化學(xué)領(lǐng)域杰出貢獻(xiàn)化學(xué)作為一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，對(duì)人類文明的進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)。從材料合成到藥物研發(fā)，從能源創(chuàng)新到環(huán)境保護(hù)，化學(xué)研究的成果深刻地改變了我們的生活方式和世界面貌。本次演講將帶您回顧化學(xué)不同領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，探索那些改變世界的化學(xué)理論與應(yīng)用，以及了解背后的杰出科學(xué)家們的貢獻(xiàn)。通過這段科學(xué)之旅，我們將看到化學(xué)如何塑造現(xiàn)代社會(huì)，并展望其在未來可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵角色。目錄1引言介紹化學(xué)作為創(chuàng)造新物質(zhì)的科學(xué)，其重要性及對(duì)人類生活和科技發(fā)展的深遠(yuǎn)影響。探討化學(xué)研究如何成為解決全球挑戰(zhàn)的關(guān)鍵力量。2主要化學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)詳細(xì)探討有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)、生物化學(xué)、高分子化學(xué)、催化化學(xué)、綠色化學(xué)和計(jì)算化學(xué)等領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破。3諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主回顧早期、中期和近期諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主的杰出貢獻(xiàn)，特別關(guān)注2021-2023年的最新獲獎(jiǎng)成果以及中國(guó)科學(xué)家在化學(xué)領(lǐng)域的重要工作。4未來展望與總結(jié)討論人工智能在化學(xué)中的應(yīng)用前景、可持續(xù)化學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，以及跨學(xué)科研究的重要性，總結(jié)化學(xué)在解決全球挑戰(zhàn)中的關(guān)鍵作用。引言：化學(xué)的重要性創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)化學(xué)是研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)。作為創(chuàng)造新物質(zhì)的科學(xué)，化學(xué)家們通過設(shè)計(jì)和合成新化合物，不斷擴(kuò)展人類可利用的材料庫(kù)，從基礎(chǔ)原料到先進(jìn)材料，從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)到復(fù)雜功能分子。生活影響化學(xué)發(fā)現(xiàn)影響著人類日常生活的方方面面，從我們食用的食品添加劑到穿著的合成纖維服裝，從醫(yī)療保健的藥物到環(huán)境保護(hù)的材料，化學(xué)無(wú)處不在，塑造著現(xiàn)代文明的基本面貌。科技發(fā)展引擎作為眾多尖端科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)，化學(xué)提供了實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新所需的物質(zhì)基礎(chǔ)和理論支持。從新能源開發(fā)到電子信息技術(shù)，從航空航天材料到生物醫(yī)學(xué)工程，化學(xué)研究正持續(xù)推動(dòng)科技進(jìn)步。有機(jī)化學(xué)1創(chuàng)新分子設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)與功能精確控制2藥物與生物活性分子治療疾病的關(guān)鍵化合物3材料與功能分子改變生活的有機(jī)材料4合成方法學(xué)創(chuàng)新構(gòu)建分子的新途徑5有機(jī)分子基礎(chǔ)研究碳基化合物的探索有機(jī)化學(xué)作為研究含碳化合物的學(xué)科，是現(xiàn)代化學(xué)的核心分支之一。從19世紀(jì)維勒合成尿素打破有機(jī)物只能來源于生物體的觀念，到今天精密設(shè)計(jì)功能分子，有機(jī)化學(xué)經(jīng)歷了飛速發(fā)展。現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)已經(jīng)發(fā)展出復(fù)雜的理論體系和強(qiáng)大的合成工具，使科學(xué)家們能夠制造出自然界中不存在的分子，為醫(yī)藥、材料、能源等領(lǐng)域提供關(guān)鍵支持。有機(jī)合成能力的提升，使許多曾經(jīng)不可能實(shí)現(xiàn)的分子轉(zhuǎn)化成為可能。有機(jī)合成的里程碑1費(fèi)雪的糖類研究埃米爾·費(fèi)雪在20世紀(jì)初開創(chuàng)了糖類化學(xué)研究的新紀(jì)元，他系統(tǒng)地闡明了單糖的立體化學(xué)構(gòu)型，建立了糖類的分類系統(tǒng)，并成功合成了多種自然糖類。他的工作奠定了理解糖類生物化學(xué)的基礎(chǔ)，為后來的蛋白質(zhì)和核酸研究鋪平了道路。2伍德沃德的復(fù)雜天然產(chǎn)物合成羅伯特·伍德沃德被譽(yù)為有機(jī)合成之父，他在20世紀(jì)中期合成了一系列結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的天然產(chǎn)物，包括奎寧、膽固醇、鏈霉素和維生素B12等。他的工作不僅展示了有機(jī)合成的力量，也深刻影響了現(xiàn)代合成策略的發(fā)展方向。3考里的全合成策略埃爾德·考里發(fā)展了全合成的逆合成分析方法，這種系統(tǒng)性思考方式徹底改變了有機(jī)合成的戰(zhàn)略規(guī)劃。他的團(tuán)隊(duì)成功合成了普洛斯格蘭定、甾體激素等復(fù)雜分子，他與伍德沃德一起被認(rèn)為是現(xiàn)代有機(jī)合成的奠基人之一。