书城教材教辅中学理科课程资源-追溯化学发展
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第19章 有机化学(2)

英国化学家英戈尔德,历任利兹大学有机化学教授(1924-1930年)、伦敦大学化学学院教授(1930-1961年)。由于发表了400篇论文,以及作为经典教科书《有机化学结构和机理》的作者,英戈尔德成为英国化学界的领导人物之一。他的整个工作的目的就是了解有机反应的机制,特别是消去反应和取代反应的动力学。1926年他引入了稳变异构现象的思想,这在他的著名论文《有机反应电子理论原理》中作了充分解释。这类似于鲍林在20世纪30年代提出的共振论概念。它的基本思想是:如果一个分子存在两种电子结构,那么它的标准状态既不是这一个也不是那一个,而是某种“混合式”。这个理论由于测量适当分子的键长而得到证实。

有机化学学科新进展

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化学、有机合成化学、天然产物化学、关然产物合成、金属有机化学、不对称催化、绿色化学、有机材料化学、药物化学与药物设计、农药化学和化学生物学等各个领域得到发展。

1.有机合成化学

有机合成新反应、新方法的研究一直是合成化学中最为活跃的研究领域,也是相关学科持续发展的基础。在21世纪,由于生命科学和材料科学迅速发展,以及人们对人类赖以生存的资源、环境。能源等可持续发展问题的日益关注,有机合成化学面临崭新的发展机遇。这种来自交叉学科和社会需求所形成的巨大推动力也是对有机合成提出的巨大挑战,要求有机合成能“多、快、好、省”地进行:“多”即多样性导向有机合成;“快”即要求有机合成高效快捷;“好”即合成过程和产品的环境友好和通过反应控制达到高选择性(特别是不对称合成);“省”即合成过程的材料(试剂,原子)、资源、能源、时间、人力节省、废弃物的减少等可持续发展要求。因此,“多、快、好、省”四个字可大体概括近期有机合成的主要发展动向。因此,探索新一代物质转化途径,实现环境友好的高效、高选择性合成化学新反应、新方法具有重要的科学意义和现实意义。

2.天然有机化学

天然有机化学是研究动植物(包括海洋、陆地和微生物的次级代谢产物)及生物体内源性生理活性物质的有机化学。目的是希望发掘有生理活性的天然化合物,作为发展新药先导化合物,或者直接用于临床或为农业生产服务。天然有机化学的发展与国民经济有密切的联带关系,对于开发新型药物、新型农药至关重要。

我国自然资源非常丰富,又有几千年传统防治疾病的经验积累,在我国大力发展天然有机化学的研究有着非常现实的意义。

天然有机化学的研究为有机化合物新的分离分析方法,新的专一性和立体选择性合成方法和立体化学等方面作出了重要的贡献。近年来已全合成了不少复杂结构的天然产物,这些全合成方法大大丰富了精细有机合成化学。对内源性生理活性物质的发现及其生理活性研究,又开辟了天然有机化学研究的新领域。

天然有机化学是植物化学、基础医学、药物化学、农业化学的基础。充分利用开发我国动植物资源包括海洋生物资源,努力开拓新的生理活性物质,为国民经济服务是天然有机化学的重要任务。

3.金属有机化学

金属有机化学是20世纪80年代初,国际上新兴的一门学科,研究金属有机化合物的合成、结构、反应及应用,在探索新一代物质转化途径,实现环境友好的高效、高选择性合成化学新反应、新方法具有重要的科学意义和现实意义。金属有机化学包括主族元素金属有机化学和过渡金属有机化学(含稀土金属有机化学),其核心科学问题是金属有机化合物和化学键的断裂与形成的调控。另一方面金属有机化学发展到今天,也已可归纳为若干基元反应:(a)配体和金属的配位和解离;(b)氧化加成和还原消除;(c)插入反应和消除反应;(d)和金属配位的配体的反应。从基元反应的规律出发,可以设计出具有化学选择性、区域选择性和立体选择性的新反应,这已成为当前金属有机化学研究的重要方向之一。

4.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合物的结构和性质关系及有机化学反应原理的学科,是有机化学的理论基础,是有机化学新概念、新思想的源泉。它和有机合成化学一起构成有机化学的两大支柱。

