有機(jī)化學(xué)學(xué)科前沿與展望

內(nèi)容概要

由國家自然科學(xué)基金委員會(huì)化學(xué)科學(xué)部組編的《有機(jī)化學(xué)學(xué)科前沿與展望》由我國有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的一線專家和學(xué)科帶頭人合作撰寫而成，主要介紹有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域最近五年的研究進(jìn)展和今后五至十年的一些可能的重點(diǎn)發(fā)展方向。為方便廣大讀者，《有機(jī)化學(xué)學(xué)科前沿與展望》引述了大量原始文獻(xiàn)，對(duì)包括國內(nèi)學(xué)者的重要進(jìn)展在內(nèi)的有機(jī)化學(xué)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了全方位的評(píng)述，以引起社會(huì)各方面的關(guān)注，推動(dòng)我國有機(jī)化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。全書共12章，涵蓋了有機(jī)合成化學(xué)、金屬有機(jī)化學(xué)、元素有機(jī)化學(xué)、天然有機(jī)化學(xué)、物理有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)、生物有機(jī)化學(xué)、有機(jī)分析、應(yīng)用有機(jī)化學(xué)、綠色有機(jī)化學(xué)及光電功能導(dǎo)向的有機(jī)共軛分子等11個(gè)主要的分支學(xué)科；同時(shí)，收錄了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)有機(jī)化學(xué)學(xué)科“十二五”發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告。
《有機(jī)化學(xué)學(xué)科前沿與展望》可供有機(jī)化學(xué)、化工及其交叉學(xué)科領(lǐng)域的科研人員、研究生以及管理人員閱讀和參考。

書籍目錄

《中國化學(xué)科學(xué)叢書》序
前言
第0章  有機(jī)化學(xué)學(xué)科“十二五”發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告
第1章  有機(jī)合成化學(xué)
第2章  金屬有機(jī)化學(xué)
第3章  元素有機(jī)化學(xué)
第4章  天然有機(jī)化學(xué)
第5章  物理有機(jī)化學(xué)
第6章  藥物化學(xué)進(jìn)展
第7章  生物有機(jī)化學(xué)
第8章  有機(jī)分析
第9章  應(yīng)用有機(jī)化學(xué)
第10章  綠色有機(jī)化學(xué)
第11章  光電功能導(dǎo)向的有機(jī)共軛分子

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：第0章 有機(jī)化學(xué)學(xué)科“十二五”發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告0.1 有機(jī)化學(xué)學(xué)科的總體發(fā)展態(tài)勢(shì)0.1.1 科學(xué)意義有機(jī)化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)重要分支，主要研究含碳化合物的來源、制備、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用，以及與之相關(guān)的理論和方法學(xué)問題。有機(jī)化學(xué)學(xué)科的重要價(jià)值一方面表現(xiàn)在迄今人類已知的約2000萬個(gè)化合物中，絕大多數(shù)屬于有機(jī)化合物；另一方面，有機(jī)化合物諸如脂肪、糖、蛋白質(zhì)、核酸是構(gòu)成生命現(xiàn)象的分子基礎(chǔ)，因此有機(jī)化學(xué)與生命科學(xué)緊密相關(guān)。200多年前有機(jī)化學(xué)發(fā)源于對(duì)生命體有機(jī)化學(xué)組成的探索，并因而得名。20世紀(jì)三四十年代后，有機(jī)化學(xué)進(jìn)入了迅猛的發(fā)展時(shí)期，形成了物理有機(jī)化學(xué)、有機(jī)分離和分析化學(xué)以及有機(jī)合成化學(xué)三個(gè)主要研究方向的科學(xué)體系。