有機(jī)反應(yīng)機(jī)理研究英格爾德的貢獻(xiàn)克里斯托弗·英格爾德爵士對(duì)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理學(xué)做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，他提出了親核取代反應(yīng)的SN1和SN2機(jī)理，并建立了反應(yīng)歷程的立體化學(xué)基礎(chǔ)理論。這些工作極大地促進(jìn)了科學(xué)家們對(duì)有機(jī)反應(yīng)過程的理解，使化學(xué)家能夠預(yù)測(cè)和控制反應(yīng)結(jié)果。漢莫特方程路易斯·漢莫特開發(fā)的漢莫特方程，成為物理有機(jī)化學(xué)中定量研究取代基電子效應(yīng)對(duì)反應(yīng)活性影響的基礎(chǔ)工具。這一方程建立了分子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)活性之間的定量關(guān)系，為理性設(shè)計(jì)有機(jī)反應(yīng)提供了科學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)藥物化學(xué)尤其重要。立體電子效應(yīng)理論溫斯坦和巴頓等科學(xué)家發(fā)展的立體電子效應(yīng)理論，解釋了分子構(gòu)象對(duì)反應(yīng)活性的影響。這些理論極大地提高了化學(xué)家對(duì)分子行為的預(yù)測(cè)能力，使合成設(shè)計(jì)更加精確，為復(fù)雜天然產(chǎn)物的選擇性合成奠定了理論基礎(chǔ)。有機(jī)金屬化學(xué)格里尼亞試劑維克多·格里尼亞于1900年發(fā)現(xiàn)的格里尼亞試劑(RMgX)是有機(jī)合成中最重要的工具之一。這些有機(jī)鎂化合物能夠與各種親電試劑反應(yīng)形成新的碳-碳鍵，極大地拓展了有機(jī)合成的可能性。格里尼亞因此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)獲得了1912年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1齊格勒-納塔催化劑卡爾·齊格勒和朱利奧·納塔開發(fā)的齊格勒-納塔催化劑革命性地改變了聚合物生產(chǎn)。這種含鈦和鋁的異相催化劑能夠在溫和條件下催化烯烴的立體規(guī)整聚合，使高密度聚乙烯和等規(guī)聚丙烯等工業(yè)塑料的生產(chǎn)成為可能。2偶聯(lián)反應(yīng)根岸英一、鈴木章和黑川英二等科學(xué)家發(fā)展的鈀催化偶聯(lián)反應(yīng)，為構(gòu)建碳-碳鍵提供了溫和高效的方法。這些反應(yīng)在藥物合成、材料科學(xué)和精細(xì)化工中獲得廣泛應(yīng)用，三位科學(xué)家因此共享2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。3烯烴復(fù)分解反應(yīng)羅伯特·格拉布斯和理查德·謝洛克開發(fā)的釕催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)，成為構(gòu)建環(huán)狀化合物和高分子材料的強(qiáng)大工具。這種反應(yīng)的高效性和選擇性使其成為現(xiàn)代有機(jī)合成中不可或缺的方法，兩位科學(xué)家因此與伊夫·肖萬(wàn)共享2005年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。4不對(duì)稱合成諾里的手性催化野依良治開發(fā)的BINAP釕催化劑實(shí)現(xiàn)了烯烴的高效不對(duì)稱氫化，為制備光學(xué)純手性化合物開辟了新途徑。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于藥物和農(nóng)藥等精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)，顯著提高了手性藥物的合成效率。野依因此項(xiàng)工作獲得2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。沙普萊斯的不對(duì)稱環(huán)氧化巴里·沙普萊斯開發(fā)的鈦催化不對(duì)稱環(huán)氧化反應(yīng)（沙普萊斯環(huán)氧化）能夠高選擇性地將烯烴轉(zhuǎn)化為手性環(huán)氧化物。這一反應(yīng)為合成多種手性天然產(chǎn)物和藥物中間體提供了關(guān)鍵工具，沙普萊斯因此與野依良治和諾爾斯共享2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。有機(jī)小分子催化大衛(wèi)·麥克米蘭和本杰明·李斯特開創(chuàng)的有機(jī)小分子不對(duì)稱催化領(lǐng)域，為不對(duì)稱合成提供了不含金屬的綠色催化系統(tǒng)。這些催化劑在溫和條件下能實(shí)現(xiàn)高對(duì)映選擇性轉(zhuǎn)化，拓展了手性合成的工具箱，兩位科學(xué)家因此共享2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。有機(jī)光電材料白川英樹的導(dǎo)電聚合物白川英樹發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了導(dǎo)電聚合物，特別是聚乙炔，開創(chuàng)了有機(jī)電子學(xué)的新時(shí)代。通過鹵素?fù)诫s，這些聚合物的電導(dǎo)率可提高數(shù)百萬(wàn)倍，使塑料首次具備了導(dǎo)電能力。白川與麥克迪爾米德和希格共享2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他們的工作為柔性電子設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。OLED技術(shù)的發(fā)展有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)技術(shù)源于唐青春和范·斯萊克等科學(xué)家的開創(chuàng)性工作。OLED材料能在電流刺激下發(fā)光，具有高亮度、廣視角和低能耗等優(yōu)勢(shì)。這一技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、電視和照明設(shè)備，徹底改變了顯示技術(shù)市場(chǎng)，并持續(xù)推動(dòng)著綠色照明領(lǐng)域的創(chuàng)新。