21 世纪化学的发展与化学信息

周光明 教授、博士 西南师范大学化学化工学院 院长

西南师范大学化学化工学院概况 学位点

• 分析化学博士点 分析化学硕士点 应用化学硕士点 物理化学硕士点 环境科学硕士点 化学教学论硕士点

重庆市重点学科：分析化学和应用化学 重庆市重点实验室：现代分析化学实验室和应用化学实验室 目前正组织申报：化学博士后流动站、化学一级学科、应用

化学博士点、有机化学和无机化学硕士点。

师资力量 职称：博士生导师 6 人，教授 12 人，副教授 19 人，讲师 1

4 人，助教 1 人； 师资学历：博士后 9 人，取得博士学位和正在攻读博士学位

的教师有 23 人，硕士（ 16 人）以上学历教师 39 人，占全院总教师人数 46 人中的 85% ，位居学校前列，

外聘兼职教师：先后聘请了台湾中兴大学理学院院长杨登贵、台湾文化大学教授赵鼎扬、美籍华人科学家贺耘、中科院上海有机所前任所长、院士林国强、长江学者教授卿凤瓴、清华大学博士生导师、院士赵玉芬，南京大学院士程镕时，四川大学博导冯小明，重庆市环保局副局长周伯兴、陈万志，清华紫光英力公司董事长尹应武，重庆化医集团董事长缪光奎等为我院兼职教授。

21 世纪化学教育的 5 大主题

1. 化学 - 生机勃勃的科学 .

2. 理解化学是培养科学家和提高公民科学素养的需要。

3. 重新认识实验在化学学习中的作用。4. 信息技术与化学课程教学的整合。5. 教育心理学、认知科学与化学教育研究转型。

----- 裴新宁，《全球教育展望》 2002 ， 31(2):29

21 世纪化学的定义 研究原子、分子片、结构单元、分子、高分子、原

子分子团簇、原子分子的激发态、过渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌，物理和化学性能，生理和生物活性，及其运输和调控的作用机制，以及上述各方面的规律，相互关系和应用的自然科学。

-----徐光宪《科学通报》， 2001 ， 46(24):2086

21 世纪的四大化学难题

　　如何建立精确有效而又普遍适用的化学反应的量子理论和统计理论？　　如何确立结构和性能的定量关系？　　如何揭示生命现象的化学机理？　　如何揭示纳米尺度的基本规律？

-----徐光宪《科学通报》， 2001 ， 46(24):2086

　　四大难题破解后的美好前景 　　 (1) 在解决第一和第三难题，充分了解光合作用、固氮

作用机理和催化理论的基础上，我们可以期望实现农业的工业化，在工厂中生产粮食和蛋白质，大大缩减宝贵的耕地面积，使地球能养活人口的数目成倍增加。

　　 (2) 在解决第二和第四难题的基础上，我们可以期望得到比现在性能最好的合金钢材强度大十倍，但重量轻几倍的合成材料，使城市建筑和桥梁建设的面貌完全更新。

　　 (3) 在充分了解结构与性能关系的基础上，我们能合成出高效、稳定、廉价的太阳能光电转化材料，组装成器件。太阳投射到地球上的能量，是当前全世界能耗的一万倍。如果光电转化效率为 10% ，我们只要利用 0.1% 的太阳能，就能满足当前全世界能源的需要。

　 (4)未来的化工企业将是绿色的，零排放的，原子经济的，物质在内部循环的企业。

　 (5) 在合成了廉价的可再生的储氢材料和能转换材料的基础上，街上行走的汽车将全部是零排放的电动汽车。我们穿的将是空调衣服。

　 (6) 海水淡化将成为重要工业，从而解决人类生存最严重的挑战 ----淡水资源紧缺问题。

21 世纪吃香的八种人才 　 1 、电脑系统分析专家。下世纪为某一行业的需求而设计电脑软件及硬件的职业将供不应求。电脑 程式设计师、网络管理专家将成为热门的人才。

　　 2 、生物化学类人才。随着生命科学的发展，保健品、药品将会有广阔的前景，生物化学类人才会日益短缺。

　　 3 、环境工程人才。随着全球环境意识的增强，今后对环境工程的要求呈上升趋势。生物环保、化学环保、工业环保等各项人才将成为社会最急需的人才。　 4 、中医师。中医在全世界各地越来越受重视，按摩师、中药师将有广阔的前途。

