啊……最后事实证明我母液里的结晶不比制出来的少,签字的时候他很不好意思地说:啊,你那个啊,看来还是我判断失误了……我说没事没事,主要是我乙醇加多了……然后很开心的就走了,心里想的是至少他应该不会好意思在这个实验上给我扣分,嗯

不过看到助教年轻的脸上很干净的笑容,有一种很空灵很纯洁的感觉,心情顿时就好了很多,希望自己下次不要让他失望~

最后的结果就是我六点钟才做完,全实验室最后一个搞定的~~不过两个很早做完的值日生和来串实验室的小钰都等我到最后,还是很感动的

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裴伟伟就是编那本书的北大教授吧
谢谢周老师了,下午看炔烃了,补补前面的
(晚刚刚看院里的元旦晚会回来)
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再问一下周老师:
我们实验课怎么考试
我们王老师没跟我们说
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在新的一年来临之际,祝愿应用化学系的老师和同学新年愉快!
   1.关于考试复习:应化04级的同学请注意,元月11日下午在N501~N503考《有机化学》。考前答疑时间:元月3日~5日,地点:生命学院办公楼409。
   2.好消息:生命学院化学生物学博士点(理科)申报成功,07年正式招生硕士和博士生。欢迎有志于在该学科领域寻求发展的同学报考,并及早准备。现将该专业研究方向介绍如下:
   化学生物学是化学、生物学、医学等学科相渗透融合发展到分子水平出现的交叉学科,生物大分子和各种小分子的相互作用构成了生命运动的基础。化学生物学就是要解决生命过程中分子水平的问题。研究领域有天然活性分子与靶蛋白的相互识别和传递信息机理,分子进化和生物合成基本规律,利用组合化学进行新靶位药物的合成,复杂生物体系的分析新技术等。研究方向有:1.天然产物的生物效应研究;2.组合化学和仿生合成研究;3.生物转化与生物合成研究;4.化学生物技术与生物过程化学。
   本专贴会陆续介绍有关化学生物学方面的研究热点和动态。

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现将邹承鲁院士的文章转载如下,希望对应化04级同学的《科研基本训练》课程考试有所帮助。

我的科研选题三原则
作者:邹承鲁
摘自 WWW.CAS.CN
邹承鲁 1923年5月生,江苏省无锡人,分子生物学家,中国科学院院士。1945年毕业于西南联大化学系。1947年赴英国剑桥大学生化系留学,获博士学位,1951年回国。历任中国科学院生物化学研究所、生物物理研究所研究员、副所长等职,1980年当选为中国科学院院士(学部委员)。在英国期间,发现纯化的细胞色素C在与线粒体结合时性质的差异。回国后从事呼吸链酶系的研究,与人合作首先提纯了琥珀酸脱氢酶,对呼吸链有关组分及酶作了系列研究,为我国酶学研究奠定了基础。在胰岛素人工合成研究中,负责胰岛素A及B链的拆合,确定了合成路线,对该项工作处于领先地位起了关键作用。蛋白质必需基团的化学修饰和活性丧失的定量关系公式和作图法,被称为“邹氏公式和作图法”,已被收入一些教科书和专著。关于酶作用不可逆抑制动力学理论和反应速度常数测定的新方法,在国际上得到广泛采用。曾获得两次国家自然科学奖一等奖。发表论文200多篇。
  我自从1949年研究生时期在英国Nature上发表第一篇论文后,在导师指导下进行选题开始,迄今已近半个世纪。在半个世纪的研究工作中,共在国内外科学刊物上发表学术论文200余篇,对如何选择研究课题积累了一些经验。现将我选择研究课题的一些体会简述如下,以供青年同志们进行研究工作时参考。
我认为提出一个好的新研究课题必需遵循以下三个原则:
    一、重要性
    科学研究贵在创新。一篇在严肃的科学期刊上发表的研究论文,必须在某些方面有所创新,否则就没有发表的价值。但是所有的科学研究又都是建立在前人工作的基础之上,在此基础上有所发展,因此又必须对前人工作给以充分的评价。在论文中必须充分回顾与本人结果直接有关的前人工作,然后再恰如其分地介绍自己工作中的创新之处,这就是一篇研究论文引言中的主要内容。
    选择一个研究课题,首先要考虑的当然是课题的重要性。科学研究贵在创新,简单重复前人结果不是科学研究,没有创新就没有科学的前进与发展。在这种意义上说,在科学研究上是没有银牌的位置的。因此科学上的重要性,首先要考虑的是创新性。必需仔细检索以确认是在世界范围内没有报道过的,当前根据关键词利用计算机进行检索是轻而易举的。在开始工作前,先进行计算机检索以避免与文献重复是绝对必要的。创新性又首先应该是在科学思想上,其次才是研究方法上。这二者又密不可分,没有科学思想上的创新,就谈不上研究方法上的创新,而没有研究方法上的创新,科学上的创新思想又往往难以实现。
    所谓创新当然首先是指具体问题过去文献中没有报道过。对用一种材料已经研究过的问题,换一种材料进行类似的模仿性的研究虽然是允许的,在进入一个新的领域时,有时甚至是必要的学习阶段,但决不能说是高水平的研究。某些所谓填补空白的研究往往是这类换一种材料进行的模仿性研究。国际上一些高水平的学术刊物公开宣称不接受发表此类论文,高层次的创新是指学术思想上的创新。但是,创新性又不是对科学问题重要性的全部考虑。重要性首先是课题完成后对学科领域今后发展可能产生的影响,影响的面越大重要性越大。一个新思想的建立有时能开辟一个全新的研究系列,甚至全新的研究领域。此类课题通常称之为所谓开创性研究,DNA双螺旋结构的确立开创了分子生物学新学科,从而改变了整个生物学的面貌,无疑是20世纪最重要的工作之一。对学科领域今后发展可能产生的影响常常需要观察一段时间,这就是白居易说的“试玉要烧三日满,辨材须待七年期”。而判断一篇论文的影响常用的一项客观指标是对这篇论文的引用情况。引用率是一篇论文得到国际重视的一种客观指标,一般说来,一篇论文被引用次数越多,对科学发展的影响越大。自然国际上也有人反对以引用次数来评价一篇论文的水平。常被用来作为例子的是一篇20世纪80年代蛋白质浓度测定的论文,由于其简便和灵敏,多次被人引用。虽然多年来居于生物化学被引用次数最多论文的首位,却无人认为这篇蛋白质浓度测定的论文对生物化学的发展有很大影响。但是从反面看来,如果一篇论文发表以后如石沉大海,毫无反响,恐怕不能说是一篇重要的论文。
   二、可能性
    在确定了一个设想的重要性之后,还要着重考虑设想是否与现有的知识相矛盾。在开题前进行的文献查阅,既要查阅前人是否已经报道过类似结果,也要查阅是否与前人已有的结论相矛盾。与前人结论矛盾有时并不是坏事,纠正前人错误也是一种创新。前人结果越重要,予以纠正也越重要。即使是教科书中已经记载的结果有时也会有错误。
    要全面掌握文献中所有有关报道,严肃对待文献中正反两方面的报道。对待文献,既不能盲目轻信,也绝对不可掉以轻心。首先不能盲目轻信前人的报道,对文献中错误结果的纠正本身就是一种创新。应该看到,文献中的结果都是在一定实验条件下取得的,在不同实验条件下,完全可能出现不同的结果。不能对文献报道不加分析盲目轻信,文献中出现的错误结果,有时是实验结果错误,有时是从正确的实验结果得出错误的结论,通常不会发生实验结果错误。但文献中有时会出现设计实验条件时考虑不周,对照实验不够,因而得到错误的结果。更为常见的是实验结果虽然正确,但对各种可能的不同解释考虑不周,从而得出错误结论的情况。因此,不能不加分析地轻信文献中的结论。但是,更不能对文献中已经牢固建立的结论掉以轻心。文献中业已稳妥建立的结论是经过前人大量工作的,发生错误的可能性极小,提出不同看法要经过认真的、仔细的考虑,找出前人可能发生错误的原因,然后提出自己的想法。推翻已经得到广泛承认的结论更要付出大量艰苦的努力,绝不是轻而易举的。国内外都时常有人提出建立永动机的设想,这无疑是极为重要的,但由于违背了热力学基本定律,因而可以认为是不可能实现的。科学有其连续性,所有的创新都必然建立在前人成果的基础之上。从前人成功的结果吸取经验,从前人失败的结果中吸取教训,才能超越前人,取得成功。学术思想上的创新和继承是一个矛盾的统一,只有充分掌握了前人成果才谈得上创新,否则只不过是无知而已。牛顿说得好:“我看得更远,是因为我站在巨人的肩膀上”。在另一方面,如果仅在类似条件下盲目重复前人结果,作为学习是可以的,作为研究则完全是浪费时间。