物理有機(jī)化學(xué)是定量地研究有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)、反應(yīng)性和反應(yīng)機(jī)理的學(xué)科，是有機(jī)化學(xué)的理論基礎(chǔ)；有機(jī)分離分析是對(duì)有機(jī)化合物的分離、分析和結(jié)構(gòu)測(cè)定，是認(rèn)識(shí)有機(jī)世界的科學(xué)；而有機(jī)合成則是由較簡單的化合物或元素經(jīng)有機(jī)反應(yīng)獲取新的有機(jī)化合物，是改造世界的實(shí)踐。從認(rèn)識(shí)世界和改造世界的角度看，有機(jī)化學(xué)的根本任務(wù)是揭示構(gòu)成物質(zhì)世界的有機(jī)分子的原子鍵合和分子間相互作用的本質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上研究有機(jī)分子相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律和方法，闡釋有機(jī)分子結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)并合成具有各種特殊性能的有機(jī)分子。在有機(jī)化學(xué)發(fā)展的初期，社會(huì)生產(chǎn)力低下，人類社會(huì)獲得有機(jī)化合物的主要來源是動(dòng)、植物體；到了19世紀(jì)末20世紀(jì)初，有機(jī)化學(xué)家利用煤焦油合成了染料，開始把世界裝點(diǎn)得五彩繽紛；此后的100年間，石油逐步成為有機(jī)化工原料的主要來源，塑料、橡膠和合成纖維有了飛速的發(fā)展，同時(shí)有機(jī)化學(xué)創(chuàng)造了一代又一代的新型染料和數(shù)以千計(jì)的新藥；近半個(gè)世紀(jì)來，合成出來的磺胺藥，抗生素青霉素、鏈霉素，甾體和非甾體抗炎藥等解除了無數(shù)患者的病痛，著名的紫杉醇抗癌藥以及今天尤其關(guān)注的流感治療藥物達(dá)菲也無不凝結(jié)著有機(jī)化學(xué)的貢獻(xiàn)。因此，有機(jī)化學(xué)的發(fā)展從一個(gè)側(cè)面反映了人類社會(huì)進(jìn)步的程度。一個(gè)國家的有機(jī)化學(xué)研究水平和工業(yè)實(shí)力在一定程度上也體現(xiàn)著這個(gè)國家的綜合國力和現(xiàn)代化進(jìn)程水平。從有機(jī)化學(xué)學(xué)科自身發(fā)展的角度看，在有機(jī)化學(xué)的成長過程中其自身理論和方法也得到了長足的進(jìn)步。建立在現(xiàn)代物理學(xué)特別是量子力學(xué)和物理化學(xué)基礎(chǔ)上的物理有機(jī)化學(xué)，在定量地研究有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)性和反應(yīng)機(jī)理等方面所取得的成果，不僅指導(dǎo)著有機(jī)合成化學(xué)，而且對(duì)生命科學(xué)的發(fā)展也有重大意義。有機(jī)合成化學(xué)在高選擇性反應(yīng)方面的研究，特別是不對(duì)稱催化反應(yīng)的發(fā)展，使得更多具有高生理活性、結(jié)構(gòu)新穎分子的立體選擇性合成成為可能。元素有機(jī)化學(xué)和金屬有機(jī)化學(xué)為有機(jī)合成化學(xué)提供了高選擇性的反應(yīng)試劑、催化劑，以及各種特殊材料及其加工方法。有機(jī)化學(xué)以它特有的分離、結(jié)構(gòu)測(cè)定、合成等手段，已經(jīng)成為人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然具有非凡能動(dòng)性和創(chuàng)造力的武器。近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，使有機(jī)化學(xué)在結(jié)構(gòu)測(cè)定、分子設(shè)計(jì)和合成設(shè)計(jì)上如虎添翼，發(fā)展得更為迅速。同時(shí)，組合化學(xué)的發(fā)展不僅為有機(jī)合成提出了一個(gè)新的方法，而且也使高通量的自動(dòng)化合成有機(jī)化合物成為現(xiàn)實(shí)，總之，有著200年發(fā)展史的有機(jī)化學(xué)現(xiàn)在依然生機(jī)勃勃，不斷迎接新的挑戰(zhàn)，為人類社會(huì)的發(fā)展提供科學(xué)基礎(chǔ)。