化学_发现与创造的科学_国际化学百年发展启示

化学:发现与创造的科学———国际化学百年发展启示*白春礼（中国科学院北京100864）*收稿日期：2011年1月5日摘要本文从化学百年来发现与创造的若干事例介绍了化学科学的发展，从对学科本身的发展，对其它学科的促进，特别是对近百年来人类社会物质文明进步的贡献出发，提出了化学发展给我们带来的重要启示；介绍了近年来中国化学的快速发展；提出了新时期面对能源、资源、材料、环境等重要挑战问题，化学应该如何创新和发展。

关键词化学，国际化学年，发现与创造，化学创新，绿色化学，可持续DOI：10.3969/j.issn.1000-3045.2011.01.001国际化学年International Year of Chemistry化学是研究物质的结构、性能和转化过程的科学，更是创造新物质、探索新应用的学科，它与数学、物理和生物等学科构成了自然科学的基础。

百年化学的发展表明，它在创造奇妙的新物质方面起到了核心作用，是开启物质世界中“取之不尽”的资源宝库的钥匙；同时，化学科学的发展与人类社会的发展同行，对于科学与社会的不断进步和人类物质生活质量的不断改善与提高，都发挥了无可替代的作用。

2008年12月30日，联合国第63届大会通过议案，将2011年作为联合国“国际化学年”，其主题是“我们的生活，我们的未来”，以纪念和表彰化学对于知识进步和经济发展做出的重要贡献（图1）。

国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)表示，“国际化学年”将在全球范围内对化学科学的发展起到促进作用[1]。

我国近代化学发展虽晚于西方，但在百年的发展中也产生了一些有影响的工作，特别是经过近30年的发展，已进入世界化学大国的行列。

在强调科学发展、可持续发展的今天，化学家应关注更广、更深层次的化学问题，应更加注重低能耗、低排放直至零排放、资源的可再生和循环与综合利用、开发新型能源和绿色产品等一系列目标的实现。

我相信，化学作为一门“中心科学”，它的贡献应该而且必将会得到更加极致的体现。

1百年化学带来的启示回顾化学的发展历史，19世纪化学各种学说的提出推动了化学的继往开来，如中国科学院常务副院长白春礼院士国际化学年I n t e r n a t i o n a l Y e a r o f C h e m i s t r y1811年“分子”概念的引入成为整个化学的基础和发展源泉；1869年门捷列夫在批判和继承前人工作的基础上，发现元素周期率，把化学元素及其化合物纳入一个统一的理论体系，对于化学和其他自然科学的发展起了重大指导作用。

因此，化学的理论与实验相互促进，推动了化学的发展。

近百年的化学也是如此，一方面化学的理论不断完善与发展，另一方面，在这些理论的指导下，化学家对组成分子的化学键本质、催化机理、分子间相互作用等的认识逐步系统和深入，以此为基础使得化学在发现与创造新物质的征程上更加如鱼得水，并逐步渗透到国民经济发展、人类生活改善以及国家安全保护的各个方面。

纵观百年来化学的发展，带给我们以下启示：1.1化学理论的建立与完善，推动了化学学科的发展20世纪，化学完整理论体系的建立促进了化学的日臻完善，特别是量子力学的发展给化学带来了新的生机。

早在1927年Heitler 和London 就运用量子力学研究了氢分子的电子结构，该工作宣告了量子化学这门新学科的诞生。

他们采用的价键理论强调通过量子力学来理解化学概念和规律，并成功地解释了Lweis 于1916年提出化学键的电子配对理论。

另外一种流行的量子化学方法是分子轨道理论，它认为电子在整个空间是离域的，可以方便地应用到各种复杂的体系。

密度泛函理论的提出促使量子化学方法获得了广泛应用，其具有里程碑意义。

密度泛函理论通过引入交换关联近似，能够以较小的计算量获得比较准确的计算结果。

随着理论框架与计算方法的不断发展，理论与计算化学现已渗透到化学的各个分支以及物理、生物、材料等学科。

从小分子反应到生物酶催化，从复杂体系结构表征到功能材料理论设计，理论与计算化学都发挥着不可或缺的作用。

迄今已有8位化学家因为在该领域的杰出贡献而获得了诺贝尔化学奖：鲍林的价键学说和杂化轨道理论（1954）；莫利肯的分子轨道理论（1966）；福井谦一的前线轨道理论、伍德沃德和霍夫曼的分子轨道对称守恒原理（1981）；科恩的电子密度泛函理论、波普尔的量子化学计算方法（1998）。

1.2化学是带来重大发明创造的中心科学、赋予人们能力的科学，是打开物质世界的钥匙作为自然科学的一个分支，化学有别于其他自然科学的是可以制造奇妙的物质。

化学发展的基础是合成化学，在过去的一个世纪，新分子和化合物的数目从几十万种增加到几千万种以上，成为“取之不尽”的资源宝库。

以手性化合物为例，手性是自然界的基本属性，手性化合物对映体的分子量、分子结构相同，但如果空间排列形式不同，其性质可截然不同（图2）。

上世纪50年代末60年代初，“反应停（沙利度胺）”悲剧促进了人们对手性药物的深入研究与高效开发。

2001年诺贝尔化学奖就授予了分子手性催化领域的三位杰出科学家威廉·诺尔斯（William S.Knowles ）、野依良治（RyojiNoyori ）和巴里·夏普莱斯（K.Barry图12011年国际化学年图徽化学：发现与创造的科学———国际化学百年发展启示Sharpless），他们的重要贡献就在于开发出可以催化重要反应的分子，从而能保证只获得手性分子的一种镜像形态。