   在考虑可能性的时候,还应该想到,一个新设想既可能正确也可能错误,一个新的实验设计既可能得到正的结果,也可能得到负的结果。虽然有些课题,无论正负结果都有意义,但是在多数情况下,往往只有一种结果才是重要的,而另一种结果甚至没有发表的价值。对于此类课题,在结合其重要性和现实性予以综合考虑时,还要着重考虑获得有意义结果的可能性。
   三、现实性
    有了一个新的设想,并就现有知识看来实现新设想是重要的和可能的,还不足以开始进行研究,还不能说是已经提出了一个好的研究课题。例如治疗癌症,无疑是一个重要课题,并且也是可能实现的,但还必需有一个既是现实可行的而又是可望成功的具体研究方案。没有一个现实可行的实施方案,任何设想都只是空想。所谓现实可行的实施方案是指所包含的全部实验方法都是已知的方法,或者是经过努力都是可以做到的方法。并且按方案进行,一般来说是可望成功的。
    在有多个课题可供选择时,应该是重要性、可能性和现实性的综合考虑,重要课题通常难度较大。但对于得到正结果时意义重大的课题,即使难度再大,只要有一个现实可行的实施方案,也应组织力量进行,力争予以实现。对于有一定意义,而又简便易行的课题,可以安排适当力量进行。在当前国际科学界竞争剧烈的情况下,通常很难找到意义重大而又简便易行的课题。任何重要设想的实现,都要付出艰苦的努力。
   四、从结晶牛胰岛素的人工全合成谈选题中的问题
    结晶牛胰岛素的人工全合成是我国科学史上的一项重大成就,我参加了课题的提出和部分研究工作。这是一项集体工作,不少人参加了课题的提出和整个工作,现谨以此为例,就我参加的部分,从选择基础研究课题的角度谈一些个人体会。
    就重要性而言,蛋白质人工合成的重要性是不言而喻的。蛋白质是生命活动的主要承担者,一切生命活动都离不开蛋白质的参与。人工合成一个有活性的蛋白质是人工改造生命的一个重要的里程碑。在一定意义上,这一成就,从其对科学发展的影响而言是超前的。因为总体上,人工合成或改造生命在世界范围内当时还没有提上日程。但是总有一天,也许在21世纪的某一个时候会提上日程。人们终究会更加充分地认识到这一成就对自然科学,对人们认识自然和改造自然的深刻影响。这一课题一经提出,立即得到广泛的赞同,原因不仅是由于它的重要性,同时也因为它的大胆创新和它的现实性。经过详细的文献调查,在当时,蛋白质的人工合成不仅没有人尝试过,甚至还没有人提出过。但是,这一课题的提出,在当时也是现实的。在那时,胰岛素一级序列的测定刚由英国的F. Sanger完成不久,为此他获得了诺贝尔奖。现在多肽合成已经可以用仪器自动进行,但是40年前,蛋白质的合成,哪怕是像胰岛素这样一个仅含51个氨基酸残基的小蛋白,也是件令人生畏的事。世界上首例多肽合成,是du Vigneaud在1953年合成的一个八肽--催产素,这使他获得了1955年的诺贝尔化学奖。到1958年,人工合成的最长的肽段还只是促肾上皮质激素的一个片段。但无论如何,从实验上人工合成一个蛋白质,虽然任务艰巨,已经是可能做到的了。因此在我们开始工作不久,我们就得知德国和美国的两个研究组,也已开始进行类似的工作。胰岛素是由两条肽链,A和B链组成的。A和B链分别含有21和30个氨基酸残基。链间由两对二硫键联结,除链间二硫键外,在A链上还有一对链内二硫键。因此,在工作初期,曾考虑了三种合成方案以供选择。其中从合成角度看最为简便易行的方案是分别合成A链和B链,然后通过巯基的氧化使两条链正确组合。但是还原和分离后的A链和B链是否能通过巯基的氧化生成正确的二硫键,能否重新组合形成天然的胰岛素分子还不知道,这一问题是人工全合成胰岛素成功的关键。我们开始查阅文献时发现我们的前景并不乐观,国外许多人都曾尝试过把胰岛素分子中的二硫键还原,然后重新氧化组合,以期获得一定产率的天然胰岛素,而这些探索都无一例外地失败了。甚至有人报道对于部分还原的胰岛素而言,氧化会导致活力的进一步降低。当时除了像催产素这样只含有一对二硫键的小肽以外,还没有一个含多对二硫键的蛋白质能在还原后通过氧化而成功地再生。等到使Anfinsen获得诺贝尔奖的工作发表时,即氧化被还原的核糖核酸酶能得到活力恢复,我们也早已由还原的胰岛素A和B链重新氧化而获得可观的活力恢复了。但是由于美国和德国的两个研究组也在进行胰岛素的合成,我们不愿透露这个消息,以免为他们所用。加以当时正值大跃进期间,《中国科学》暂时停刊,当时没有向国外刊物投稿的先例。我们的结果只是在一年以后,英国的Nature上出现了一篇由胰岛素A链和B链重新组合形成天然的胰岛素分子的简报以后,才促使我们把结果在复刊后的首期《中国科学》上发表。我们得到的重组产率远比Nature上Dixon等的产率为高。我们正是吸取了前人把不稳定的巯基转化为稳定的硫磺酸基再分离肽链的成功经验,充分分析了前人使用强烈氧化条件的失败教训,设计了较温和的低温和较强碱性的氧化条件,而以较高产率取得从胰岛素A及B链重组生成胰岛素的成功,从而对胰岛素合成路线的决定作出了贡献。
      结晶牛胰岛素的人工全合成从总课题到各个分课题的提出,制定方案,到予以实施,其中包含了多少人的心血和努力,在基础研究方面所取得的经验,有不少至今仍然是值得我们借鉴的。
我从事科研工作50余年,在此期间既有艰辛,也有欢娱,既有失败的痛苦,也有成功的满足。总之,科学研究的道路是不平坦的。沿途充满了荆棘,但每到达一个中途站,回想中途经过的努力,其欢乐之情也是语言难以描述的。我记得年轻时读过一位科学家的回忆录,他把自己比作在海边沙滩上玩耍的一个孩子,偶尔会拾到一些美丽的贝壳,而每拾到一个美丽的贝壳,都给他以极大的安慰。我自己确信,如果我有再生活一次的机会,我仍然将选择科学研究作为我终身的职业。
                              撰稿人:邹承鲁
点评:
    从事科学研究贵在创新。创新的首要环节是要抓好选题。邹承鲁先生对科研选题十分重视,积近半个世纪的科学实践和辛勤耕耘,他总结出新研究课题必须遵循的“三原则”。即选题要体现出“重要性、可能性、现实性”。在文中,他还结合参加结晶牛胰岛素的人工合成,从选择基础研究课题的角度,谈了个人的体会。他认为,选择一个研究课题,首先要考虑的当然是课题的重要性。科学上的重要性,首先要考虑创新性。创新性又首先应该是在科学思想上,其次才是研究方法上。在文中的重要论述,至今仍是值得科研人员学习和借鉴的。

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新年的钟声就要敲响,现将与《学科导论》有关的文章转载如下,希望对该门课程的考试有所帮助,预祝04级同学通过有机化学、学科导论和科研基本训练等课程的考试,锻炼自己查阅文献、撰写综述报告和分析问题解决问题的能力,并取得好成绩。
之一
21世纪化学合成药物发展趋势
中国医药报   时间:2004-12-24 12:59
从20世纪初至80年代,是化学药物飞速发展的时代,在此期间,发现及发明了现在所使用的一些最重要的药物,为人类健康做出了贡献。
  从合成药物发展的历史及现今科学技术的进步来展望21世纪合成药物发展的趋势,可以从下列几个方面加以评述。
  1、从药用植物中发现新的先导化合物并进行结构修饰、发明新药仍是21世纪合成新药研究的重要部分。尤其是由于细胞及分子水平的活性筛选方法的常规化和分离技术的精巧化,有可能从植物中发现极微量的新的化学结构类型。同时,通过现代的筛选模型重新发现20世纪已经筛选过的植物化学成分的新用途,也为合成新药研究提供了更多的成功机会。
  2、从天然来源发现新结构类型抗生素已经很困难,微生物对抗生素的耐药性的增加,不合理的使用抗生素,使得一种抗生素的使用寿命愈来愈短。这种情况促使半合成及全合成抗生素在21世纪会得到特别发展。
  3、组合化学技术应用到获得新化合物分子上,是仿生学的一种发展。它将一些基本小分子装配成不同的组合,从而建立起具有大量化合物的化学分子库,再结合高通量筛选来寻找到一些具有活性的先导化合物。
  4、有机化合物仍然是21世纪合成药物最重要的来源。