從有機(jī)化學(xué)推動(dòng)相關(guān)學(xué)科發(fā)展的角度看，有機(jī)化學(xué)對(duì)于社會(huì)進(jìn)步以及其他學(xué)科的發(fā)展的貢獻(xiàn)也是巨大的。在對(duì)重要的天然產(chǎn)物和生命基礎(chǔ)物質(zhì)的研究中有機(jī)化學(xué)取得了豐碩的成果。維生素、抗生素、甾體和萜類化合物、生物堿、碳水化合物、肽、核酸等的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)測(cè)定和合成，為學(xué)科本身的發(fā)展增添了豐富的內(nèi)容，也為人類的醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)提供了有效的武器。自由基化學(xué)和金屬有機(jī)化學(xué)等的發(fā)展，促進(jìn)了高分子材料，特別是新的功能材料的出現(xiàn)。有機(jī)化學(xué)以其價(jià)鍵理論、構(gòu)象理論及反應(yīng)機(jī)理成為現(xiàn)代生物化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)的理論基礎(chǔ)。有機(jī)化學(xué)在蛋白質(zhì)和核酸的組成與結(jié)構(gòu)方面的研究，序列測(cè)定方法的建立，合成方法的創(chuàng)建等方面的成就為分子生物學(xué)的建立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)末，國際上興起的主要以研究小分子與生物大分子相互作用的化學(xué)生物學(xué)也正為有機(jī)化學(xué)開拓大有作為的新領(lǐng)域?；瘜W(xué)生物學(xué)和結(jié)構(gòu)多樣性有機(jī)合成使系統(tǒng)研究生物學(xué)成為可能，人工轉(zhuǎn)錄因子可以用作探針來發(fā)現(xiàn)生命過程中新的奧秘。0.1.2 社會(huì)需求從國家發(fā)展和社會(huì)需求角度看，有機(jī)化學(xué)是一系列相關(guān)工業(yè)的基礎(chǔ)，涉及能源、資源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、人口與健康、公共安全、國防安全等經(jīng)濟(jì)社會(huì)各個(gè)重要領(lǐng)域，在推動(dòng)科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，改善和提高人類的生存環(huán)境和生活質(zhì)量的過程中，已經(jīng)并將繼續(xù)顯示出它的高度創(chuàng)造性和解決重大問題的巨大能力。具體表現(xiàn)在：（1）在合理利用資源并把資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢(shì)方面，有機(jī)化學(xué)學(xué)科也發(fā)揮著不可替代的作用。資源化學(xué)通常都是與有機(jī)化學(xué)密切聯(lián)系的，其中包括煤炭、石油和天然氣資源的開采利用，天然動(dòng)植物資源和海洋資源的利用，戰(zhàn)略金屬和非金屬元素資源的高效開采利用等方面。天然產(chǎn)物有機(jī)化學(xué)這一學(xué)科分支就是與天然動(dòng)植物資源和海洋生物資源緊密聯(lián)系在一起的。利用有機(jī)化學(xué)的手段從天然動(dòng)植物資源和海洋生物資源中提取、分離、表征有效成分，并加以結(jié)構(gòu)修飾和改造，可以獲取許多藥物、香料、橡膠等重要物質(zhì)。例如，對(duì)我國豐富的青蒿素植物資源的利用為治療非洲人民的瘧疾作出了巨大貢獻(xiàn)，為我國贏得了很高的國際聲譽(yù)。另外，陸地和海洋中的戰(zhàn)略金屬和非金屬元素資源的高效開采利用也與有機(jī)化學(xué)密不可分，這是因?yàn)橐环矫?，銅、鋰、鈾等戰(zhàn)略元素資源需要通過有機(jī)化合物萃取劑進(jìn)行富集和分離；另一方面，稀土元素、氟元素、硼元素、硅元素等自然資源可以通過有機(jī)化學(xué)的手段轉(zhuǎn)化為有機(jī)稀土化合物以及相應(yīng)的有機(jī)氟、有機(jī)硼、有機(jī)硅等具有重要應(yīng)用前景的化合物。例如，有機(jī)萃取劑一直被廣泛應(yīng)用于我國的銅、鈾等礦產(chǎn)的開采過程中。