若干化学前沿领域和热点问题

理论化学
理论化学是运用非实验的推算来解 释或预测各种化学现象或化学性质。 有关内容包括量子化学、计算（机） 化学、分子模拟、分子动力学、分 子力学等。
QSAR（定量构效关系）
定量构效关系(QSAR)就是有机小分 子的生物活性与其理化性质参数或 结构参数的定量关系，即以数学和 统计学手段定量研究有机小分子的 构效关系。这种方法广泛应用于药 物、农药、化学毒剂等生物活性分 子的合理设计。
压强大有利于反应，但太大的压强需要 的动力就大，对材料要求也会增高，这 就增加了生产成本。在实际生产中，压 力选用30MPa 氨的合成在较低温度下进行有利，但温 度过低，反应速率会很小。 采用铁触媒（以铁为主，混合的催化剂 ），铁触媒在500°C时活性最大。
节能减排的实现途径
基于数据挖掘的优化系统——DMOS（ Data Mining Optimized System） 直接利用生产数据建立优化目标（ 产品质量更好、生产效率更高、能量消 耗更低）与生产操作条件的关系模型， 进而设计和定制计算机软件系统，供用 户在线或离线进行生产优化操作指导， 从而达到优化生产的目的。
3 若干化学相关前沿课题
蛋白质的结构和功能问题 纳米材料化学问题 节能减排问题

3.1 蛋白质的结构和功能问题
蛋白质的结构： 一级结构：构成蛋白质的单元氨基酸通 过肽键连接形成的线性序列，为多肽链。 二级结构：一级结构中部分肽链的弯曲 或折叠产生二级结构。多肽链的某些部分氨 基酸残基周期性的空间排列。现已报道的蛋 白质中二级结构共有四种: α-螺旋，β-折 叠，β-转角，无规卷曲。 三维结构：特有的空间结构，蛋白质的 构象。
超分子化学
1987年诺贝尔化学奖授予了超分子 化学研究方面的三位科学家 （Pedersen、Cram、Lehn） 超分子化学是研究两种以上的化学 物种通过分子间力相互作用缔结而 成的具有特定结构和功能的超分子 体系的科学。
纳米化学
纳米化学（nanochemistry）主要 研究原子以上、100nm以下的纳米 世界中的各种化学问题的科学，是 研究纳米体系的化学制备、化学性 质及应用的科学。主要涉及胶体与 界面化学、材料化学、催化化学、 环境科学等领域。
3.1 蛋白质的结构和功能问题
蛋白质的功能 ： （1）结构蛋白质：角蛋白，胶原蛋白， 弹性蛋白 （2）有生物活性的蛋白质：酶，激素， 免疫球蛋白 （3）食品蛋白质：凡可供食用，易消 化，无毒和可供人类利用的蛋白质
实例：蛋白质结构类型的预测
蛋白质四种结构类型：
all-
all-
/
+
数据集和变量描述
2NH4AlO(OH)HCO3
Al2O3+2NH3+2CO2+3H2O
3.3 节能减排问题
在“硬件”（生产设备）一定的 条件下，能否通过改变“软件”（ 生产控制或操作条件）达到优化生 产（节能减排）的目的？ 以合成氨生产为例说明这个问题。
合成氨的化学反应
氨合成指合成氨原料气（氮氢混合 气）在高温、高压和催化剂存在下 直接合成为氨的工艺过程。反应是 放热、缩小体积的可逆反应，温度 、压力对此反应的化学平衡有影响 。
DMOS优化控制系统软件结构
生产数据
简易 方法库
公用程序
数据采集
建模与模型 维护
诊断与预测
操作指导
数据库
模型库
实例：合成氨产量优化建模
总样本区优类样本约占49.45%，优类样本 区中优类样本约占95.38%。
项目实施后的经济效益