有機(jī)太陽(yáng)能電池艾倫·希格和其他科學(xué)家開發(fā)的有機(jī)太陽(yáng)能電池，通過共軛聚合物和富勒烯衍生物的復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)換。雖然轉(zhuǎn)換效率仍低于無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池，但其輕質(zhì)、柔性和低成本特性，為可再生能源開發(fā)提供了新選擇，特別適用于便攜設(shè)備和建筑一體化光伏系統(tǒng)。無(wú)機(jī)化學(xué)配位化學(xué)無(wú)機(jī)材料生物無(wú)機(jī)納米材料其他領(lǐng)域無(wú)機(jī)化學(xué)研究涵蓋除碳化合物外的所有元素化合物，從傳統(tǒng)的金屬和非金屬元素，到現(xiàn)代的功能材料和催化劑。作為化學(xué)的基礎(chǔ)分支之一，無(wú)機(jī)化學(xué)的發(fā)展歷程與人類文明進(jìn)步緊密相連。圖表展示了當(dāng)前無(wú)機(jī)化學(xué)研究的主要方向分布，可以看出無(wú)機(jī)材料和配位化學(xué)占據(jù)了研究的主導(dǎo)地位，而納米材料作為新興領(lǐng)域也占有相當(dāng)比例。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)機(jī)化學(xué)研究正朝著多學(xué)科交叉和功能材料定向設(shè)計(jì)的方向深入發(fā)展。配位化學(xué)的發(fā)展維爾納的配位理論阿爾弗雷德·維爾納于1893年提出的配位理論，解釋了過渡金屬配合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，奠定了現(xiàn)代配位化學(xué)的基礎(chǔ)。他提出金屬離子可以與特定數(shù)量的配體形成定向的配位鍵，這一理論解釋了許多當(dāng)時(shí)不能理解的無(wú)機(jī)化合物現(xiàn)象，維爾納因此獲得1913年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。鰲合物化學(xué)鰲合物是含有多齒配體的配合物，這些配體能通過多個(gè)原子與中心金屬離子結(jié)合，形成穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。EDTA等鰲合劑在分析化學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)過程中有廣泛應(yīng)用。鰲合效應(yīng)的研究極大地推動(dòng)了金屬絡(luò)合物化學(xué)的發(fā)展，并為設(shè)計(jì)功能性配合物提供了理論基礎(chǔ)。金屬有機(jī)框架材料金屬有機(jī)框架(MOFs)是由金屬離子或簇與有機(jī)配體通過配位鍵連接形成的多孔晶體材料。這類材料具有超高的比表面積和可調(diào)控的孔道結(jié)構(gòu)，在氣體存儲(chǔ)、分離、催化和傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。奧馬爾·亞吉等科學(xué)家的開創(chuàng)性工作使MOFs成為當(dāng)代材料科學(xué)的熱點(diǎn)研究對(duì)象。無(wú)機(jī)材料化學(xué)沸石分子篩是一類具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽晶體材料，其嚴(yán)格定義的孔徑使其具有分子篩選功能。自1940年代合成出第一種人工沸石以來，科學(xué)家們已開發(fā)出200多種結(jié)構(gòu)類型，這些材料在石油煉制、氣體分離和催化反應(yīng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。新型功能陶瓷材料，如壓電陶瓷、鐵電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷和固體電解質(zhì)等，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在電子、能源和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。特別是高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的革命，為高效能源傳輸帶來了新希望。生物無(wú)機(jī)化學(xué)金屬酶的研究金屬酶是含有金屬離子作為輔因子的生物催化劑，在生命過程中發(fā)揮著不可替代的作用。鐵蛋白在氧氣運(yùn)輸中，鋅酶在蛋白質(zhì)折疊中，鈷在維生素B12中的作用，都展示了金屬離子在生物系統(tǒng)中的重要性。林德斯特倫-朗和德科拉基斯等科學(xué)家的研究，揭示了金屬離子如何參與酶催化的微觀機(jī)制。金屬與核酸相互作用鉑類抗癌藥物順鉑通過與DNA形成交聯(lián)，干擾癌細(xì)胞的復(fù)制過程，這是金屬配合物在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的典型例子。巴納德·羅森伯格的這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了金屬基藥物研究的新領(lǐng)域。此外，鋅指蛋白中金屬離子與DNA識(shí)別的研究，揭示了金屬在基因調(diào)控中的關(guān)鍵作用。生物礦化過程生物礦化是生物體在細(xì)胞調(diào)控下形成無(wú)機(jī)礦物的過程，如貝殼形成碳酸鈣、骨骼形成羥基磷灰石等。這些過程通常在常溫常壓下進(jìn)行，卻能形成具有精確結(jié)構(gòu)和特殊性能的復(fù)合材料。研究生物礦化機(jī)理不僅有助于理解生命演化，也為開發(fā)新型仿生材料提供了靈感。納米材料富勒烯的發(fā)現(xiàn)1985年，羅伯特·克爾、哈羅德·克羅托和理查德·斯莫利發(fā)現(xiàn)了一種由60個(gè)碳原子構(gòu)成的籠狀分子——C60富勒烯，這是繼金剛石和石墨之后發(fā)現(xiàn)的第三種碳同素異形體。這種分子因其形狀酷似足球和巴克明斯特·富勒設(shè)計(jì)的建筑而得名，三位科學(xué)家因此共享1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。碳納米管碳納米管是由碳原子以六元環(huán)結(jié)構(gòu)排列成的管狀納米材料，具有超高的強(qiáng)度、優(yōu)異的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)率。