------ 《科学时报》

　　 5 、商业服务业务代表。有关商业服务的独立承包商在未来十年内将大量涌现，为公司承揽广告、 电脑程式设计、信用报告等工作。

　　 6 、各类经纪人。现代社会分工精确度要求提高，使该行业日益走俏，一些体育、文化方面的中介人将大量涌现。

　　 7 、家庭护理人员。由于来自人口老化及医疗费用偏高两方面的压力，使家庭护理成为需要量较大的行业。家庭服务员、幼儿教师的需求也将会增大。

　　 8 、心理健康咨询医生。随着社会的发展，人们对自身心理健康问题越来越重视，心理学越来越显 示其存在的价值，私人心理治疗师、家庭问题分析专家等行业人才将会大量涌现。

21 世纪吃香的八种人才

21 世纪化学的 11个突破口

1. 新的合成方法学。2. 纳米化学。3. 稀土化学。4. 能源科学中的化学问题。5. 生命和医药科学中的化学问题。6. 生态环境科学中的化学问题7. 信息科学中的化学问题。

8. 分析化学方法中的十化① 微型化、芯片化、仿生化；② 在线化；③ 实时化 (real time);

④ 原位化 (in situ);

⑤ 在体化 (in vivo);

⑥ 智能化、信息化；⑦ 高灵敏化；⑧ 高选择性化；⑨ 单原子单分子化；⑩ 合成、分离、分析联用化。

9. 化工化学复杂体系中的多层次、多尺度效应及其规律和方法学研究；

10. 理论化学和计算化学的基础及应用研究；

11. 化学信息学。

绿色化学 全球 10 大环境问题 ----绿色化学是治污必由之路1. 大气污染；2. 臭氧层破坏；3. 全球变暖；4. 海洋污染；5. 淡水资源紧张和污染；6. 土地退化和沙漠化；7. 森林锐减；8. 生物多样性减少；9. 环境公害；10. 有毒化学品和危险废物。

朱清时，《化学进展》 ,2000 ， 12(4): 410

(1 )从源头制止污染 ,而不是在末端治理污染 ; (2 ) 合成方法应具“原子经济性” ,即尽量使参加过

程的原子都进入最终产物 ; (3 ) 在合成方法中尽量不使用和不产生对人类健康

和环境有毒有害的物质 ; (4)设计具有高使用效益低环境毒性的化学产品 ; (5)尽量不用溶剂等辅助物质 , 不得已使用时它们必须是无害的 ;

(6) 生产过程应该在温和的温度和压力下进行 ,而且能耗应最低 ;

(7)尽量采用可再生的原料 ,特别是用生物质代替石油和煤等矿物原料 ;

绿色化学主要研究的问题 (又称“ 1 2项原则” )

(8)尽量减少副产品 ;

(9)使用高选择性的催化剂 ;

(10 ) 化学产品在使用完后应能降解成无害的物质并且能进入自然生态循环 ;

(11 ) 发展适时分析技术以便监控有害物质的形成 ;

(12 )选择参加化学过程的物质 ,尽量减少发生意外事故的风险。

绿色化学的体现 1　原料的绿色化

• 1 . 1　用无毒无害的原料• 1 . 2　开发可再生资源为绿色原料

2　化学反应的绿色化 3　产品绿色化 4　催化剂绿色化

• 4 . 1　仿酶催化剂• 4 . 2　固体酸催化剂• 4 . 3　水溶性有机金属配合催化剂及多相催化体系

刘　毅，《江苏环境科技》， 2001,14(4): 29

5　溶剂的绿色化• 5 . 1　以水为溶剂的反应• 5 . 2　超临界流体作为有机溶剂• 5 . 3　固态反应

一、化学在 21 世纪科学中的位置

化学是一个中心学科，他位于其他科学的中心。1．化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一 2．化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用 3．化学继续推动材料科学发展 T. W. West 化学正在被肢解。 N. Smit化学必须熔入其他科学中去求得新的发展。 李远哲