  5、20世纪60~70年代,仪器分析(光谱、色谱)学科的逐渐形成,加快了化学合成药物开发的速度,使化学药物质量可控性达到相当完美的程度。进入21世纪,一批带有高级计算机仪器的发明,分离、分析手段的不断提高,特别是分析方法进一步的微量化等将使化学合成药物的质量更加提高,开发速度也会进一步加快。
  6、药理学进一步分枝化为分子药理学、生化药理学、免疫药理学、受体药理学等,使化学合成药物的有效药理表现更加具有特异性。21世纪,化学合成药物会紧密地推动药理学科的发展,药理学的进展又会促进化学合成药物向更加具有专一性的方向发展,使其不但具有更好的药效,毒副作用也会更加减少。
  7、经过半个世纪的积累,通过利用计算机进行合理药物设计的新药研究和开发,展现出良好的发展前景。21世纪,酶、受体、蛋白的三维空间结构会一个一个地被阐明的,这给利用已阐明这些“生物靶点”进行合理药物设计,从而开发出新的化学合成药物奠定了坚实的基础。
  8、防治心脑血管疾病、癌症、病毒及艾滋病、老年性疾病、免疫及遗传性等重要疾病的合成药物是21世纪重点需要开发的新药。
  9、分子生物学技术的突飞猛进、人类基因组学的研究成就,将对临床用药产生重大影响,不但会有助于发现一类新型微量内源性物质,如活性蛋白、细胞因子等药物,也为化学合成药物研究特别是提供新的作用靶点奠定了重要的基础。
10、进入21世纪,化学合成药物仍然是最有效、最常用、最大量及最重要的治疗药物。人类基因组学的研究成就、中药现代化的巨大吸引力为我们带来了美好的前景,引起了包括政府部门、企业家以及媒体的关心与兴趣。将之作为重点科学事业给予支持与鼓励,这是值得赞赏的,但是若因此而形成对化学合成药物的忽视局面,甚至更多的渲染它的毒副作用,或用一些如“回归自然”、“绿色消费”等动听的名词来贬低化学合成药物的重要性和实用性,这是不全面的。当今世界大制药公司新药研究的主题仍是化学合成药物。而利用人类基因组学及中药现代化的成就开发出可以临床使用的药物并占有重要地位是一件十分困难的事业,需要相当时间的积累。假使说用化学方法合成药物是今天该做的事,否则我们与国际水平相比将会有更大的差距。

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之二
走向21世纪的化学化工与生物化工技术
欧阳平凯
已经走向成熟的第一代化学化工技术,特别是那些符合可持续发展战略要求的技术,在21世纪相当长一段时期内仍将继续发挥主要作用。应当说,现代人类文明的发展与存在依靠化学化工创新,本质体现在化学化工产品,新的药物,合成技术的发展,原理技术的创新等。人类的衣、食、住、行离不开化学工业,没有化学化工的发展就没有现代人类社会的文明。
  下个世纪化工技术的发展将有良好的前景,可以用“温和而宏伟”的姿态为人类服务,从食物生产、医药生产到催化剂开发,在形成无污染产业的广阔领域内面临国际化、一体化机遇与信息技术的挑战,将会有巨大进展。
  在20世纪向21世纪迈进时,生物学给化工提供了很大机遇。人类基因计划将在2005年完成,21世纪人类将进入后基因时代,基因的破译给人类提供了大量的信息。近年来,人类的信息量膨胀非常快,从历史上来看信息的大量积累必将导致重大发现。现在人类每天发现106~107个碱基对,这将对人类未来产生深远的影响,特别是在催化剂方面,下个世纪生物技术在催化领域必将产生重大突破。生物催化的优势是温和、低能耗,是直通车,而化学催化必须鲤鱼跃龙门跳过一个能阀,因此生物催化给人类很大启示。
生物技术与化学化工息息相关,如:医药产品、新食品、食品添加剂的生产,既属于化学化工产品,又属于生物技术产品。
  目前生物作用过程一年生产超过300亿磅的化工产品,其中包括有机物和氨基酸、抗生素、工业用酶和食品用酶,精细化学品以及作物保护用的有效成分、医药制品和燃料乙醇。
美国国会技术委员会认为下个世纪生物化工的主要发展为以下几个方面:
生物催化剂在化工中的作用
  改进的生物催化剂是在用生物化学路线以廉价的替代生物作用过程制取高性能化工产品所必不可少的。作用力较强的酶是提高生物催化剂性能的基础,在保持可持续化学优点的情况下增加生物作用过程的产率、速度和选择性。也就是说这种改进的催化剂除了增加生物作用过程的生产能力和速度外,还更适用于特定的化学反应,也适用于以生物物质作低价原料和较大立体化学特性的场合,最终将使生物作用过程对保护人类的健康、安全和环境有帮助。
  要达到这些成就必将面临着以下几方面的挑战:
  ①要从目前尚未开发的、尚须通过生物多样性研究才能发现的微生物门类中分离出新的酶;②已知酶的被作用物特性(生物催化剂特别喜欢将许多相似结构中的一种特定的分子结构作为原
料)和活性应予强化,运用分子生物学和有目标的分子演变技术,研究人员将可提高催化剂在宽广的pH值、温度范围和介质组成(水基和非水基)中的耐受性;③按酶的序列作用途径(代谢途径)使工业用微生物能完成多重的合成步骤,故可用它以低廉和有效的作用过程制造新的产物。要达到这种强化过程的基本要素是有高的收率、高的反应速率和反应介中质中成品浓度高。
  生物化学加工工艺的改进取决于基础生物化学工程能力的强化和应用工程技巧的强化,改进生物化学加工工艺的内容有:
  ①对组合的生物学和化学过程的在线测量和操作控制模型;②使生物学反应能完全、有效、连续地操作;③在生物作用过程中,生物的和化学的操作之间的界面处,要有很好的工艺过程;④寻求更有效的分离操作,例如,在有带电分子的生产中遇到的难以用酸—碱—盐的挑战;⑤生产能力大、投资少的有良好效果的生物反应和产品提取操作。
  新的可能性含以生物技术为基础的操作过程,主要有:
①植物生物学与农用和林用苗木的改良工艺;②从植物基材料中分离出有用原料的科学和工程;③从植物残余物中回收原料的能量。
生物化工过程的提高和强化
  用于化工生产的生物作用过程在走向2020年中将起到更加重要的作用。已知生物催化剂将通过运用分子生物学、基因组定序、代谢途径设计和直接的分子演变而得到改进。这些改进将进一步运用当地和回收的物料为基础的生物作用过程。生物作用过程将越来越多地适用于生产各种化学品。
  科学家和工程师们将在多个领域开发出更好的技术,包括:
  ①高效率的操作过程将使生物物质或种植的原料作物转化成生物作用过程用的低廉的原料;②对微生物的生物作用过程反应步骤,如介质灭菌、氧化输送、搅拌和温度控制提出更加有效的概念和设计;③要有可靠的技术能从工作介质中分离出生物催化剂(整体细胞或在载体上的酶)和从废介质中分离出目的产物。分离技术应该具备能分离得高度纯净和相对低廉的特点。
  科学家和工程师们应该扩大其可应用于工业性使用的生物作用过程的知识,包括下列领域的工作:
  ①代谢途径工程和经过此途径的通量的定量模拟;②通过生物多样性和直接的演变来发现和优化酶;③更有效的反应和分离工艺。
高新技术材料的研究与发展
  高新技术材料的研究与发展必将推动基础产业发展,涉及工业、农业等领域的高新技术产业。化学家研究的尺度,时空效应对材料性能有着重大影响。纳米尺度、原子、分子精确操作,开发新的合成材料已加快了化学工业的增长,并使我们社会在21世纪发生巨大的变化。用合成聚合物和复合材料替代金属、木材、玻璃和天然纤维等传统材料,其结果得到的产品具有重量轻、能耗省、性能高、耐久性好,并有良好的设计和制造的灵活性。
  生物医学高分子已在诊断、医疗和修补性器件和膜方面的应用增进了人们的健康。合成材料是化学工业的一个重要组成部分。它对航天、汽车、建筑、电子、
能源、金属等工业以及保健事业都是很重要的。
  近期在材料方面一些进展是值得注意的。在过去数年中,复合材料(包括纤维和聚合物的混合物)与金属和陶瓷方面的进展已拓宽了这些材料的性能和应用。催化剂方面的新进展使普通聚合物出现了不平常的性能。特殊设计的聚合物共混物和其他材料也扩大了用途,超出了单一聚合物体系所能达到的范围。
在材料的研究和开发方面出现的一些新的概念中,包括有增加材料的功能,扩大其性能范围和运用新的合成技术。灵巧的(Smart)或响应性(triggered)材料提高了材料的功能性和那些能自修复、致动和转换变送的性能。灵巧材料包括电变色、控制释放器件、电—磁—流变材料和形状记忆材料。
 通过用新的涂覆技术、薄膜、自组装或离子束和其他反应性方法使材料的表面和界面改性取得了成就。具有特殊的性质,例如能耐受超高温能力、光电能力和有超导性的材料也在开发之中。
