有机化学与生活论文

有机化学发展介绍及前景一.发展介绍1806年首次由瑞典的贝采里乌斯(—1848)提出,当时是作为无机化学的对立物而命名的。19世纪初,许多化学家都相信,由于在生物体内存在着所谓的“生命力”,因此,只有在生物体内才能存在有机物,而有机物是不可能在实验室内用无机物来合成的。1824年,德国化学家维勒(�hler,1800—1882)用氰经水解制得了草酸;1828年,他在无意中用加热的方法又使氰酸铵转化成了尿素。氰和氰酸铵都是无机物,而草酸和尿素都是有机物。维勒的实验给予“生命力”学说以第一次冲击。在此以后,乙酸等有机物的相继合成,使得“生命力”学说逐渐被化学家们所否定。 有机化学的历史大致可以分为三个时期。 一是萌芽时期,由19世纪初到提出价键概念之前。 在这一时期,已经分离出了许多的有机物,也制备出了一些衍生物,并对它们作了某些定性的描述。当时的主要问题是如何表示有机物分子中各原子间的关系,以及建立有机化学的体系。法国化学家拉瓦锡(—1794)发现,有机物燃烧后生成二氧化碳和水。他的工作为有机物的定量分析奠定了基础。在1830年,德国化学家李比希( Liebig,1803—1873)发展了碳氢分析法;1883年,法国化学家杜马(—1884)建立了氮分析法。这些有机物定量分析方法的建立,使化学家们能够得出一种有机化合物的实验式。 二是经典有机化学时期,由1858年价键学说的建立到1916年价键的电子理论的引入。 1858年,德国化学家凯库勒(—1896)等提出了碳是四价的概念,并第一次用一条短线“—”表示“键”。凯库勒还提出了在一个分子中碳原子可以相互结合,且碳原子之间不仅可以单键结合,还可以双键或三键结合。此外,凯库勒还提出了苯的结构。 早在1848年法国科学家巴斯德(—1895)发现了酒石酸的旋光异构现象。1874年荷兰化学家范霍夫('t Hoff, 1852—1911)和法国化学家列别尔( Bel,1847—1930)分别独立地提出了碳价四面体学说,即碳原子占据四面体的中心,它的4个价键指向四面体的4个顶点。这一学说揭示了有机物旋光异构现象的原因,也奠定了有机立体化学的基础,推动了有机化学的发展。 在这个时期,有机物结构的测定,以及在反应和分类方面都取得了很大的进展。但价键还只是化学家在实践中得出的一种概念,有关价键的本质问题还没有得到解决。 三是现代有机化学时期。 1916年路易斯(—1946)等人在物理学家发现电子、并阐明了原子结构的基础上,提出了价键的电子理论。他们认为,各原子外层电子的相互作用是使原子结合在一起的原因。相互作用的外层电子如果从一个原子转移到另一个原子中,则形成离子键;两个原子如共用外层电子,则形成共价键。通过电子的转移或共用,使相互作用原子的外层电子都获得稀有气体的电子构型。这样,价键图像中用于表示价键的“—”,实际上就是两个原子共用的一对电子。价键的电子理论的运用,赋予经典的价键图像表示法以明确的物理意义。 1927年以后,海特勒(—)等人用量子力学的方法处理分子结构的问题,建立了价键理论,为化学键提出了一个数学模型。后来,米利肯(—1986)用分子轨道理论处理分子结构,其结果与价键的电子理论所得的结果大体上是一致的,由于计算比较简便,解决了许多此前不能解决的问题。对于复杂的有机物分子,要得到波函数的精确解是很困难的,休克尔(ückel,1896—)创立了一种近似解法,为有机化学家们广泛采用。在20世纪60年代,在大量有机合成反应经验的基础上,伍德沃德(—1979)和霍夫曼(—)认识到化学反应与分子轨道的关系,他们研究了电环化反应、σ键迁移重排和环加成反应等一系列反应,提出了分子轨道对称守恒原理。日本科学家福井谦一(1918—1998)也提出了前线轨道理论。 在这个时期的主要成就还有取代基效应、线性自由能关系、构象分析,等等。二.21世纪有机化学的发展在21世纪，有机化学面临新的发展机遇。