化学科学

生命科学 信息科学 材料科学 能源科学 环境科学

二、生命科学中的化学问题

人类基因组研究和基因时代

• 人类生存和发展的重要研究• 揭开人类自身的奥秘

基因是具有遗传功能的单元，基因遗传信息存在于 DNA片段的四种碱基序列中

G 鸟嘌呤 C 胞嘧啶 T 胸腺嘧啶 A 腺嘌呤

碱基序列排列组合构成遗传密码

人类基因组计划是全球性的自然科学工程，它的最初目标是通过国际合作，用 15年的时间构建人类基因组的遗传图和物理图，并期望从分子角度解开人体生命的奥秘，为现代医疗提供新的手段。它的核心内容是 DNA序列图的构建，即分析人类基因组中 30亿个碱基对的 DNA 分子的组成。目前，美国、英国、法国、德国、中国和日本等 6个国家的 16个基因组中心参与了这项计划，已经完成了人体基因序列工作框架图的测定，并于今年同时进入了人类基因组计划的第二阶段，绘制精确的“人类基因组 DNA序列图 .

后基因时代（ Post Genome ER

A ）1 ）发现单核苷酸的多态性，并绘制人类基因的清晰全图；

2 ）分离鉴定细胞内由基因表达的所有蛋白质，包括它们各自的位置、 浓度以及 这些蛋白质中每一个和其它子单元的结合，广义的也涉及到诸如糖基 化后转移改性，即解决所谓的“蛋白质组”问题；

3 ）搞清已被发现和鉴别的新蛋白质和包括药物在内的各种小分子相互键合 ,因水平上寻找药物的靶标和靶向药物

血管内皮生长因子基因治疗阻塞性血管病也称基因搭桥术，是治疗阻塞性血管病的一种新的治疗方法，它是通过某些基因在体内表达促进血管新生的活性物质，加速侧枝循环，改善供血，从而达到治疗的目的。

生命体系中的化学过程

细胞是生命科学与化学的交汇点

细胞是生命系统的最小单元。 生命体系的研究已经从生物的整体、器官、组

织到细胞这个层次。 化学对生命体系的研究则从原子、分子、大分

子、分子聚集体，也走向细胞这个层次。

生命体系中的化学过程研究的三个关键科学问题

生物分子与分子间、分子与细胞间相互作用及引起的结构动态变化

具有重要生物活性物质的结构、作用及对生命过程的影响

生命体系中化学过程研究的实验和理论方法

一、生物分子与分子间、分子与细胞间相互作用及引起的结构动态变化

小分子对细胞功能的调控； 膜的动态构象变化 ； 生物膜的自组装及聚集态高级结构； 生物分子、病毒和细胞的化学识别； 生物分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的结构。

二、具有重要生物活性物质的结构、作用及对生命过程的影响

外源物质在生物体内的相容性、吸收及降解的原理和途径；

外场对生命过程的影响和作用机理； 生物功能体系的模拟； 生物分子的化学和生物转化合成； 具有生理活性分子和重要有机分子等的生物转化合

成。

三、生命体系中化学过程研究的实验和理论方法

细胞内化学过程的非线性理论与实验； 细胞内化学过程动态跟踪实验方法； 新活性分子的发现、分离、提纯和表征； 生物活性物质的实时、在位、在线、活体检测

和分析； 复杂体系的多参数测试技术。

三、材料科学中的化学问题 纳米材料 超导材料 生物聚合物

光电信息功能材料 信息存储材料 发光材料

纳米材料 合成纳米电缆 日前已成功合成出只有头发丝 5 万分之一细的纳米级同轴电缆。 同轴纳米电缆的内芯是直径仅有 10纳米左右的碳化物，外层包有氧化硅绝缘体。显微图片显示，放大几十万倍后，纳米电缆的直径仍只有普通电缆一般粗细，而从截面看，纳米电缆的内外层是一个同心圆。已成功合成出多种同轴纳米电缆，其内芯有导体、半导体和超导体，性能各异，成为世界上能制备同轴纳米电缆的少数几个研究小组之一。

美国继续加大纳米科技投入 美国联邦政府 2001 年将投资 4.2亿美元用于纳米技术的研发，大约 70% 资助大学研究。 NSF( 国家自然科学基金 ) 2001年用于纳米技术的资助经费达 1.5亿美元，而 20