  此外,用植物和细菌的生物工程,微波强化的化学作用和新的混配概念——如有机、无机体系的杂化、自增强体系——最近已开始作为达到有较高性能的路线。
  这种新进展将使高性能材料的生产费用降低。新的设计和加工材料的方法将使生命周期问题在材料设计中便于考虑,将使目前使用的许多材料得以分解、回收再利用。
21世纪材料化工面临的需要与挑战
(1)材料性能预测
  最首要的挑战是通过宏观手段在分子水平上预测材料的性能,这就涉及到对结构—性能关系基本认识的进展及计算机计算技术的进展。要有进展须有以下能力:①以低廉的费用迅速开发出有预期性能的新产品;②开发出能将对材料的性能要求和新出现的工艺过程以及原料代用品综合考虑的方法;③开发出新的方法使之能运用天然的和其他可再生的资源制作出有预期性能的材料。
(2)可精确控制材料结构的合成技术
  开发出新的实用性的合成技术,以便在纳米水平到宏观水平精密控制材料的结构—包括整体、表面和界面—和比较经济的合成、加工和制造低廉的和高性能的材料。这种技术也可能包括:①分子自组装;②网络状合成;③仿生合成;④材料催化。
(3)材料提高性能
  寻找改进和开发新的提高材料性能的方法有:①化工过程工业用的传感器;②具有高的环境稳定性持久性和高的强度重量比的材料;③电学用和光学用材料;④响应性或灵巧材料(用于分解、自修补、自指示、致动、变换等);⑤生物相容体系;⑥高耐温体系供材料间替换之用,高耐温体系也包括复合材料;⑦供分离操作用的材料;⑧供化工操作、包装、医用及其他分离用的膜。
(4)用新的添加剂技术,开发阶跃式改进材料
该技术可在下述领域寻求改进:
  ①供聚合物工业用的新的无毒的添加剂,包括增塑剂、流动助剂、着色剂、阻燃剂等;②开发能耐高温的聚合物工业用添加剂,包括增塑剂、流动助剂;③寻求添加技术的替代方法,包括提高功能性和使用低廉的合成路线。
(5)开发将材料与再利用和分解工艺一体化的技术(略)
以绿色化工为核心的环境技术(环境友好技术)
  化学化工面临的最大问题是环境问题,是化学工业今天被淡化的内因。随着经济建设的高速发展,无论是发达国家还是发展中国家,都对环境保护提出了更高的要求。当前化学工业对全球造成的环境问题主要表现在:气侯变暖,臭氧层破坏,有害、有毒废弃物的处理与处置,水资源保护等方面。由于化学工业中碳、氢化合物的燃烧,产生大量CO2,造成全球温室效应,目前全球每天消耗1000万t原油,CO2排放量大、面广,其温室效应最为显著。国际能源机构调查显示:美国、中国、俄罗斯和日本CO2排放量占全球总量的50%。按各国现在CO2排放量增加速率,下世纪中叶地球的平均温度将上升15~45℃,地球两极高山冰雪会加速融化,海平面将上升025~06m。占世界人口的10%左右的发达国家消耗全世界60%~70%的能源,
无法在现有基础消灭CO2的排放,他们正在高速发展经济,必将大幅度增加CO2的排放,人类面临最严峻的挑战。
  光化学反应是造成大气臭氧空洞的罪魁祸首,臭氧空洞易造成皮肤癌、白内障,导致温室效应加剧,破坏生态环境,破坏人体的免疫力。
  目前对环境的治理一般采用化学化工方法,不能对其进行根本治理。环境治理的关键还在于发展无污染,零排放的绿色化工技术。例如在今后在研究中,电池技术将最终解决运输所需电力。若将直接燃料转变成电这种清洁能源,廉价的太阳能替代电站兴建,即可减少CO2的产生量。另外可积极研究CO2的循环技术,采用生物化工技术,利用光合作用、光化学原理将CO2转变成能源或其他有用的有机物质亦可解决大气污染问题。
  化学是一门现实性很强的科学,化学将对解决各种社会问题作出贡献,首先是能源问题。人们需要简便易用的燃料,如果停止烧油,就要让化学家去制造其他液体燃料,氢能是非常好的燃料,但如果它的高密度安全贮存问题未能解决,仍然需要大量的液体燃料。全球气侯变暖,使世人瞩目,未来能源主要依靠核聚变技术大力发展核能发电,采用海水中氘、氚、铀,取之不尽,用之不竭,这可以解决全国乃至全世界能源缺乏问题,目前江苏省连云港引进俄罗斯、德国技术,建成了装机容量为380万kW的核电站。该技术是人类解决能源问题的最佳途径,同时这一技术的发展对化学工业也有很大的促进作用。然而,核废料处理仍然采用原始的深埋方法,这是核工业的难题之一。核废渣这一放射性废渣深埋藏则不仅影响环境,还会造成农业损失,使周围稻田疯长,却颗粒无收,无法从根本上治理。城市垃圾的堆埋,不仅占用大量土地,而且对水、气的污染也同样严重,青岛去机场的海滨路由于垃圾堆放,使人们长时间行进在臭气中。城市垃圾的堆埋和燃烧都会产生大量的CO2、CO和CH4气体,甚至包括SOx、NOx。另外粉煤灰的综合利用也是解决城市垃圾量的重要课题,将其主要加工成水泥等建筑用材料也是一个较容易实现的途径。
水源污染问题
  我国是水资源短缺和污染比较严重的国家之一,1993年全国总取用水量与1980年相比增加184%,达到5255亿m3,人均用水量为450m3。国外学者认为,人均占有水资源量为1000m3是实现现代化的最低标准。从现状和未来发展来看,我国北方黄河、淮河、海河三流域要达到人均占有水资源量1000m3是极其困难的,即使要达到500m3也需进行很大的投入。水资源问题对江苏经济的发展影响巨大,是江苏省经济命脉。长江流域、太湖等水系的污染已给江苏造成严重的经济损失和社会环境问题,水源绝对量的不足,制约了社会发展,更制约了经济的发展。现在有不少的水处理试剂未解决目前水源污染问题,主要作用是:控制水垢、污泥的形成,减少泡沫、除去水中悬浮固体和有毒物质,除臭、软化和稳定水质等,但这仅治表未治本。全新的绿色合成技术可达到无废气、水、渣的排放和生物催化剂或光、电催化技术实现环境友好技术的合成。
如果说人类在纪元的第一千年为生存而斗争,在第二个千年中向大自然索取人类文明获得了极大的进步与发展,今天当人类的活动已经危及环境,面临可持续发展的危机时,在新的千年中人类应当反求自己,探索生命。“我们并不是从前想的那样是主宰大自然的人……地球是一个结构松散的球状生物圈,其所有的有生命的部分以共生关系联系在一起。我们依赖于其他生命……我们的作用至今看作是整个生命体的神经系统”(托马期•刘易斯)。生命的奥秘正在向人类挑战,生命科学将对人类文明的进步提供巨大的机遇。
作为支柱产业的龙头老大,化学工业在新的世纪仍将发挥巨大的作用,绿色化工将成为新化工的主要特色,生物催化、光催化学、电催化将在绿色化工中发挥重要作用。新世纪化工的精彩之处将出现在与生命科学及材料科学的交叉点。

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之三
21世纪化学化工发展优先研究方向
中国化工报    2003-08-15
一、物质合成与制造科学与工程
1.有机合成。包括手性分子科学与技术;生物有机科学与技术;金属有机科学与技术;材料有机科学与技术。
  2.精细化学品合成(绿色精细功能化学品与专用化学品)。
  3.应用化学与工程。包括电化学工程;国防化工;皮革化工。
  4.特种合成工艺及高效制造专用装置的研究。
  5.多产品车间的系统工程研究。
  二、物质分子物理化学的转化与催化理论与技术(物化与催化)
  功能体系的分子工程学;纳米化学;胶体与表面和界面化学;生物物理化学;激光化学;非线性化学;催化理论与技术等。
  三、物质多尺度结构与转化过程的分析、鉴别与在线检测科学与技术
  光谱分析;电化学分析;色谱分析;质谱分析;核磁共振;表面分析;放射化学分析;单分子(原子)检测体系和仪器的加速研制;开发在线过程控制的仪器等。
  四、计算化学与信息化学工程化学理论和计算:研究分子结构和性能的关系;研究化学反应是如何发生的;预测化学反应的产物及新化合物化学性质;生物大分子的空间结构、取向和形态研究;研究分子-分子体系的排列和相互作用。
  信息化学工程:过程和产品设计方法;计算流体力学及单元操作仿真与放大方法;过程控制方法;研发和过程操作的优化;多尺度集成优化;大系统过程系统工程优化研究。
  五、现代高效化工过程工程及装置智能化技术