一方面，随着有机化学本身的发展及新的分析技术、物理方法以及生物学方法的不断涌现，人类在了解有机化合物的性能、反应以及合成方面将有更新的认识和研究手段；另一方面，材料科学和生命科学的发展，以及人类对于环境和能源的新的要求，都给有机化学提出新的课题和挑战。有机化学将在物理有机学、有机合成学、天然产物学、金属有机学、化学生物学、有机分析和计算学、农药化学、药物化学、有机材料化学等各个方面得到发展。 物理有机化学 物理有机化学是用物理化学的方法研究有机化学的科学。主要的研究发展方向有： 1.运用现代光谱、波谱和显微技术表征分子结构，探索其与性能（物理、化学、生理、材料……）的关系；新分子和新材料的设计和理论研究。 2. 反应机理（协同、离子、自由基、卡宾、激发态、电子转移……） 和活泼中间体。 3. 主—客体化学；分子间弱相互作用和超分子化学；分子组装和识别；功能大分子和小分子相互作用及信息传递。 4. 新的计算化学方法、分子力学和动力学、分子设计软件包的开发；与实验的互补与指导。有机合成化学研究从较简单的前体小分子到目标分子的过程和结果的科学。有机合成化学是有机化学的主要内容。70年代以来，有机合成步入了一个新的高涨发展时期。 有机合成的基础是各种各样的基元合成反应，发现新的反应或用新的试剂或技术改善提高已有的反应的效率和选择性是发展有机合成的主要途径。 合成反应方法学上的一个重大进展是大量的合成新试剂的出现，特别是元素有机和金属有机试剂。利用光、电、声等物理因素的有机合成反应也要给以适当的重视。 高选择性试剂和反应是有机合成化学中最主要的研究课题之一，其中包括化学和区域选择控制，立体选择性控制和不对称合成等。后者是近年来发展得较快的领域，包括了反应底物中手性诱导的不对称反应，化学计量手性试剂的不对称反应，手性催化剂不对称反应，利用生物的不对称合成反应和新的拆分方法等。反映过渡态反应部位的构象是反应选择性的关键因素 复杂有机分子的全合成一直是最受关注的领域，体现合成化学的水平，与生物科学相结合，重视分子的功能则是合成化学家的新热点。有机合成化学的发展方向有： Z n& V& a+ 1.合成方法学 新概念、试剂、方法、反应的运用，实用的在温和条件下经过较简单的步骤高选择性高产率地转化为目标分子。 2. 具独特性能（生理、材料、理论兴趣）的分子的（全）合成。 3. 资源可持续利用的无害原料、原子经济和环境友好的反应介质、过程和工艺路线、绿色安全的产品。 4. 学科新生长点、交叉点的扩展和手性、仿生等新技术的运用。化学生物学在分子水平上研究生物机体的代谢产物及其变化规律性；利用有机化学的方法研究调控生命体系过程的科学。化学生物学是顺应20世纪后半叶生物学日新月异的发展，在化学学科的原有的几个分支——生物有机学、生物无机化学，生物分析化学、生物结构化学以及天然产物化学的基础上提出的新兴学科。化学生物学研究目前大致包括以下几个部分：1.从天然化合物和化学合成的分子中发现对生物体的生理过程具有调控作用的物质，并以这些生物活性小分子作为探针和工具，研究它们与生物靶分子的相互识别和信息传递的机理。2.发现自然界中生物合成的基本规律，从而为合成更多样性的分子提供新的理论和技术。3.作用于新的生物靶点的新一代的治疗药物的前期基础研究。4.发展提供结构多样性分子的组合化学。5.对于复杂生物体系进行静态和动态分析的新技术等。金属有机化学研究金属有机化合物[各种不同类型的C—M（杂原子）]的结构、合成、反应及其应用的科学。主要的研究发展方向有：1. 金属有机化学基元反应及其机理；各种不同类型的C—H（C、杂原子）的选择性形成、切断。2. 导向合成化学和聚合反应的金属有机化学；金属有机化合物的新型高效催化作用及其应用。药物化学和农药化学药物化学是有机化学的一个重要分支，与生命科学密切相关。它是研究与人类疾病和健康、植物保护等生命现象有关的创新药物研制的科学。药物化学的发展领域：1. 