1991年，日本科學(xué)家飯島澄男首次通過電弧放電法制備出多壁碳納米管，此后的研究使碳納米管在電子、材料、能源和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯石墨烯是由單層碳原子以蜂窩狀晶格排列形成的二維材料，具有極高的電子遷移率、優(yōu)異的導(dǎo)熱性和超強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。2004年，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功制備出單層石墨烯，這一突破開啟了二維材料研究的新紀(jì)元，兩位科學(xué)家因此共享2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。物理化學(xué)1多尺度研究從量子世界到宏觀系統(tǒng)2理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合計(jì)算模擬與精密測(cè)量3跨學(xué)科應(yīng)用材料、生物、能源等領(lǐng)域4基礎(chǔ)理論量子化學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等物理化學(xué)是研究物質(zhì)的物理性質(zhì)以及化學(xué)變化中物理現(xiàn)象的學(xué)科，連接著物理學(xué)和化學(xué)的理論體系。它通過嚴(yán)格的物理理論和數(shù)學(xué)方法，解釋和預(yù)測(cè)化學(xué)系統(tǒng)的行為，為其他化學(xué)分支提供理論基礎(chǔ)。物理化學(xué)的發(fā)展始于19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們開始將熱力學(xué)原理應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)。20世紀(jì)初量子力學(xué)的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了物理化學(xué)的理論革命，使科學(xué)家們能夠從原子和電子層面理解化學(xué)鍵和分子性質(zhì)。如今，物理化學(xué)已發(fā)展成為一個(gè)包含多個(gè)分支的龐大學(xué)科體系。量子化學(xué)泡利不相容原理沃爾夫?qū)づ堇?925年提出的不相容原理，闡明了同一量子系統(tǒng)中不能有兩個(gè)電子占據(jù)完全相同的量子態(tài)。這一原理解釋了元素周期表中電子排布的規(guī)律性，成為理解原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵本質(zhì)的基礎(chǔ)理論。泡利因此獲得1945年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他的工作對(duì)化學(xué)和物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。分子軌道理論羅伯特·穆利肯和弗里德里希·亨德開創(chuàng)的分子軌道理論，將量子力學(xué)應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究，提出電子在整個(gè)分子中分布的概念。這一理論成功解釋了分子的光譜性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)性，為現(xiàn)代計(jì)算化學(xué)奠定了基礎(chǔ)。穆利肯因在電子結(jié)構(gòu)理論方面的突出貢獻(xiàn)獲得1966年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。密度泛函理論沃爾特·科恩和皮埃爾·霍恩伯格發(fā)展的密度泛函理論(DFT)，通過電子密度而非波函數(shù)來描述多電子系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算復(fù)雜度。約翰·波比進(jìn)一步發(fā)展的Kohn-Sham方程使DFT成為當(dāng)今最廣泛使用的量子化學(xué)計(jì)算方法之一，能夠處理含數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)原子的大分子系統(tǒng)。化學(xué)熱力學(xué)4熱力學(xué)定律從能量守恒到熵增原理，熱力學(xué)四大定律為理解化學(xué)變化提供了基本框架?G吉布斯自由能判斷化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性的關(guān)鍵熱力學(xué)函數(shù)273K絕對(duì)零度熱力學(xué)第三定律中純晶體的最低理論溫度8.314氣體常數(shù)R理想氣體狀態(tài)方程中的基本常數(shù)(J/(mol·K))吉布斯自由能是由約西亞·威拉德·吉布斯提出的熱力學(xué)函數(shù)，它結(jié)合了系統(tǒng)的焓和熵變化，能夠預(yù)測(cè)在恒溫恒壓條件下化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性方向。當(dāng)△G<0時(shí)，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；當(dāng)△G=0時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡；當(dāng)△G>0時(shí)，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。這一概念對(duì)化學(xué)平衡、相變和電化學(xué)反應(yīng)的理解至關(guān)重要。相圖研究是化學(xué)熱力學(xué)的重要應(yīng)用，它描述了物質(zhì)在不同溫度、壓力和組成條件下可能存在的相態(tài)及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。從水的三相點(diǎn)到復(fù)雜合金系統(tǒng)，相圖研究為材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)，在冶金、陶瓷和半導(dǎo)體等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。化學(xué)動(dòng)力學(xué)1阿倫尼烏斯方程瑞典化學(xué)家斯萬(wàn)特·阿倫尼烏斯于1889年提出的阿倫尼烏斯方程，描述了反應(yīng)速率常數(shù)與溫度之間的定量關(guān)系。