  界面传递技术(动量、热量、质量传递);多尺度非线性传质理论研究;非常规(极端)条件下传递过程机理研究;传质分离过程大规模非线性系统计算方法;高效多相反应器的强化;特种精馏过程的流体力学及流动性能;工业结晶和粒子过程科学与技术;膜过程科学与技术;高效分离技术(萃取、吸附、吸收)与装置;反应分离技术的耦合与生产设备的强化(微型化);大品种产品(炼油、乙烯、化纤、塑料)成套生产工艺与生产设备国产化专有技术。
  六、农业化学与工程学农药:对认定有活性基团进行组合与修饰提高性能;根据构效关系定向进行分子设计;对现有农药进行结构改造,开发新的活性化合物;仿生制备新一代绿色农药;引进生物技术开发生物农药。
  化肥:高浓度高效化提高肥料利用率;研发多元复混化化肥;缓效化化肥;节能降耗的生产工艺开发;废弃物资源的再生利用———开发有机—无机的复合肥料。
  七、化学生物与医药化学和食品化学科学与技术
  生物化学与工程:功能基因组学和定量系统生物技术;工业生物催化;生物上游加工过程;蛋白质组学与生物下游加工技术;代谢工程;组织工程;纳米生物技术和仿生学;发酵工程;环境生物技术。
  医药化学与工程:根据构效关系进行药物的分子设计及超分子结构的调控;.治疗试剂的可控传递;中药现代化。
  食品化学与工程:食品加工和保藏中的分子基础研究;食品高新技术在食品加工和保藏中的应用研究;功能性食品研究;食品安全性研究。
  八、材料化学与工程科学与技术高分子材料;无机材料;模板技术;半导体处理技术;分子电子材料;复合及杂化材料;用生物和电子学方法研究表面改性和界面性质;绿色材料和生态技术;材料结构的分析和模拟适应型及响应性材料。
  九、能源化学与化工科学与技术煤的高效和清洁化燃烧;石油炼制工业的技术进步;基于一碳化学的能源技术;化学电池;燃料电池;蓄电池;可再生能源资源技术的发展;能量分配。
十、环境化学与化工科学与技术原材料循环利用方法的开发;物质与环境的相互作用关系的研究,发明对生存环境无害的化学品;开发安全、有效的、廉价的控制人口增长的方法;开发清除污染的方法以及环境友好的生产方法;开发有效除去污染物的方法及能源的高效利用方法;开发有用产品和能量的对环境负责的生产制造方法;政府、企业、各级 教育机构应持续不断地强调科学教育。
  十一、安全性化学与化工科学与技术现代军事方面的要求;生物武器袭击的防护;化学武器袭击的防护;核和辐射威胁的防护;爆炸的防止;加速地区基本水平差异的消除;个人安全的保护措施。

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之四
《中国基础科学》2000.5 (P34-61)
新世纪化学发展战略思考
梁文平1 唐 晋 1 王 夔2
(1 国家自然科学基金委员会化学科学部, 100083, 2北京大学药学院,100083 )
摘要 评述了化学在现代社会中的作用和在科学技术体系中的地位,分析了我国化学界的现状,特别强调了化学与人类安全的关系。提出化学发展的契机和可能突破口,提出了学科重组的新思路和新世纪化学发展的战略思考,并强调了原始创新在基础研究中的重要作用。
在过去的100多年里化学作为一门核心、实用、创造性科学[1-2],已经为人类认识物质世界和人类的文明进步做出了巨大的贡献。化学寻求结构多样性和分子多样性,合成制备了数以千万计的化学物质,发展了化学合成理论和技术,为阐明生命的起源、发现生物活性物质、新材料以及新药物的设计合成奠定了理论和实验基础。化学研究物质之间的变化规律,阐明各类化学反应的机理,从真实时空的水平上认识物质转化的化学过程。化学创立了研究物质结构和形态的理论、方法和实验手段,认识了物质的结构与性能之间的关系和规律,为设计具有各种特殊功能的化学品提供了有效的方法和手段。
   面对生命科学、材料科学、信息科学等其它学科迅猛发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求,化学在不断开拓新的研究领域和思路的同时,不断地创造出新的物质和品种来满足人民的物质文化生活,造福国家,造福人类。当前,资源的有效开发利用、环境保护与治理、社会和经济的可持续发展、人口与健康和人类安全、高新材料的开发和应用等向我国的科学工作者提出一系列重大的挑战性难题,迫切需要化学家在更深更高层次上进行化学的基础和应用基础研究,发现和创造出新的理论、方法和手段,并从学科自身发展和为国家目标服务两个方面不断提出新的思路和战略设想,以适应21世纪科学发展的需求。
   自从进入90年代以来,国家自然科学基金委化学科学部就注意到化学学科内部的发展与来自外部的需求之间的距离,注意到化学在自然科学体系中的地位与作用的变化,必须重新考虑学科建设问题。在“九五”计划制定之初,经过反复讨论,就开展了对优先资助领域的研究和调整,提出了重视学科交叉,淡化二级学科的原则,引起了化学界的广泛的讨论。在过去的5年中逐渐得到广大化学界的共识。20世纪末,在长期酝酿后又提出了几个新的发展领域,组织过多次讨论,提出要开展分子以上层次化学研究的创新思想,引起了又一轮的化学界的讨论。通过这一过程,吸取了经验。为了探索、研讨与展望化学发展趋势、发展战略及十年或更长远化学发展前景,使化学这一传统学科成为知识创新和技术创新的源头,国家自然科学基金委员会化学科学部在几年来组织专家研讨和参与有关化学学科发展战略问题,尤其是《化学学科发展战略研讨会》第128次香山会议,和大陆、台湾、香港两岸三地《香港21世纪化学发展前景讨论会》,使化学界逐渐对我国化学学科的现状分析、存在的问题的根源和未来发展战略形成基本共识。 
1.化学界目前存在的困惑剖析
   浸沉在20 世纪化学所创造的辉煌之中的化学家自信在合成制备新分子新材料、控制反应过程以及获取物质的组成结构信息和构-性-效关系方面有无限的的潜力。但是,就在化学家继续抱着创造新物质、新材料为人类生存和生存质量的提高作出新的贡献的时候,他们却感觉化学的作用和地位似乎被淡化了。似乎化学从认识、控制和改变客观世界的核心科学以及引导其他学科前进的牵头学科退后了,这就是化学界目前存在的困惑[3]。这里有客观和主观两方面的原因。
   从客观上讲,首先是化学学科和技术的进步使一部分化学研究方法自动化、计算机化。各种合成仪和分析用结构测定用的仪器以及各种计算机软件的出现使人误认为分析与合成化学这两大手段已经不是科学而是技术了。其次,19世纪末、20世纪初物质科学的一系列研究成果(从1900年发表量子理论起)决定了的物质科学的大方向和基础理论研究的主流:寻求物质世界的微观、基本、统一解。物理学成为20 世纪前半叶的带头学科,也使化学研究的理论、观点和方法趋于物理化,期望在量子化学基础上寻求所有化学过程的统一理论。其后,生物科学从化学获取关于物质结构和性质关系的概念和研究方法,在分子层次突破后,进入基因为中心的研究领域和从原来研究生物和生物分子变成创造新生物和新生物分子的科学。因此,20世纪后期的生物科学成为带头学科。这时化学的一部分分化成为生物化学,而化学没能及时在生物科学研究中定位,推动生命体系中的研究而有所突破。还有一个客观原因是在创造新的肥料、农药、医药、材料方面以及解决工业农业生产和环境中的问题时,化学研究的原理、机理和方法,处于上游。必需经过其他科学技术才能转化为可资利用的物质和可运做的方法。
   从主观原因看,首先是迄今为止化学研究的主流仍以创造新分子新材料为目标; 因而过多地注意建立新合成方法和获得新型结构,而对分子的功能研究重视不够。另外,过多重视细微的结构的本质的微观研究,较少注意快速发展的科学技术对化学理论、观点和方法提出的大量新问题。使我们的理论研究没能跟上需要。 此外,在我国还有一些原因,如化学工业不够发达,创造有自主知识产权的产品的意识不够强;在学科交叉融合中,化学先是没有抓住机会,其后又没有能够找到起主导作用的研究方向和领域;化学作为精细学科,在研究生物、环境、材料等现实问题时缺少必要的想象力。正是由于化学学科存在的上述现状导致了化学学科的重要性在表现上的下降。从事化学研究的人员由于生物和数理基础与现代科学技术发展的要求有一定的差距,使得进入材料学科、生命科学或其它学科往往力不从心。(未完,待续) 

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续一
2.化学学科发展与化学分支学科重组的思考