高通量生物活性筛选；药物作用靶点和基于构效关系指导下的分子设计和组合化学学库设计。2. 生化信息学的应用和创新、仿生及先导药物的发现、开发。3. 非传统机制的药物合成、分析和功能测试。有机新材料化学有机材料化学是研究以有机化合物为基础的新型分子材料的开发的科学。现代科学技术突飞猛进的发展，尤其是信息技术的发展，对材料科学提出了更高的要求，迫切需要研究新材料。相对于其他功能材料，以有机化学为基础的分子材料具有以下的特点：1.化学结构种类繁多，给人们提供了很多发现新材料的机遇；2.运用现代合成化学的理论和方法，能够有目的的改变分子的结构，进行功能组合和集成；3.运用组装和质组装的原理，能够在分子层次上组装功能分子，调控材料的性能。有机材料化学的发展方向有以下：1. 有机固体、半导体、超导体、光导体、非线性光学、铁磁体、聚合物材料。2. 具有特殊和潜在光、电、磁功能分子的合成和器件有序组装。3. 功能分子的结构、排列、组合和物化性能、机制的关系，新分子材料的设计和应用。有机分离分析化学研究有机物的分离、定性定量分析和结构解析的科学。研究方向：1. 基于近代光谱、波谱、色谱技术的进步对微（痕）量有机物的高效分析鉴定。2. 复杂的生物活性大分子和混合物中的有效组份及环境样品的分离分析方法的建立。绿色化学面对环境保护的重大压力，绿色化学提出来一些新的观念，起基本点是，通过研究和改进化学化工反应以及相关的工艺，从根本上减少以至消除副产物的生成，从源头上解决环境污染的问题。以此为目的的研究所带来的新的高效化工工艺也会大大提高经济效益。可以看出，绿色化学是对世纪化学化工研究的重要发展方向，是实现可持续发展的重要保障。本领域的发展和研究：1.发展高效、高选择性的“原子经济性”反应其中，催化的不对称合成反应仍是获得单一性分子的方法之一，应加强有关的新反应、新技术、新配体及催化剂的研究，加强开发和改进与绿色有关的生物催化的有机反应的研究。2.开发符合绿色化学要求的新反应以及相关的工艺降低或者避免使用对环境有害的原料，减少副产物的排放，直至实现零排放。3. 环境友好的反应介质的开发和利用其中可包括水、超临界流体、近临界流体、离子液体等，以替代传统反应介质的研究。4.可重复使用材料、可降解材料和生物质的利用以及生活中废弃物的再利用。在我们的生活中，有机化学的身影无处不在。能否好好的利用和发展有机化学也将在一定程度上影响着我们生活水平的高低。相信随着科学理论的发展，更多的基础学科相互交融，将在更多的领域发挥更大的作用。

生活中的有机合成过去人们常说：“羊毛出在羊身上”，这似乎是个不容怀疑的真理。但今天仔细观察我们的生活，你会发现事实并非总是如此。石油化学工业的飞速发展已改变了人们只向自然索取的习惯。以前，人们穿的衣料，都是来自棉、毛、丝、麻这些天然纤维。而在今天，化学纤维的比例，已经远远超过了天然纤维。化学纤维有两种类型。人类较早利用的是人造纤维，它是用木材或野生植物等这些含有纤维素的物质为原料，经过化学处理和机械加工而制成的纤维，它的名牌产品有粘脑纤维和醋酸纤维（人造丝）等。近现代开始利用的是合成纤维。它所用的原料，是煤、石油、天然气这些本身并不含纤维素的物质，经过一系列的化学过程而合成的。它的三个名牌，就是大家所熟悉的锦纶（尼龙）、涤纶（的确凉）、腈纶。在合成纤维的总产量中，三大名牌占了１０％以上。被人称作人造羊毛的腈纶，就是用石渍的裂解产物丙烯（结构简式：CH2——CH——CH3）为原料，进行生产的。首先让丙烯在一定温度（４００～５００℃）、一定压力（２～３大气压）和有催化剂存在的条件下，跟氨气、氧气等发生反应，生成丙烯腈（CH2CHCN）：2CH2====CH－CH3＋2NH3＋3O2→2CH2（丙烯） （丙烯腈）===CH－CN＋6H2O丙烯腈在一定条件下能聚合，而得到白色粉末状物质聚丙烯腈。再把这种白色粉末用适当溶剂溶解，得到纺线溶液后，即可进行纺丝。