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文博仪器细数合成化学涉及的四大领域
发布者:本站 发布时间:2015-8-30 11:59:06 阅读:1085次

目前已知结构的无机和有机化合物高达5000多万种,在过去的100年中,人类合成或分离了高达2300多万种物质,反映出合成化学在创造新物质方面的强大生命力和无限创造力,同时也极大地满足了人类生存和社会进步的物质需求。

  合成化学与人类健康

  20世纪是人类社会发生深刻变化的世纪,在过去的100多年中,特别是20世纪50年代以后,人类的平均寿命和健康水平得到了空前的提高。这一巨大进步很大程度上归功于合成药物的发展,其中最为重要的当属抗菌剂和抗生素的开发。

  上世纪初,由病原微生物引起的炎症和传染病是人类健康的巨大威胁,当时医生对于流行脑膜炎、肺炎、败血症等这些现在已经十分普通的症状束手无策,甚至人们可能仅仅因一次感染而死亡。19世纪后半叶,在珀金(W.H.Perkin)合成的苯胺类染料的基础上,德国细菌学家郭霍(H.H.R.Koch)尝试用这些染料对细菌进行染色,成功创建了细菌染色法,大大促进了微生物学的发展。同时,科学家在用染料对细菌进行染色的试验过程中,观察到某些合成染料有一定的杀菌作用,1932年,德国I.G.染料工业研究所病理学主任杜马克(G.J.P.Domagk)在试验过程中发现,一种被称为“百浪多息”(Prontosil)的红色的偶氮类染料对于感染溶血性链球菌的小白鼠以及兔、狗等都具有很好的疗效,并以此染料挽救了身患链球菌败血病的女儿,一个人工合成抗感染疾病化学治疗药物的新纪元由此开启。科学家通过对这一药物作用机理的进一步研究发现,“百浪多息”的杀菌作用实际上是由于其在体内发生降解所生成的产物4—氨基苯磺酰胺(也就是我们熟知的“磺胺”)产生的,从而诞生了磺胺类药物,并挽救了无数人的生命,杜马克也因此获得了1939年的诺贝尔生理学或医学奖。在磺胺的启发下,化学家们又合成了无数的磺胺类似物,并通过研究磺胺类药物的化学结构和抑菌作用的关系,从中寻找更为强效、更为广谱的抗菌剂,现在已经有20多种磺胺类的药物在市场上销售。

  合成化学与生命科学

  人们对生命现象尚未认清的时候,一度认为有机物只有生命体才能产生,人工无法合成,这也是“有机物”这一名词的早期含义。但自尿素这一有机物首次由无机物成功合成以来,彻底改变了人们的观念。从起初人们只注重于合成化合物的数量和结构以及创造新的合成方法,到现在更重视合成物质的功能和合成方法的效率,合成化学取得的在分子结构复杂性和多样性上的成就极大地推动了生命科学领域突飞猛进的发展。

  20世纪初,费歇尔(H.E.Fischer)提出多肽是由氨基酸通过酰胺键连接而成,1903年,他首次报道了一种合成肽的方法。肽合成技术的不断发展,使得人们在当时就能够合成人体内的许多微量活性肽(如胰岛素、催产素),促进了生命科学在人体激素调控方面的研究。而肽合成技术的突破性进展来自1963年美国人梅里菲尔德(R.B.Merrifield)提出的固相多肽合成技术(SPPS)(他因此获得了1984年诺贝尔化学奖)。梅里菲尔德的方法同样也促进了寡核苷酸等的化学合成的实现,进而推动了生物工程的蓬勃发展。

  合成化学与现代农业

  19世纪以前,农业上所需氮肥的来源主要是有机物的副产品,如粪类、种子饼及绿肥等,这显然不能满足当时农业的需求。利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个挑战性课题,从第一次实验室研制到工业化投产,经历了150多年的时间。1909年哈勃(F.Haber)在600℃、200个大气压下,用金属锇作催化剂,以6%的收率成功地在实验室中获得合成氨,开启了合成氨的新纪元。后来博施(C.Bosch)进一步改进了这一技术(以铁为催化剂),成为著名的“哈伯-博施法”合成氨过程。合成氨的原料来自空气、煤和水,是最经济的人工固氮方法。今天,合成氨已经成为最为重要的化工产品之一,世界上每年合成氨产量超过2亿吨,以合成氨为原料的尿素产量达到1.5亿吨,在国民经济和社会发展中占有重要地位。由于这项革命性的合成技术,哈勃和博施分别获得1918年和1931年度诺贝尔化学奖。合成氨技术作为20世纪最重要的发明,显然是当之无愧的。

  合成氨和合成尿素的发展为农作物的生长提供了充足的养料,而合成化学对农业的贡献远不止于此。大量事实表明,合成材料如农用薄膜、滴灌管材、合成农药等同样为现代农业做出了巨大贡献。如果不施用农药,世界粮食产量将因受病、虫、草害的影响而损失1/3。

  合成化学与材料科学

  人类历史上第一种完全人工合成的塑料是在1909年由贝克兰(L.Baekeland)用苯酚和甲醛制造的酚醛树脂,又称贝克兰塑料。1935年,以茧丝结构为基础,卡罗瑟斯(W.H.Carothers)首次成功地合成了尼龙66,这一发明,促进了有机高分子合成化学的发展。20世纪40年代乙烯类单体的自由基引发聚合迅速发展,实现了包括氯乙烯、聚苯乙烯和有机玻璃等的工业化生产,这是合成高分子蓬勃发展的时期。在第一次世界大战期间,迫于橡胶缺乏,德国人采用二甲基丁二烯聚合合成了甲基橡胶。1930年德国和前苏联以丁二烯作为单体,金属钠作为催化剂,合成了丁钠橡胶。事实上,在第二次世界大战期间,德国军队就是因为有丁苯橡胶,橡胶供应才没有出现严重短缺,苏联也用了同样的方法。美国在战后大力研究合成橡胶,首先合成了氯丁橡胶,氯原子使氯丁橡胶具有天然橡胶所不具备的一些抗腐蚀性能。进入50年代,从石油裂解而得到的烯烃主要包括乙烯与丙烯,德国人齐格勒(K.Ziegler)与意大利人纳塔(G.Natta)分别发明用金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法,两者分别于1952年和1957年实现工业化,这是高分子合成化学的历史性突破,他们因此获得1963年度诺贝尔化学奖。

  60年代,由于登月工程的需求驱动,导致了可作为太空服原材料、航天飞机高温粘合剂以及超音速飞机的复合材料等耐高温合成材料的诞生。被杜邦公司上世纪40年代发明的特氟龙PTFE(聚四氟乙烯)是另一类性能优异的合成材料,具有耐酸碱、耐高温、极低的摩擦系数、良好的耐磨性以及极好的化学稳定性,是原子能、国防、航天、电子、化工、纺织等领域不可取代的关键产品。

  近几十年来,一系列重量轻、强度高、耐热性能好的无机纤维,如硼纤维、碳纤维等,以及氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等耐高温材料的成功合成,为航空、航天技术的发展起到了重要推动作用。例如在波音787梦幻飞机上,由于大面积使用了碳纤维复合材料而大大减轻了飞机重量,据统计,机身制造使用的碳纤维重量占波音787重量的61%,占全机80%体积的构件均为碳纤维复合材料;同样,在空客A380的制造中,也大量使用了合成材料,飞机约25%由高级减重材料制造,其中22%为碳纤维复合材料,使得A380每乘客百公里油耗不到3升,相当于一辆经济型家用汽车的油耗。

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