将近十年中,国家自然科学基金会化学科学部曾经组织多次专题调研和讨论,1999年组织了专家咨询组和与中国科学院化学部共同组成的2015化学学科发展远景规划软课题组,以香山会议等多种形式征求科学界对化学学科发展、重组的建议和意见,取得了基本共识:随着科学技术的迅猛发展,化学要从传统的只注重研究原子和分子的反应和变化规律和按无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、高分子化学来划分二级学科框框中解放出来,向整体化多层次发展。化学可以由原子层次、分子片层次、分子层次、超分子层次、多分子聚集态层次等不同层次来划分研究对象。由此形成原子层次的化学、分子片层次的化学、分子层次的化学、超分子层次的化学、宏观聚集态化学、介观聚集态化学、复杂体系的化学等[4]。化学界内部应互作调整,更好地交叉、重组,将不同学科的理论、方法、思想和研究方法融入化学。综合上述分析,化学学科可以从研究内容和方法来划分形成新的二级学科,如合成化学(合成方法学,手性合成,模板合成等)、分离化学(萃取化学,离子交换,色层分离等)、分析化学(电分析化学,光和波谱分析化学,化学计量学,在线原位分析等)、物理化学(化学热力学,结构化学,催化化学,表面/界面化学,超临界化学等)、理论化学(计算化学,量子化学,化学统计学,非线性化学等)等。根据将现代数学、物理、信息方法融入化学,赋予化学更多的生命活力和创造力的原则,也可以从学科交叉来重新划分,如与生命科学交叉的化学生物学,与材料科学交叉的纳米(材料)化学,与资源和环境科学交叉的绿色化学,与数学、信息和生命科学交叉的化学信息学等。随之而来对化学科学的定义也有必要重新考虑。香山会议提出了一个很有参考价值的定义,即:化学是主要研究从原子、分子片、分子、超分子,到分子和原子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态的合成和反应,分离和分析,结构和形态,物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科学[4]。
3.化学与其它学科的交叉前沿和突破口的思考
从目前国际化学发展的趋势和热点来看,化学科学的前沿和热点集中在[5-8]:(1)认识化学反应过程的化学反应动态学和以混合量子与经典方法的含时统计理论为代表的理论化学;(2)具有生物活性,具有光、电、磁等性能的功能化合物的高选择性合成与制备;(3)化学催化、生命体系中的化学过程以及化学生物学;(4)极端条件下的化学行为以及与人类生存相关的分析和超快速、超微量、在位、活体分析和检测手段;(5) 分子以上层次化学与纳米化学以及化学反应的尺度效应以及(6)以可持续发展为目标的绿色化学等六个方面。
有三个领域的内容值得研究。第一,什么是化学信息学?是否应该使化学信息学发展成为一个新的二级学科?第二,最新出现的所谓化学生物学,它与生物化学有何不同?香山会议认为化学生物学应该成为化学发展的一个重要领域,并预期很可能成为化学科学发展的一个新的增长点。第三关于化学中的理论问题,值得注意的有相干控制的化学,化学中的非线形问题和手性(类手性)对称性问题,分子自复制中的理论问题,遗产密码如何控制自复制化学过程的问题,以及纳米凝聚相的化学活性问题等。会议认为理论化学和化学生物学可能是化学发展将要出现的新“突破口”,而绿色化学将成为21世纪人类安全和生态经济和工业的关键。
在对化学反应的理解方面,现代科学技术的发展使我们有可能阐明化学反应的全过程,包括介于反应物与生成物之间的不稳定结构排列。化学将会利用现代科学技术手段揭示化学变化的瞬态面貌,阐明决定化学反应速度的各种因素和各种反应机理。现在化学科学已具有新的研究手段,能够及时地观察最快的化学反应过程,对反应的位能面进行理论计算,在微观的水平上考察化学变化,追踪分子内和分子间的能量转移。
21世纪化学科学的研究层次将会拓宽,多层次分子间的相互作用将会成为化学家关注的重点之一。虽然分子间的作用力如氢键和范德华力等是化学中的基本概念,但这些弱作用力的本质,这些弱作用力对分子聚集的影响等问题,还有待解决。在化学界,已经有了一个基本的共识:注重分子间的弱相互作用研究,将会开辟一个全新的化学研究空间,给化学科学带来新的发展机遇,同时对材料科学和生命科学的发展有重要意义。
生命体系中的化学问题研究仍将是科学研究的前沿。值得注意的是,以利用化学理论、研究方法和手段来探索生物医学问题的化学生物学正在形成。有迹象表明,化学生物学将成为未来20年或更长一些时间内的重要前沿学科方向之一。
近年来,纳米化学和分子纳米技术越来越受到世界各国科技界的关注。纳米化学的发展使人们对纳米物质本性的认识有了深入了解的可能,这将对发现新的纳米材料,开发具有特殊性能的纳米材料,如纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米催化剂、纳米信息材料、纳米润滑材料等,以及开辟新的应用途径起到巨大的推动作用。
自90年代以来,绿色化学得到普遍关注。绿色化学的主体思想是采用无毒、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,并且经济合理。绿色化学是与生态环境协调发展的、更高境界的化学,它要求化学家重新考虑化学问题,从源头上消除任何污染[9]。这是21世纪赋予化学家们的一项重要任务。

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续二
4.化学未来新发展的契机
化学界普遍认为,化学正酝酿着重要进展。这是由于(1)各相关科学(主要是生物和材料科学)与化学在大量问题上相遇,化学家开始发现其中的化学基础问题,而相关学科的科学家也意识到需要解决的化学问题;(2)可持续发展的战略向化学科学提出了大量化学基础问题,国民经济的需求和化学学科自身发展的需求也已经结合成为推动21世纪化学学科发展的动力;(3)化学已经在理论和方法上有了相当的积累成果。但是必须把握下列几点原则,才能使化学科学有更大发展:第一,微观研究与宏观研究结合;第二,注重多层次、多尺度的研究;第三,研究要由复杂到简单,由简单到复杂,不断升华;第四,注重静态与动态(过程)研究的结合;第五,寻找其它领域中必须化学解决、而化学还未能解决的基本问题。
5.原始创新是化学学科发展的灵魂
基础研究是人类文明进步的动力,是科技与经济发展的源泉和后盾,是新技术、新发明的先导,也是培养人才的摇篮。基础研究的核心在于创新,而创新就要允许失败。要努力营造一个有利于激励原始创新的良好环境,推动化学源头的创新,取得基础研究的突破,加快发展我国的化学基础研究的发展。要在坚持运用竞争机制、择优支持的同时,营造一个开放的、宽松的环境,以充分尊重和保护科学家的兴趣和首创精神,使不同学术思想、观点、学派之间能进行平等的竞争,鼓励科学工作者在学术上树立敢为人先的意识。要提倡对不同学科、不同类型的研究工作采用不同的评估标准,不搞一刀切。要坚持以质取胜的原则,不简单地以论文数量的多寡分高低[12]。要允许失败,不能急功近利,克服浮躁情绪,争取重大突破。拥有原创性研究成果、拥有中国自有知识产权是化学界和整个中国科学界的最重要的任务。应该扎实地做原始创新性工作,并在开展国家重大需求的研究的同时,予以自由基础研究一席之地,使创造性的基础成果更多一些。
原始创新是科研的灵魂,但是科学的创新不可能脱离原有研究基础,而且也有不同模式和水平。既有思想或思路上的突破,也有方法学上的革命。思路上的创新中或是原有研究思路的延伸和扩展、或与原有方向相反、或为两种思路的衔接和交叉等不同模式。方法学上的革命曾经树立了许多科学的里程碑。组合化学就是反向思维加上方法学革命(摆脱有单一目标的定向合成技术和各个化合物分别筛选的方法)的结果。
我们从一位古人所做诗的四条创新精神,或许对我们考虑研究工作的创新有些启发。这位诗人说:“诗有四种高妙。一曰理高妙,二曰意高妙,三曰想高妙,四曰自然高妙。碍而实通,曰理高妙;出自意外,曰意高妙;写出幽微,如清潭见底,曰想高妙;非奇非怪,剥落文采,知其妙而不知其所以妙,曰自然高妙。”如果我们计划中的工作或是本来路线已经是通的,或是结果是可以预期的,或者计划的研究深度不够“幽微彻底”,或者预计的结果并不高妙到不易解释,那么我们的工作是否缺少创新的思路呢?