腈纶纤维以质轻、柔软、保暖性好等著名，它的外观很象羊毛，其强度比真羊毛还要高两倍，并具有高膨松性，可加工制成各种五颜六色的膨体纱。因此，腈纶问世不久，便夺得了纺织界的名牌，成为人们普遍欢迎的织物原料。这不仅为合成纤维这个新名争得了荣誉，也为它的出身——石油增添了不少光彩。在我们的生活中，塑料也是一种运用十分广泛的化学有机合成物。它也是以石油为来源并形成了当今世界的一门新兴的产业并获得了飞速的发展。１９７０年，世界塑料总产量为２９６５万吨，１９７８年就上升到了５６２０万吨，到今天已经超过了２亿吨，产量迅速增加。它的品种也呈加速度增长，本世纪初，还只有酚醛塑料（电木）一个品种，今天已经发展到一千多种。塑料品种虽然很多，但也可分为两大类：通用塑料和工程塑料。通用塑料是指一般应用较广，没有多少特殊要求的一般塑料；工程塑料是指能代替金属用于制造轴承、齿轮、阀门等机器零件及外壳的塑料，技术含量较高。大家熟悉的聚乙烯塑料，就是在世界产量居首位的一个通用塑料的品种。它是以聚乙烯为原料，在一定温度和压力下聚合而成。常用它制造塑料薄膜、各种容器、电缆皮及泡沫塑料等。近三十多年来，塑料薄膜在农业上被越来越普遍的推广，我国是个农业大国，每年的需求量都在百万吨以上。人们用它来制造塑料薄膜温室，利用温室效应原理，既可透光又可保温，使农作物既可进行充分的光合作用，又不致由于温度过低而停止或放慢生长发育的速度，甚至在冬天还会发生冻伤、冻死的现象。在薄膜温室中，可以生产一年四季的蔬菜品种，并且还能缩短蔬菜等农作物的生长成熟期，提高作物的产量。一般能用塑料耐高温，耐低温的性能较差，热了变软，冷了变脆，一般只能在６０℃范围内才能保持正常。显然，这种通用塑料难以用作工程材料。１９５０年，一种聚四氟乙烯的塑料品种诞生后，改变了它的尴尬局面。它具有不怕严寒酷暑的本领，可在２００～２５０℃之间保持性能不变，并具有不怕强酸强碱以至王水（由一体积浓硝酸与三体积浓盐酸混合而成）的抗腐蚀性。这就是被称为“塑料王”的最早的工程塑料。今天的工程塑料，已经产生了许多性能更为先进优良的品种。聚四氟乙烯虽有“塑料王”之称，但它不易加工，在高温下使用会产生对人体有害的有毒气体。今天我们广泛使用的是ABS工程塑料，克服了上述这些缺点。它是用丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种原料，共同聚合而成，因而它集中了丙烯腈的耐热、抗腐蚀性，丁二烯的高弹性，苯乙烯的易加工的特点，受到工程师们的空前热烈的欢迎，成为新的“塑料王”。在空间技术方面，随着现代宇航事业的发展，一些高强度的工程塑料也占有了一席之地。一种能在1500高温下，处理聚丙腈而得到的碳纤维材料，在一定时间里，可以经受4000℃的高温，可用来做火箭头部结构的材料，塑料的轻是有名的，这也满足了空间技术材料的要求而受到空间材料专家的青睐。塑料不仅在航天方面，工程方面有着广泛的用途，就在人类的医疗器材的发展上也有着许多独特的贡献。它们在人造医疗用塑料制品上，发挥了金属发挥不了的作用。它们被用于制造人造血管、人造食道、人造骨骼以及人造解膜等塑料制品，已经在人体中得到了成功的运用。人们还把一个塑料心脏，换在牛的体内，这头小牛居然活了两星期。我们可以预料，在人体内使用塑料心脏以挽救心脏功能衰竭病人生命的日子，已经为期不远了。材料科学是个广阔的天地，人类的有机合成材料从本世纪五十年代发展起来已经为人类作出了巨大的贡献，这不仅改善了人类的社会物质生产装备，也促进了人们的物质生活面貌。然而现阶段人类主要是以石油、煤、天燃气为原料来发展有机化工工业，这些资源在自然界都是有限的，属不可再生的能源，因此人类迫切需要将化工研究的目光转向有着丰富资源的自然界，从有机物中发展有机化工并且还要研究从无机物中进行合成材料。人类只有从无限的自然资源中寻求，从阳光、空气、水中探索新材料的发展才会使化学工业得到最终快速的发展