这种催化剂分子本身也是一种手性分子，只需一个这样的催化剂分子，往往就可以产生数百万个具有所需镜像形态的分子。

瑞典皇家科学院评价说，三位获奖者为合成具有新特性的分子和物质开创了一个全新的研究领域。

现在，像抗生素、消炎药和心脏病药物等许多药物，都是根据他们的研究成果制造出来的。

目前世界上使用的药物总数约为1900种，其中手性药物占50%以上，在临床常用的200种药物中，手性药物多达110余种。

同时，正在开发的药物中2/3以上是手性的。

现在世界上手性药物销售以每年大于15%的速度增长，我国的手性药物市场更超过千亿元。

因此，国际上手性和手性药物研究正方兴未艾，过去30年中手性科学取得的巨大进展更将推动这一研究领域的蓬勃发展。

1.3化学支撑了人类社会的可持续发展化学在百年的发展中，对推动人类社会的可持续发展起到了核心作用。

20世纪初，德国物理化学家弗里茨·哈伯发明的“哈伯法”合成氨方法功不可没，其结束了人类完全依靠天然氮肥的历史，将人类从饥饿中拯救出来。

20世纪80年代初，穿“的确良”是当时一大时尚。

现在，从棉花和竹子等生物质资源中提取的纤维素纤维，因其具有良好的皮肤接触性、穿着舒适性、生理安全性、吸湿性和易整理性而得到广泛应用。

20世纪50年代，合成染料的逐步应用使我们的生活更加多姿多彩。

随着有机合成理论和技术的发展，人们对药物分子改造的设想也得以实现，使得合成药物成为人们应用的主要药品。

现在，化学已为新能源、新材料的研究，乃至信息、医药、资源和环境等方面的发展提供了物质基础和技术保障。

以能源领域为例，1901年美国德克萨斯的斯平德勒托普（Spindletop）油田的发现，使得石油在20世纪50年代开始逐步超过煤成为主要燃料来源。

由原油中分离出不同化学馏分的炼油技术在不断地改进，最初采用的是简单的常压蒸馏，后来采用减压蒸馏，再后来发展为高温裂解，直至现在采用的催化裂解。

现在在汽车行业，人们采用在汽油中添加少量的化学物质(醇类、醚类)来提高辛烷值、改善汽油的性能和降低发动机的磨损以延长其寿命，可以说化学的作用得到了最有力的证明；包括核电在内的和平利用核技术，始于1951年美国的和平原子能计划。

自此，化学在包括生产用于反应堆的核燃料和用于调节放射性衰变产生的中子流的控制棒、用过的燃料棒的再加工、核废料处理、环境保护和减少核辐射的伤害在内的整个核技术中发挥了不可替代的作用[2]；短短200年，电池成为人类生活不可或缺的宝物，从铅酸蓄电池到锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池，再到锂离子电池，化学的身影无处不在（图3）。

1889年化学家提出了燃料电池的概念，1965年和1966年将改进的培根图2第一个通过手性催化方法合成的手性药物：L-多巴D-多巴没有治疗效果L-多巴（治疗帕金森病）国际化学年I n t e r n a t i o n a l Y e a r o f C h e m i s t r y氢氧燃料电池应用于双子星座和阿波罗飞船，使人们对燃料电池的兴趣达到顶点，20世纪90年代，实现燃料技术上的真正突破，使得燃料电池进入了应用阶段。

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约经济社会发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。

1839年科学家发现了光伏效应，1954年生产出第一个硅基太阳能电池，1977年第一个非晶硅太阳能电池问世，20世纪90年代世界太阳能电池年产量稳步增长,2007年，特拉华大学“超高效太阳能电池”转换效率达到42.8%，这一系列里程碑式的进展为人类未来大规模利用太阳能提供了极大的信心，使得太阳能电池这一近乎无限的能源体系有望成为未来重要的能量来源。

在材料领域，化学像一面魔术镜，将一百多种元素巧妙地结合，组成了美丽神奇的材料世界，成为支持经济社会可持续发展的基石。

例如公路在任何天气情况下的长期使用中，要保持外表结构不产生明显的破坏，其关键是混凝土密封剂和沥青的质量，而作为粘合添加剂使用的高分子聚合物可大大增强沥青路面的性能，如加入苯乙烯—丁二烯—苯乙烯共聚物（SBS ）能避免路面形成车辙和开裂；20世纪70年代能源危机后，为了提高燃油效率，人们开始寻找能替代金属且重量轻的材料。

化学的成就使汽车的某些部件从金属向塑料或新型高性能材料演变，从而使减轻汽车重量成为现实。

在汽车设计中现已得到广泛应用的有：注塑成型车体、热塑性塑料保险杠、易着色和在紫外线下稳定的聚丙烯纤维，以及特殊的油漆、涂料和粘合剂等；天然橡胶产品出现于19世纪初期，但由于它在炎热天气下会变软，而在寒冷天气下又会变脆，其实用性有缺欠。

1839年发明的天然橡胶硫化技术解决了这一问题，通过加入化学促进剂和稳定剂而得到改善的这一基本方法现仍在使用；从20世纪20年代早期试验火箭的首次发射，到50年代的通信卫星，再到80年代的可重复使用的航天飞机，人类在探索太空方面取得了骄人的业绩。

成功的太空遨游有赖于具有足以克服地球引力的大推力高速火箭,其升空的基本原理是将推进剂的化学能转变成推进力。

飞机的设计是从木头和纤维到复杂的工程材料的演变过程，在这一过程中，化学技术提供了符合设计要求的材料。

研制出来的铝、钛合金为飞机制造提供了强度高、重量轻、耐高温和耐腐蚀的材料[2]。