物理有机化学发展的萌芽可以追溯到19世纪末20世纪初。早在1888年Kermann就提出了空间障碍的概念,而1895年Walden已经在亲核取代反应中观察到构型的转化,涉及到有机反应的机理和立体化学问题。1900年Gomberg发现三苯甲基自由基,标志着自由基化学的开端,也标志着反应中问体研究的开端。1901年Norris和Kehrmann分别独立地发现了溶液中稳定的三苯甲基碳正离子。1903年Buchner和Hediger提出在苯和重氮乙酸乙酯的反应中可能涉及了卡宾中间体,1907年Clarke和Lapworth提出了在安西香缩合反应中可能包含了碳负离子中间体。1924年Bronstead提出了酸催化反应中的第一个线性自由能关系式。这说明在20世纪的前20多年里,在有机化学发展的早期,有机化学家已经证明了或假设了几个最主要的有机反应中间体的存在,初步进行了反应机理的研究并提出了结构/反应活性关系的一些基本概念,这应该被看作是物理有机化学发展的萌芽阶段。

从20世纪20年代起,物理有机化学的基本理论开始建立。1923年Lewis提出了价键理论,20年代中期Lowry,C.K.Ingold和Robinson提出了取代反应的机理和电子理论,同时量子力学的发展也很快在有机化学中得到应用。这些工作奠定了现代物理有机化学的基础。1940年Hammett的“物理有机化学”一书的出版标志着物理有机化学的成熟和作为一门分支学科的建立。

20世纪40年代-70年代是物理有机化学发展的黄金时期,由于新的物理方法,如闪光光解、基体分离技术、ESR的建立及量子化学的发展,使对反应中间体和反应机理的研究更加深入。物理有机化学的研究涉及到结构/活性定量关系、有机反应中间体、反应动力学、反应机理、理论有机化学、有机光化学、金属有机化学、生物化学等广泛的领域。

20世纪80年代以来,物理有机化学研究的对象开始从简单的有机分子和均相溶液中的有机化学反应扩展到包括分子聚集体、生物大分子、材料大分子的结构/性质研究及反应机理研究,扩展到分子间弱相互作用的研究。物理有机化学已经渗透到几乎所有与有机化学相关的领域。正如Kosower和Houk指出的那样,“物理有机化学属于整个化学”,“大部分有机化学和生物化学问题可以用物理有机化学的语言来理解”。Breslow更进一步指出“物理有机化学是化学中涉及最广的分支学科。它不仅有它自己的研究方法,也利用全部物理化学的研究方法来进行研究工作。它利用全部有机合成化学的方法设计和合成新的分子并研究其性质。它既考虑生物化学中的问题,也考虑与材料科学和电子学有关的固体的性质。它运用各种分析化学方法进行研究工作,也为分析化学设计新的方法和技术。它越来越多地利用计算机,采用量子化学和分子力学方法解释和预言实验结果。物理有机化学最主要的产品是理论、思想和对化学现象的阐明。这些理论和思想也可能导致新方法和实际应用,但新思想和新概念是其核心”。

5.有机化合物的分离和分析

分离和分析的紧密结合是有机分析的一大特点。在生命科学、材料科学和环境科学中都涉及到复杂系统的痕量或微量的有机物分离分析问题。

气相色谱的发展是高效分离的突破口,而高效气相色谱和高效液相色谱是现代分离技术的基础。在气相色谱中新型高选择性的耐高温固定相(如手性固定相和异构体选择性分离的固定相)仍是比较活跃的研究领域。对气相色谱在有机物的痕量分离分析方面的应用仍需给予关注。液相色谱中选择性色谱柱和选择性流动相的应用发展是今后若干年中的主攻方面。细径柱的合理开发,多维色谱以及以色谱为主的系统分析网络将使复杂系统有机痕量物质的分离和分析跃上新的台阶。

超临界流体色谱,包括毛细管柱超临界流体色谱是正在发展中的新技术。

毛细管电泳是生命科学日益发展的情况下产生的新型的高效技术,在蛋白质和核酸的分离方面已显出极大的威力,是有很强发展活力的新领域。

核磁共振波谱技术在谱仪性能和测量方法上有了巨大的进步,其中二维方法的发展已成为解决结构问题最主要的物理方法。NMR今后的发展趋势是如何得到更多的相关信息、简化图谱、提高检测灵敏度和发展三维核磁共振技术。

质谱技术最突出的进步是新的解析电离技术的发展。随着接口技术的进步,联用技术的应用面更扩大,效果更为提高。这将使质谱成为生命科学中的一个崭新的研究手段。