6.化学科学与人类安全的关系[10-11]
回顾人类认识和利用物质的历史,可以看出认识提高的三个阶段。这三个阶段是决定科技发展能否与人类进步同步的三个组成部分。在第一阶段,人类活动只为满足生存的基本需要;后来就进一步要求满足日益增长的生存质量的需要;再后到20世纪后期才认识到要在保证生存安全的前提下提高生存质量。既要保证现今地球上的人,也要保证未来子孙后代。因此提出了可持续性发展的战略思想。现在大家都知道可持续性发展要依赖科技进步;但也要知道并非一切科技进步都支持可持续性发展。只有满足人类生存、生存质量和生存安全三方面的要求,科技进步才能够成为人类不断进步的推动力。
   化学的创造力的确给我们营造了一个全新的物质环境。这些成果一度使人们乐以忘优。先发达国家的人们毫无顾虑地改变着和影响着自然。但是经过100多年的工业大发展之后,人们才渐渐明白了一件事实:生产和生活上的不当会反过来影响人类的安全。其中最引人注意的是天然资源的滥采和化学品的滥用所引起的负面作用。因此,合理使用化学品成为20世纪末提到科学技术界的极其重要的问题。
   事实上任何物质和能量以至生物对人类来说都有两面性。天然化合物也有两面性,甚至有的有非常强的毒性。不论化学创造的新物质和自然界原有的物质,都要合理使用。化学对于人类的贡献利弊共存,是一把双刃剑。化学能够帮助我们了解化学物质的性质和变化规律,了解它们的两面性的本质。这是合理使用它们的科学基础。化学也能帮助我们认识自然界发生的各种化学过程,使我们能够正确地使用它们和控制它们。例如通过化学的研究,人们发现破坏臭氧层的是氟里昂之类的化学物质。但是破坏臭氧层的化学物质并非只有氟里昂;而且影响臭氧层的也并非都是化学品。反到是靠化学才解决了臭氧层的形成和破坏的机理,才找到了保护臭氧层的途径。Molina,Rowland和Crutzen就是因为他们在研究大气层化学,特别是臭氧层的形成和破坏方面所取得的成果获得了 1997 Nobel化学奖的。化学不仅对于解决化学品问题上起关键作用,在处理物理的和生物的危险因素方面也能够发挥主要作用。例如对受到放射性、紫外线等辐照的人的处理与治疗就是利用螯合排除金属,或者用自由基清除剂、抑制剂以及细胞保护剂等化学物质去阻止对人体的损伤。
   在满足生存需要之后,不断提高生存质量和安全是人类进步的标志。 生活质量高低和安全程度要看生活水平和健康水平,由饮食、环境和精神等关键因素的合理程度决定。这些都取决于人与自然环境相互作用中,外来物质和能是否满足人体需要同时维持最佳状态。外来物质和能量(包括饮水、食物、空气、电磁波、放射性、热等)有的是有利于生存质量的提高,有的反而对健康形成威胁,还有许多有两面性。优化物质利用,避害取利是保证生存质量和安全的基础。生活质量不仅仅以个人满足感为依据,而应该考虑人以外的整个环境的应答。例如过多的汽车、空调、吸烟、不当的生产、生活方式等等都与人类生存质量有关。化学研究可以从三方面对保证生存质量的提高做出贡献:
1.通过研究各种物质和能的生物效应(正面的和负面的)的化学基础,特别是搞清楚两面性的本质,找出最佳利用条件。
2.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。以上两方面是绿色化学的两个主要内容。
3.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。提出优化环境建立洁净生活空间的途径。
   健康是重要的生存质量的标志。维持健康状态靠预防和治疗两方面,以预防为主。预防疾病将是21世纪医学发展的中心。一系列疾病,首先是肿瘤、心血管病和脑神经退行性病变等,将要在相当程度上可以预防。化学可以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。 

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续三
7.二十一世纪化学学科发展的方向[3,11]
预计21世纪科学发展的特点是各学科纵横交叉解决实际问题。即化学学科的自身继续发展和与相关学科融合发展相结合; 化学学科内部的传统分支继续发展和做为整体发展相结合; 研究科学基本问题与解决实际问题相结合。应该说科学的发展常常出现预料不到的突破,但是又有可能从现时动向,从解决继续解决的问题的可能性分析较近期的发展展望。 
7.1寻求结构多样性的研究与功能研究结合
面对日益增长的各种功能分子和材料的需要,合成化学在研究内容、目标和思路上也要有较大的改变。未来从事合成化学工作的人要能够根据需要和可能设计、合成新结构。20世纪末的发展还说明,未来的合成化学不仅研究合成分子的结构,也要研究构筑分子以上的高级结构。在未来一段时期,随着各个领域对于个种功能的分子和材料的需要迅速增加,合成化学将要开拓若干新领域:
1.寻求结构复杂性和多样性的目标结构应该包含高级结构。因此合成化学既研究传统的分子化学,也应研究高级结构,特别是高级有序结构的构筑学(Tectonics)。高级结构是以分子间弱相合成互作用为基础的。因此,与合成分子为目的的合成化学有所不同,高级结构是由结构单元分子组装成的,有时也可能在合成分子的时候,生成的分子自组装成的。研究这两方面的可能性都有广阔的发展前景。
2.组合化学是基于与传统合成思路相反的反向思维,加上固相合成技术,并受生物学大规模平行操作(如用96孔板操作)启发而产生的。它一开始就在筛选药物方面显示潜在力量。现在已经又发展了液相方法,并且推广到肽和核苷酸以外的有机和无机化合物。我们不能把组合化学仅仅看作是一种技术,而应该看到以它为基础的生长点。
3.发现和寻找新合成方法是永久课题。目前,除了研究寻找新合成反应和方法(包括以一定手性(类手性)、对称性和构象为目标的反应和方法)外,重要的是为可持续发展提供新反应、新路线、现在使用的化学品的安全替代物。此外,基于结构-功能关系设计-合成新功能分子或功能材料;基于分子或合成子组装的合成、构筑高级结构的研究,包括控制大分子缠绕、折叠和有序聚集研究(多层次);基于模拟生物材料形成过程的合成方法研究等将得到进一步发展。
4.结构化学与合成化学结合是未来化学发展的必然趋势。 C60是从实验结果中偶然发现的。出自意外总是偶然的。在发现之后,人们又觉得它的存在是合理的,应该可以预计的。是否可能合成化学与结构化学结合增加合成前的设计和预测是我们值得思考的又一个问题。  
7.2加强复杂化学体系的研究