這一方程引入了活化能的概念，解釋了為什么大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)在溫度升高時(shí)加速。阿倫尼烏斯方程成為化學(xué)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論，廣泛應(yīng)用于從基礎(chǔ)研究到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。2碰撞理論由麥克斯·特勞茨和威廉·劉易斯發(fā)展的碰撞理論，從微觀角度解釋了化學(xué)反應(yīng)的基本機(jī)制。該理論認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的前提是反應(yīng)分子必須碰撞，且碰撞必須具有足夠的能量并且方向適當(dāng)。碰撞理論雖然簡(jiǎn)單，但能夠定量解釋反應(yīng)速率與濃度、溫度的關(guān)系。3過渡態(tài)理論亨利·艾林和邁克爾·波拉尼共同發(fā)展的過渡態(tài)理論（又稱活化絡(luò)合物理論），提出化學(xué)反應(yīng)過程中存在一個(gè)能量最高點(diǎn)的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)。該理論引入了活化焓和活化熵的概念，能夠更精確地預(yù)測(cè)反應(yīng)速率和影響因素，為理解復(fù)雜反應(yīng)機(jī)理提供了理論框架。電化學(xué)法拉第定律邁克爾·法拉第于1834年提出的電解定律，建立了通過電解池的電量與產(chǎn)生的化學(xué)變化之間的定量關(guān)系。法拉第定律指出，在電解過程中，物質(zhì)的析出量與通過的電量成正比，與物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量成正比。這一定律為電化學(xué)提供了定量基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于電鍍、電解精煉和電化學(xué)分析等領(lǐng)域。原電池發(fā)展從亞歷山德羅·伏特的伏打電池到約翰·丹尼爾的丹尼爾電池，再到喬治·萊克蘭謝的干電池，原電池的發(fā)展歷程反映了電化學(xué)理論的進(jìn)步。這些發(fā)明不僅推動(dòng)了電化學(xué)的基礎(chǔ)研究，也為工業(yè)革命和現(xiàn)代電子技術(shù)提供了關(guān)鍵的能源支持。現(xiàn)代電池技術(shù)鋰離子電池的開發(fā)是現(xiàn)代電池技術(shù)的重大突破。約翰·古德納夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰的開創(chuàng)性工作使鋰離子電池成為便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車的主要能源。這項(xiàng)技術(shù)因其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和環(huán)保性能而獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，正持續(xù)推動(dòng)能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的革命。光化學(xué)1光化學(xué)基本原理光化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)是分子吸收光子后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，隨后通過各種途徑釋放能量或發(fā)生化學(xué)變化。格羅特斯和德雷珀提出的光化學(xué)第一定律指出，只有被吸收的光才能引起化學(xué)變化。愛因斯坦進(jìn)一步提出的光化學(xué)當(dāng)量律闡明了吸收光子數(shù)量與發(fā)生反應(yīng)的分子數(shù)量之間的關(guān)系。2光催化反應(yīng)光催化反應(yīng)利用光能活化催化劑，在常溫常壓下促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。藤島昭和本多健一發(fā)現(xiàn)的二氧化鈦光催化分解水反應(yīng)，開創(chuàng)了光催化研究的新時(shí)代。現(xiàn)代光催化研究致力于開發(fā)高效可見光響應(yīng)催化劑，廣泛應(yīng)用于環(huán)境凈化、能源轉(zhuǎn)換和有機(jī)合成等領(lǐng)域。3單分子光譜學(xué)單分子光譜學(xué)技術(shù)能夠檢測(cè)和研究單個(gè)分子的光譜行為，克服了傳統(tǒng)光譜學(xué)的集體平均效應(yīng)限制。威廉·莫納和理查德·凱勒等科學(xué)家的開創(chuàng)性工作使科學(xué)家能夠觀察單個(gè)分子的動(dòng)態(tài)行為和不均一性。這一技術(shù)為理解分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移、構(gòu)象變化和酶催化等過程提供了強(qiáng)大工具。表面與界面化學(xué)歐文·朗繆爾開創(chuàng)的表面化學(xué)研究使科學(xué)家們能夠在分子層面理解表面現(xiàn)象。他發(fā)展的朗繆爾單分子膜技術(shù)，使研究?jī)删S有序分子系統(tǒng)成為可能。這些工作不僅奠定了表面科學(xué)的基礎(chǔ)，也促進(jìn)了膠體化學(xué)和界面電化學(xué)的發(fā)展，朗繆爾因此獲得1932年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。掃描隧道顯微鏡(STM)由格爾德·賓寧和海因里希·羅雷爾發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)電表面原子的直接成像。這一突破性技術(shù)使科學(xué)家們首次能夠"看到"單個(gè)原子，并研究表面的電子結(jié)構(gòu)。STM技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了納米科學(xué)和分子電子學(xué)的進(jìn)步，兩位發(fā)明者因此共享1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。