合成氨增产效益：月平均增产 1717.13吨，月增产合成氨取得的利 税值为68万元。 降低消耗效益：每吨氨所耗新鲜气下 降了41立方米，电耗下降76.1Kwh， 直接效益125.41万元。 岗位操作人员由8人减至5人，节约人 工成本取得的效益为0.60万元/月 。 综合经济效益为194.01万元/月 。
展望
随着现代科学技术的发展，化 学的研究与应用领域也不断扩大， 它不仅与化学化工直接衔接，而且 实现与生命、医学、药物、能源、 材料、环境、农学、信息等学科领 域的交叉和渗透，化学前沿领域的 不断发展和热点问题逐步解决必将 进一步发挥化学基础学科对相关学 科的支撑和促进作用。
Thank you
20

训练集498个，作5份交叉验证 （5-CV） 测试集277个，检验模型的泛化能力 组成蛋白质多肽链的20 种基本氨基酸的含量 每个样本计算其氨基酸组分含量, 得到20 维的 特征向量, 并对其进行归一化处理, 用此特征向 量表征相应的样本
结果和讨论
Rate of correct prediction for each class Overall Rate of Correct Prediction
绿色化学（Green Chemistry）
利用化学原理从源头上减少和消除工 业生产对环境的污染；反应物的原子 全部转化为期望的最终产物。绿色化 学又称“环境无害化学”、“环境友 好化学”、“清洁化学”，有关化学 生产过程和终端均为零排放或零污染。 这是未来化学发展的主要方向。
反应动态学
反应动态学是研究在分子阶层、非常 短时间内的过程。反应动态学的研究 目的是在研究为什么化学反应会发生、 如何去预测乃至控制一个基元反应的 发生。实验研究通常需要与光谱学及 量子化学理论计算配合才能有全盘的 了解。
79.1% 74.7% 79.4% 90.97% 89.2% 89.2% 93.2% 94.18%
3.2 纳米材料化学问题
纳米氧化铝产业化的绿色化学问题：
4 NH HCO NH Al( SO ) 12H O 4 3 4 4 2 2 NH AlO(OH ) HCO 2( NH ) SO 3CO 13H O 4 3 4 2 4 2 2
84.3% 68.6% 74.3% 87.14% 93.5% 86.0% 88.8% 96.26%
82.0% 85.2% 82.0% 95.08% 88.9% 96.0% 95.2% 92.06%
81.5% 86.4% 87.7% 98.77% 90.4% 88.2% 96.3% 98.53%
67.7% 56.9% 72.3% 81.54% 84.5% 86.0% 91.5% 89.92%
Dataset
Algorithm all- all- / +
Component coupled Neural networks Test set N=277 AdaBoost Component coupled Neural networks 5-CV N=498 SVMs AdaBoost algorithm
化学的若干前沿领域 和热点问题
陆文聪 上海大学化学系
1 若干化学前沿领域




以可持续发展为目标的绿色化学 化学反应动态学和理论化学 在QSAR和QSPR基础上合成功能分子 生命化学 快速、超微量、在位、活体分析和检测 手段 超分子化学和纳米化学
2 若干化学热点问题


环境问题：治理空气污染（汽车尾气处 理）、抑制全球变暖（二氧化碳的化学 ） 能源问题：燃料电池、氢能、太阳能 生活问题：塑料、药物、食品与营养
生命化学
生命化学是运用化学原理和方法研 究生命现象（亚细胞的结构和功能、 物质代谢和能量变化），阐明生命 现象的化学本质，探讨其发生和发 展规律。美国医学家科恩伯格（诺 贝尔奖得主）曾提出“把生命理解 为化学”。北京大学校长的化学歌。
北京大学校长周其凤的化学歌
《化学是你，化学是我》部分歌词： 。。。父母生下的你我是化学过程的 结果，你我的消化系统是化学过程的 场所，记忆和思维活动要借化学过 程。。。化学你原来如此神奇，难怪 你不能不火。。。