化学界最早涉及复杂性的研究可以举出三个里程碑工作:化学震荡的时空表现的机理研究;Prigogin 非平衡态热力学;Williams提出的解释生物大分子和细胞参与的化学过程的模型。他们的工作说明一点:化学过程的宏观与微观复杂性都可以通过实验做定量研究,并用化学理论加以解释的。这包括对系统、结构、过程和状态四个方面的复杂性研究。从系统来说,复杂性具有多组分、多反应和多物种的特征;结构复杂性的特征主要是多层次的有序高级结构;而过程的复杂性指复杂系统参与化学反应时所表现的过程。 复杂过程由时空有序的受控的一系列事件构成;状态变化的复杂性又是过程复杂性的表现。这些特点在生物和无生物系统中广泛存在,在工农业生产和医疗、环境等等领域中也无处不是。研究复杂系统的化学过程有普遍意义。在这里要加强化学中的尺度效应和多尺度化学过程的研究;复杂体系的多层次结构研究;复杂体系的多层次结构研究包括实验和理论研究包括表面结构、内结构、形状、斑纹等与性能的关系,分子聚集体和凝聚态以及生物体系的高级结构形成与功能的关系,复杂过程的跟踪分析,过程理论研究,多反应过程动力学解析等。 
7.3重视化学信息学和高效计算机信息处理在化学中的应用
功能分子的信息经过200多年的积累,特别是20世纪后期合成化学的大发展,已经收集了大量化合物的信息。包括他们的合成、结构、性质等等,现在还在以越来越快的速度合成出新化合物。许多工作仅为创造新分子或新结构,无意于它们的实际用途。也有些虽然考察过某种性质,但是可能当时漏掉另一重要性质。况且,当我们总结结构与功能的关系时,需要功能表现有差别的一系列有关化合物的资料,哪怕是没有实际用处的化合物。因此,我们越来越需要结构-性质-功能的资料。另外,经过长期积累,堆起了一座各种各样的物质的信息的大山。它是埋藏着大量宝藏的知识资源。而且这座大山还在以极快的速度增加。可是当我们需要寻找具有某种功能的化合物时,又去合成各种个样的化合物提供筛选。因此,我们应该意识到从这座信息大山中可以发现有用的物质。是从新合成和分离、筛选好,还是从已有信息中找好,要看信息处理的理论和方法。今天信息技术包括计算机的智能化给我们带来从信息大山中快速挖掘功能化合物和解决问题的基本数据的可能。
与生物衔接的化学信息学是化学信息学的重要组成部分,在生命科学中现在正处在高潮到来的前夕,其契机有二:第一,在早是蛋白质结构库用以在计算机上对小分子进行对接进行筛选。这是计算机辅助药物设计的核心。第二,基因组的测定和基因库的建立是20世纪生命科学发展的里程碑。他给医药学、农牧业、带来新的希望。因此,国际普遍重视围绕基因和基因表达的信息库和信息处理。在这方面,化学工作如何起作用?有没有需要化学解决的问题是值得思考的问题。
与化学反应和化学过程衔接的化学信息学近年来开始受到人们的重视。化学反应以及化学过程的热力学和动力学信息库包括范围很广。除去基本化学反应之外应该包括诸如在土壤、大气、水体、生物体内的反应资料。比如环境物质及其反应的信息库是研究物质在环境中的来源、去向、停留时间的基本数据。化工过程的计算机模拟和仿真都要这些资料。
7.4新实验方法的建立和方法学研究
测试和分析是人们获得各种物质的化学组成和结构信息的必要手段。它渗透到化学的各个学科,并对环境科学、材料科学、生命科学、能源、医疗卫生的发展具有十分重要的作用。从现在学科发展趋势和实际应用看,研究复杂体系的结构和变化过程需要方法。如生命体系和生态环境体系在结构上是非常复杂的,而且结构和性质的变化也是复杂的。首先要发展新的研究思路、研究方法以及相关技术,以便从各个层次研究分子的结构、性质和变化。当今国际上科学研究的领先权,在很大程度上取决于研究方法和研究手段的先进程度。著名的人类基因组计划,就是首先重视了方法学尤其是DNA高速测序方法的发展,才走上了成功之路。在生态环境中往往有种类繁多、形态复杂、性质各异、含量极微的化学物质或活性化合物。这些化合物的相互作用错综复杂,既有线性变化,也有非线性变化,或介乎于线性与非线性之间的变化;既有化学变化,也有生物变化。要对这些微乎其微物质的组成和含量进行分析和检测,要对其复杂的结构或形态、生物活性及其动态变化过程等进行有效和灵敏的追踪或监测,就必需充分利用并大力发展现代分析科学方法和检测技术。为此,应该注意建立时间、空间(能够分辨作用位点和变化位点)的动态、原位、实时跟踪监测技术。要发展研究各层次结构和各个尺度的物质的物理化学特性的测试技术。为了适应各种复杂混合物(如中药复方、天然水、食物、生物材料等)成分分析的需要,今后要研究分离-活性检测联机技术,以实现高效高选择性的分离、高灵敏度分析鉴定和结构分析与功能筛选一体化的技术。为了研究复杂系统的真实情况不能单单靠分析测定的方法和仪器,必须充分注意总结和建立新分析原理,特别是建立自己的方法学。
化学分析仪器的小型化、微型化及智能化也是应该注意的方向。如今刚刚发展的微流动分析技术可以与集成电路连接,可以用于活体及活细胞对外来物质应答的测定及毒素和细菌检测。它在快速筛选和生物测定方面有很大用处,特别是和组合化学连接起来。
化学还应该建立方法和仪器去研究微小尺寸复杂系统中的化学过程(如扫描显微技术),也要积极引进生物学和物理学方法为我所用。例如用流式细胞计、共聚焦显微技术等都可以用来在细胞层次研究化学反应过程。
 
7.5跟踪、分析、模拟化学反应过程
化学有三个基本武器: 用分析手段测定物质的组成和结构;用合成手段制造物质;用对化学过程的认识去控制化学过程。 在生活、生产、环境、气象等现实问题中,化学过程随时随地地会遇到过程问题。 化学反应过程也是人类与环境相互作用的基础。
目前,现代科学技术的发展使我们有可能阐明基元化学反应的全过程,包括介于反应物与生成物之间的不稳定结构排列。化学将会利用现代科学技术手段揭示化学变化的瞬态面貌,及时地观察最快的化学反应过程和其中的各种效应,阐明决定化学反应速度的各种因素和各种反应机理。对于实验结果的理论处理能够在最接近实际的水平(态~态)上考察化学变化,追踪分子内和分子间的能量转移,最终建立和构画出基元反应的真实历程。
但是更多的过程是相对慢的过程,而且在真实系统和实际问题中可能极快的反应和极慢的过程互为因果或互相牵制。这在生命系统和环境系统中是不可回避的对象。小到细胞大到环境,都会遇到因为瞬间的突变(物质的和能量的)引起极快的反应,这些第一批反应经过传递、放大有引起了更多的慢反应,反应之间的交错构成一个即使在引发因子早已不存在之后相当长时间内继续进行的极慢过程。建筑和工程与环境物质与能量的相互作用导致的腐蚀和损坏也是一个极慢的过程。但是其中每分每秒都在进行着快反应。这些现象中出现的事件都是以化学反应为基础的,以反应间的相互作用为基本特征的。随着人们对自然科学规律认识的不断发展,在揭示化学事件的产生和相互作用方面正朝着更加接近实际的方向发展。
以上我们只能讨论今后较短期间的化学发展趋势和战略。或许在10~20年后,还有新的发现、新的技术和新的问题使我们重新考虑化学学科发展方向和战略问题。正象赵翼在一首诗中所说的:“满眼生机转化钧,天工人巧日争新;预支五百年新意,到了千年又觉陈”(《瓯北集.论诗》卷28)。 

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