分析化學(xué)樣品準(zhǔn)備提取、濃縮、凈化1分析測(cè)量?jī)x器檢測(cè)、信號(hào)獲取2數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)分析、結(jié)果解釋3方法開發(fā)新技術(shù)研發(fā)、方法優(yōu)化4問題界定確定分析目標(biāo)與策略5分析化學(xué)是研究物質(zhì)組成和含量的化學(xué)分支，通過各種分析方法獲取樣品的定性和定量信息。從傳統(tǒng)的重量分析和容量分析，到現(xiàn)代的色譜法和光譜法，分析化學(xué)的發(fā)展歷程反映了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。現(xiàn)代分析化學(xué)已從單純的化學(xué)測(cè)量發(fā)展為結(jié)合物理、生物和計(jì)算機(jī)科學(xué)的綜合性學(xué)科。微型化、自動(dòng)化和智能化是當(dāng)前分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，分析化學(xué)正朝著更高靈敏度、更低檢測(cè)限和更強(qiáng)選擇性的方向發(fā)展，為科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)支持。色譜技術(shù)氣相色譜氣相色譜(GC)是一種分離技術(shù)，利用化合物在氣態(tài)流動(dòng)相和固定相之間的分配差異實(shí)現(xiàn)分離。阿爾欽·詹姆斯和阿爾蒂納·馬丁于1952年開發(fā)的這一技術(shù)，能夠分析揮發(fā)性或經(jīng)衍生化處理后可揮發(fā)的化合物。現(xiàn)代GC技術(shù)與質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)，成為有機(jī)化合物分析的強(qiáng)大工具，廣泛應(yīng)用于環(huán)境分析、食品安全和藥物檢測(cè)等領(lǐng)域。高效液相色譜高效液相色譜(HPLC)利用高壓泵系統(tǒng)使液態(tài)流動(dòng)相攜帶樣品通過色譜柱，根據(jù)樣品組分與固定相的相互作用強(qiáng)度差異實(shí)現(xiàn)分離。這一技術(shù)由霍拉斯·威爾德在20世紀(jì)60年代開發(fā)，能夠分析非揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定的化合物。HPLC技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了生物化學(xué)、藥物研發(fā)和臨床診斷等領(lǐng)域的進(jìn)步。離子色譜離子色譜(IC)是一種專門分析離子化合物的液相色譜技術(shù)，由哈米什·斯莫爾于1975年開發(fā)。它利用離子交換樹脂作為固定相，分離和檢測(cè)樣品中的陰離子和陽(yáng)離子。IC技術(shù)在水質(zhì)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物樣品分析中具有重要應(yīng)用，特別適合于無(wú)機(jī)陰離子和小分子有機(jī)酸等離子性物質(zhì)的分析。光譜分析核磁共振波譜核磁共振(NMR)波譜技術(shù)基于原子核在磁場(chǎng)中的自旋特性，能夠提供分子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。費(fèi)利克斯·布洛赫和愛德華·珀塞爾獨(dú)立發(fā)現(xiàn)NMR現(xiàn)象并獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。理查德·恩斯特和庫(kù)特·伍特里希進(jìn)一步發(fā)展的二維NMR和蛋白質(zhì)NMR技術(shù)，使科學(xué)家能夠解析復(fù)雜生物分子的三維結(jié)構(gòu)，為生物學(xué)和藥物研究提供了強(qiáng)大工具。紅外光譜紅外(IR)光譜分析基于分子振動(dòng)能級(jí)的躍遷，能夠提供分子官能團(tuán)的信息。傅里葉變換紅外(FTIR)光譜技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了分析速度和靈敏度。IR光譜已成為有機(jī)化學(xué)和材料科學(xué)中的常規(guī)分析工具，廣泛應(yīng)用于化合物鑒定、結(jié)構(gòu)確證和反應(yīng)監(jiān)測(cè)等方面。質(zhì)譜技術(shù)質(zhì)譜(MS)技術(shù)基于分子電離后形成的離子按質(zhì)荷比分離的原理，能夠提供分子量和結(jié)構(gòu)片段信息。約翰·湯姆森、弗朗西斯·阿斯頓等科學(xué)家的開創(chuàng)性工作奠定了質(zhì)譜學(xué)的基礎(chǔ)。現(xiàn)代MS技術(shù)如電噴霧離子化(ESI-MS)和基質(zhì)輔助激光解吸電離(MALDI-MS)，為生物大分子分析提供了前所未有的可能性，已成為生命科學(xué)研究的核心工具。電化學(xué)分析伏安法伏安法是一類通過測(cè)量電極上的電流-電壓關(guān)系來分析物質(zhì)的技術(shù)。雅羅斯拉夫·海洛夫斯基發(fā)明的極譜法是最早的伏安分析技術(shù)之一，他因此獲得1959年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)代差分脈沖伏安法、方波伏安法等技術(shù)具有極高的靈敏度，能夠檢測(cè)納摩爾級(jí)別的分析物，廣泛應(yīng)用于重金屬、藥物和生物活性分子的分析。電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器通過將分析物的化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。萊蘭德·克拉克開發(fā)的氧電極和首個(gè)血糖傳感器是電化學(xué)傳感技術(shù)的里程碑。現(xiàn)代電化學(xué)生物傳感器結(jié)合了電化學(xué)技術(shù)與生物識(shí)別元件，能夠特異性檢測(cè)各種生物分子，在臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。電位滴定技術(shù)電位滴定是結(jié)合電位測(cè)量與容量分析的技術(shù)，能夠精確確定滴定終點(diǎn)。卡爾·費(fèi)舍爾發(fā)明的庫(kù)侖滴定是一種不需要標(biāo)準(zhǔn)溶液的絕對(duì)測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)微量水分等物質(zhì)的精確定量。