00年 NSF 用于纳米技术的经费只有 9700 万美元。

纳米科技中的基本科学问题研究：1. 纳米材料奇异物性的起因；2. 纳米结构亚稳态的基本问题；3. 纳米材料制备或加工过程中纳米尺度上的实时、原位检测；4. 纳米结构的设计、控制、合成的原理；5. 纳米器件间的相互作用的本质、工作原理；6. 纳米界面体系中能量传输及物质输运过程中的化学及物理过程。 纳米材料规模化制备技术；1. 表面修饰及对纳米结构的影响；2. 纳米结构的稳定性 ( 环境、时间 ) ；3. 终端产品的纳米功能化中的关键技术；4. 纳米材料在信息、能源、军事、生物、健康及环境等领域中的应 用。

生物聚合物

用一种有机高分子材料 (又称生物材料 ) 制成支架，在上面“种”上成骨细胞，再植入体内。材料为细胞提供养分，过一段时间，骨头渐渐长成，而这种材料也消失。

发光材料

21 世纪的化学将成为

分子工程学

如果进入微观世界，能够捕获一个或多个单原子，然后让它们重新排列组合，那么就会导致物质本身发生某些变化，而这些变化将会对未来许多领域，及人类生活产生巨大影响。 例如，我们把组成水分子的氢和氧分开，二者都是可以燃烧的。 小的分子，只有足球体积的几亿分之一，用机械方法，几乎是不可能捉住它，分子又是由原子组成的，操纵一个原子，就更难了，而光可以做到这一点。 一束极细的激光，产生光子流，其动量转移给物体，形成光压，再通过适当的光场分布，可以把那种极小的原子俘获在一定的位置，并可方便把移动它。实际上这就实现了对原子的操作。

四、信息科学中的化学问题

计算机科学 信息识别系统 信息网络 网络与信息安全

我国已研究出将光盘容量扩大 100 万倍的技术。 中国科学院物理研究所高鸿钧研究员领导的研究小组，将信息存储点的大小减小到 1

纳米左右，并可进行信息点的擦除。用这项技术开发出的一张光盘的信息储存量非常惊人，相当于 100 万张用传统技术和工艺生产的光盘的存储量。一张这样的新式光盘足以存储美国国会图书馆中的所有信息。

五、环境科学中的化学问题

六、能源科学中的化学问题

宇宙科学

化学中的常用计算机软件与资源 化学结构式 ChemDraw, ChemWindow,Chemoffice, ISIS Draw,

ChemSketch 等。前 3个为商业软件，有关它们的资料可以查阅各自的网站 http://www.camsoft.com 和 http://www.sadtlersuite.com ，最新版本分别为6.0 和 6.5 。后两个对教育界及家用为免费软件，可以在它们各自的网站 http://www.mdli.com 和 http://www.acdlabs.com 上下载，最新版本分别为2.5 和 5.0 。

三维结构 Chem3D, WebLab Viewer Pro, RasWin, Ch

emBuilder 3D, ChemSite 等，它们都能够以线图 (wire frame), 球棍 (ball and stick), CPK及丝带 (ribbon) 等模式显示化合物的三维结构。其中的 RasWin 和 WebLab Viewer 的 Lite版只能显示而无法编辑三维分子模型，为免费软件， RasWin可以在几乎所有的化学软件站点找到， WebLab Viewer 的下载地址为 http://www.msi.com。

数据处理 通用型的软件如： Origin, SigmaPlot 等可以根据需要对实验数据进行数学处理、统计分析、付立叶变换、 t-试验、线性及非线性拟合；绘制二维及三维图形如：散点图、条形图、折线图、饼图、面积图、曲面图、等高线图等。 Origin 的最新版本为 7.0 ，其演示版可以从 http://www.originlab.com下载， SigmaPlot 的最新版本为 8.0, 其评估版可以从http://www.spss.com下载。

获 取 化 学文 献 全 文 的 方 法 1. 最保险的办法是按部就班，根据文章出处，去图书馆查找原文。

2. 去 Science网上 http://intl.sciencemag.org杂志找文章。 Science 与中国达成协议，中国读者可以免费获得原文 。

3. 登录万方数据库 http://chinainfo.gov.cn/ 获取原文， 主要提供学报和国内英文期刊，需用户名和密码。

4. 利用 CNKI 知识创新网 http://www.cnki.net/ ，需用户名和密码。提供最全的国内期刊 94年以后。

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