目前，我國富饒的氟元素資源的開采量占全世界總量的一半以上，而這些氟礦資源大多數(shù)都是最終以轉(zhuǎn)化為有機(jī)含氟物質(zhì)的形式加以利用的。（2）人類的生存需要糧食，因此發(fā)展農(nóng)業(yè)是確保糧食安全的根本途徑。有機(jī)化學(xué)從化肥和農(nóng)藥兩個(gè)方面對(duì)農(nóng)業(yè)起著關(guān)鍵支撐作用。在化肥方面，尿素是歷史上第一個(gè)由無機(jī)物合成得到的有機(jī)物，也是最主要的氮肥之一，對(duì)于農(nóng)作物的生長至關(guān)重要。而在農(nóng)藥方面，有機(jī)化學(xué)更加顯示出其主導(dǎo)地位，因?yàn)閹缀跛械霓r(nóng)藥均來自于有機(jī)合成。近二十年來，有機(jī)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展也推動(dòng)了一系列高效、低毒、生物可降解的環(huán)境友好型綠色農(nóng)藥的出現(xiàn)與推廣。（3）有機(jī)化學(xué)學(xué)科與環(huán)境問題密切相關(guān)。有機(jī)化學(xué)工業(yè)中的生產(chǎn)過程都可能造成環(huán)境污染，而這些環(huán)境污染問題最終還得依靠有機(jī)化學(xué)學(xué)科本身來解決。通過發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的綠色有機(jī)化學(xué)與有機(jī)化工，如開發(fā)低毒試劑、原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)、無溶劑反應(yīng)、水相反應(yīng)、離子液體中的反應(yīng)、高效催化反應(yīng)等，可以從源頭上預(yù)防化工類環(huán)境污染的發(fā)生。另外，二氧化碳等溫室氣體轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物，為降低二氧化碳排放提供了重要支撐。同樣，有機(jī)化學(xué)還通過新型合成技術(shù)的開發(fā)和新物質(zhì)的創(chuàng)造，推出了新一代氟利昂替代品，從而從根本上緩解了由于臭氧層遭受破壞而引發(fā)人類皮膚癌等問題。（4）有機(jī)化學(xué)為人口與健康作出貢獻(xiàn)。從早期的苯酚類消毒劑、磺胺類抗生素藥物、麻醉劑，到近幾十年來發(fā)展的抗癌、抗艾滋病，以及抗抑郁藥物，再到最近開發(fā)的抗H1N1甲型流感藥物，各類藥物的制造都需要有機(jī)合成化學(xué)的技術(shù)。另外，利用有機(jī)合成化學(xué)還可以制造出人造骨骼、人造血管、人造血液等，為挽救生命、減輕患者痛苦起到了重要作用。通過合成避孕藥，有機(jī)化學(xué)為計(jì)劃生育政策的實(shí)施，為控制人口數(shù)量從而提高人口素質(zhì)提供了保障。近年來，有機(jī)化學(xué)學(xué)科圍繞重大傳染性疾?。ㄈ绶堑湫托苑窝?、禽流感、甲型流感、艾滋病、肝炎等）和非傳染性疾?。ㄈ绨┌Y、心血管疾病、老年癡呆癥、神經(jīng)性疾病等），不斷開發(fā)出低成本和綠色合成路線，發(fā)展了一系列藥效更好的新一代化學(xué)合成藥物，為人類健康繼續(xù)保駕護(hù)航。另外，有機(jī)化學(xué)學(xué)科與我國傳統(tǒng)的中醫(yī)藥相結(jié)合，正逐漸推進(jìn)中藥現(xiàn)代化，為繼承和發(fā)展中醫(yī)藥這一祖國悠久歷史遺產(chǎn)發(fā)揮著重要作用。（5）在具有高科技含量的技術(shù)、設(shè)備以及現(xiàn)代化管理手段的先進(jìn)制造業(yè)中，有機(jī)化學(xué)也同樣發(fā)揮著重要作用。在先進(jìn)煤炭、石化、生物、高分子材料等現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中，新一代有機(jī)合成技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)、延長產(chǎn)業(yè)鏈、提高效率、增加產(chǎn)品附加值等企業(yè)核心目標(biāo)的關(guān)鍵高新技術(shù)，也成為體現(xiàn)企業(yè)創(chuàng)新能力和競爭力的關(guān)鍵。有機(jī)化學(xué)學(xué)科還為信息產(chǎn)業(yè)提供了新型材料和新的概念。