這類技術(shù)在分析化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備、藥品質(zhì)量控制和環(huán)境樣品分析中具有重要應(yīng)用。微量分析原子吸收光譜原子吸收光譜(AAS)是基于自由原子對(duì)特定波長(zhǎng)光吸收的技術(shù)，能夠定量分析金屬和某些非金屬元素。艾倫·沃爾什在20世紀(jì)50年代開發(fā)的這一技術(shù)，將檢測(cè)限降低到百萬(wàn)分之幾的水平。火焰AAS和石墨爐AAS是兩種主要的實(shí)現(xiàn)方式，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品分析、地質(zhì)勘探和材料科學(xué)等領(lǐng)域。原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜(AES)基于原子在高能狀態(tài)下釋放特征光的原理，能夠同時(shí)分析多種元素。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)利用高溫等離子體激發(fā)樣品中的原子，形成的技術(shù)能夠在數(shù)分鐘內(nèi)完成幾十種元素的同時(shí)分析，具有高靈敏度、寬線性范圍和低干擾等優(yōu)點(diǎn)。電感耦合等離子體質(zhì)譜電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)結(jié)合ICP離子源與質(zhì)量分析器，能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)元素的超痕量分析，檢測(cè)限可達(dá)萬(wàn)億分之幾。這一技術(shù)由羅伯特·霍克和艾倫·格雷于1980年代開發(fā)，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、可同時(shí)分析多種元素等優(yōu)點(diǎn)，已成為微量元素和同位素分析的首選技術(shù)，特別適用于環(huán)境科學(xué)和生命科學(xué)研究。生物化學(xué)1分子醫(yī)學(xué)疾病的分子機(jī)制與治療2分子生物學(xué)核酸功能與基因表達(dá)3結(jié)構(gòu)生物學(xué)生物大分子三維結(jié)構(gòu)4代謝生物化學(xué)細(xì)胞能量與物質(zhì)轉(zhuǎn)化5蛋白質(zhì)與酶學(xué)功能分子與生物催化生物化學(xué)是研究生命過程中分子層面化學(xué)反應(yīng)和相互作用的學(xué)科，連接著化學(xué)與生物學(xué)的知識(shí)體系。它通過研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能，揭示生命現(xiàn)象的化學(xué)本質(zhì)，為理解生命過程提供分子基礎(chǔ)。現(xiàn)代生物化學(xué)的發(fā)展與現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)密不可分，兩者共同構(gòu)成了探索生命科學(xué)的強(qiáng)大工具。從代謝途徑的闡明到基因組測(cè)序，從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析到系統(tǒng)生物學(xué)研究，生物化學(xué)的進(jìn)步持續(xù)深化著人類對(duì)生命本質(zhì)的理解，并為醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)等領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ)。DNA結(jié)構(gòu)與功能1沃森和克里克的雙螺旋模型1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克基于羅莎琳德·富蘭克林和莫里斯·威爾金斯的X射線衍射數(shù)據(jù)，提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這一模型揭示了DNA由兩條反平行的多核苷酸鏈圍繞共同軸線盤旋形成，堿基通過氫鍵配對(duì)位于內(nèi)側(cè)。這一發(fā)現(xiàn)為理解遺傳信息的存儲(chǔ)和復(fù)制機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，四位科學(xué)家(沃森、克里克和威爾金斯后來，富蘭克林已去世)因此共享1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2DNA復(fù)制與修復(fù)機(jī)制阿瑟·科恩伯格和塞弗羅·奧查發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶，揭示了DNA半保留復(fù)制的分子機(jī)制。科恩伯格因此獲得1959年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。此后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一系列參與DNA復(fù)制、修復(fù)和重組的酶類，如DNA連接酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶和各種修復(fù)酶。托馬斯·林達(dá)爾、阿齊茲·桑賈爾和保羅·莫德里奇因揭示DNA修復(fù)機(jī)制獲得2015年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。3基因工程技術(shù)保羅·伯格開發(fā)的重組DNA技術(shù)，使科學(xué)家能夠?qū)⑼庠碊NA片段插入載體并在宿主細(xì)胞中表達(dá)，他因此獲得1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。凱里·穆利斯發(fā)明的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)，能夠在體外快速擴(kuò)增特定DNA片段，極大地促進(jìn)了分子生物學(xué)研究，穆利斯因此獲得1993年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這些技術(shù)為現(xiàn)代基因工程和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)化學(xué)氨基酸序列測(cè)定弗雷德里克·桑格發(fā)展的蛋白質(zhì)序列分析方法，首次完整測(cè)定了胰島素的氨基酸序列，證明蛋白質(zhì)具有確定的一級(jí)結(jié)構(gòu)。