在有機(jī)功能材料方面，一大批存儲(chǔ)材料、導(dǎo)電材料、顯示材料借助于有機(jī)合成化學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，包括有機(jī)分子磁體、有機(jī)導(dǎo)體和超導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、有機(jī)光致變色材料、光子晶體、有機(jī)二階非線性光學(xué)材料、功能有機(jī)富勒烯材料、有機(jī)功能化的碳納米管、自組裝有機(jī)／無機(jī)雜化納米材料、有機(jī)仿生材料等。目前，有機(jī)發(fā)光二極管以及有機(jī)液晶材料已經(jīng)被分別廣泛應(yīng)用于各類照明、大屏幕顯示屏，以及各類手機(jī)、計(jì)算機(jī)和電視機(jī)液晶顯示器中，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在新概念方面，從有機(jī)化學(xué)學(xué)科發(fā)展出了如分子導(dǎo)線、分子開關(guān)、分子整流器、分子存儲(chǔ)器、分子馬達(dá)、分子電路等一系列與有機(jī)分子器件有關(guān)的新概念，并通過有機(jī)合成手段在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這些概念的可行性，為未來一代信息產(chǎn)業(yè)的升級(jí)打下了基礎(chǔ)。（6）在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中占有重要戰(zhàn)略地位的能源領(lǐng)域，有機(jī)化學(xué)發(fā)揮著非常重要的作用。在傳統(tǒng)化石燃料能源體系中，由于石油、天然氣以及由煤化工派生出的許多物質(zhì)都屬于有機(jī)化合物，煤化工、石油和天然氣工業(yè)過程中的許多重要過程（如石油的裂解和重整、合成氣的化學(xué)轉(zhuǎn)化等）都屬于有機(jī)化學(xué)范疇。在核能的利用過程中所需要的金屬萃取劑、含氟材料等都離不開有機(jī)化學(xué)。在鋰離子電池、液流儲(chǔ)能電池、超電容器、燃料電池等能源裝置中，許多重要材料和部件的獲得（如電介質(zhì)材料、質(zhì)子交換膜材料、電介液等）都必須借助于有機(jī)合成技術(shù)。由于各類生物質(zhì)本身就是有機(jī)物，因此最近幾年興起的生物質(zhì)能源領(lǐng)域就是通過生物科學(xué)與有機(jī)化學(xué)相互交叉和滲透而發(fā)展起來的。在太陽能轉(zhuǎn)化過程所需的各類軟物質(zhì)材料以及風(fēng)能發(fā)電機(jī)中的特種葉片材料，也都是經(jīng)由有機(jī)合成得到的。（7）有機(jī)化學(xué)學(xué)科還與公共安全相關(guān)。由于許多危害公共安全的毒品、劇毒品、爆炸物、易燃物等都屬于有機(jī)化合物，對(duì)這些危險(xiǎn)品的檢測(cè)和流通過程中的檢控都需要豐富的有機(jī)化學(xué)知識(shí)和技能。有機(jī)化學(xué)還對(duì)食品安全分析提供理論依據(jù)和分析手段。目前，用于機(jī)場、車站、碼頭、景區(qū)等重要公共場所的安全檢查裝置大多采用了有機(jī)分析檢測(cè)技術(shù)。另外，警察在特殊條件下為使犯罪嫌疑人喪失戰(zhàn)斗力所使用的催淚彈或化學(xué)噴霧劑，以及使發(fā)狂的精神病患者安靜下來的鎮(zhèn)靜劑等也是通過有機(jī)化學(xué)來獲得的。有機(jī)化學(xué)還與國防安全密切相關(guān)。很多烈性炸藥（如三硝基甲苯，簡稱TNT）、火箭推進(jìn)劑（如煤油過氧化氫等）本身就是有機(jī)化合物。許多化學(xué)武器（如第二次世界大戰(zhàn)時(shí)使用的芥子氣等）就是劇毒有機(jī)化合物。另外，航空、航天、火箭、導(dǎo)彈、潛艇等涉及的特種有機(jī)功能材料都是通過有機(jī)化學(xué)學(xué)科發(fā)展出來的。例如，在世界各國，有機(jī)含氟材料在尖端軍用材料中占有戰(zhàn)略地位，并嚴(yán)格控制向其他國家出口。因此，包括美國西點(diǎn)軍校在內(nèi)的各國軍事院校都要求每位學(xué)員掌握有機(jī)化學(xué)的基本知識(shí)，以適應(yīng)在現(xiàn)代高科技條件下的軍事斗爭的實(shí)際需要。

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《有機(jī)化學(xué)學(xué)科前沿與展望》為中國化學(xué)科學(xué)叢書之一。

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