這一工作為理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系開辟了道路，桑格因此獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。之后，埃德曼降解法和質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，使蛋白質(zhì)序列分析變得更加高效和精確。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析約翰·肯德魯和馬克斯·佩魯茲開創(chuàng)的蛋白質(zhì)X射線晶體學(xué)研究，首次揭示了蛋白質(zhì)的精確三維結(jié)構(gòu)。庫(kù)特·伍特里希發(fā)展的核磁共振(NMR)技術(shù)，能夠研究溶液狀態(tài)下蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。近年來，冷凍電鏡技術(shù)的革命性進(jìn)展，使科學(xué)家能夠解析不易結(jié)晶的大型蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)，約阿希姆·弗蘭克、雅克·杜博切和理查德·亨德森因此共享2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系蛋白質(zhì)的功能依賴于其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)又由氨基酸序列決定。克里斯蒂安·安芬森通過核糖核酸酶的復(fù)性實(shí)驗(yàn)，證明了蛋白質(zhì)折疊的自發(fā)性，支持了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)由序列決定的觀點(diǎn)。現(xiàn)代蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究揭示了酶催化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫識(shí)別等生命過程的分子基礎(chǔ)，為理性藥物設(shè)計(jì)和蛋白質(zhì)工程提供了重要指導(dǎo)。酶學(xué)酶催化機(jī)理研究始于埃德蒙·費(fèi)舍爾提出的"鎖鑰"模型，后來由丹尼爾·科什蘭發(fā)展為"誘導(dǎo)契合"模型。現(xiàn)代酶催化研究結(jié)合了X射線晶體學(xué)、NMR、計(jì)算模擬等多種技術(shù)，揭示了酶促反應(yīng)的分子細(xì)節(jié)，包括過渡態(tài)穩(wěn)定、質(zhì)子轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移等過程。酶工程技術(shù)是通過改變酶的氨基酸序列，設(shè)計(jì)具有新功能或改善性能的酶。弗朗西絲·阿諾德開發(fā)的定向進(jìn)化技術(shù)，通過模擬自然選擇過程創(chuàng)造出具有新功能的酶，她因此獲得2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這些技術(shù)在制藥、食品加工和生物能源等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展。代謝生物化學(xué)糖酵解葡萄糖分解生成ATP1檸檬酸循環(huán)乙酰CoA完全氧化2電子傳遞鏈氧化還原能量轉(zhuǎn)化為ATP3光合作用光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能4糖異生非糖物質(zhì)合成葡萄糖5糖酵解途徑是細(xì)胞分解葡萄糖獲取能量的基本代謝途徑，由GustavEmbden、OttoMeyerhof和JacobParnas闡明，又稱EMP途徑。這一途徑將一分子葡萄糖分解為兩分子丙酮酸，同時(shí)產(chǎn)生少量ATP和NADH。糖酵解是幾乎所有生物共有的代謝途徑，在無(wú)氧條件下尤為重要。檸檬酸循環(huán)(又稱三羧酸循環(huán)或克雷布斯循環(huán))由漢斯·克雷布斯發(fā)現(xiàn)，是細(xì)胞呼吸的中心環(huán)節(jié)。在這一循環(huán)中，乙酰CoA被完全氧化為二氧化碳和水，同時(shí)產(chǎn)生還原當(dāng)量(NADH和FADH2)，這些還原當(dāng)量隨后在電子傳遞鏈中用于ATP合成。克雷布斯因這一發(fā)現(xiàn)獲得1953年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，他的工作奠定了理解細(xì)胞能量代謝的基礎(chǔ)。分子生物學(xué)技術(shù)PCR技術(shù)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)是凱里·穆利斯于1983年發(fā)明的DNA體外擴(kuò)增方法，能夠在幾小時(shí)內(nèi)將特定DNA片段擴(kuò)增數(shù)十億倍。PCR技術(shù)徹底改變了分子生物學(xué)研究，使得基因克隆、遺傳診斷和法醫(yī)DNA分析等應(yīng)用成為可能。穆利斯因這一發(fā)明獲得1993年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)代PCR技術(shù)已發(fā)展出多種變體，如實(shí)時(shí)定量PCR、數(shù)字PCR等，應(yīng)用更加廣泛。基因測(cè)序技術(shù)DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展始于沃爾特·吉爾伯特和弗雷德里克·桑格開發(fā)的化學(xué)降解法和雙脫氧終止法，兩人因此共享1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第二代高通量測(cè)序技術(shù)降低了測(cè)序成本和提高了效率，使人類基因組計(jì)劃成為可能。近年來，納米孔測(cè)序等第三代測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了個(gè)性化醫(yī)療和基因組學(xué)研究的發(fā)展。基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)是由詹妮弗·道德納和埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶開發(fā)的革命性技術(shù)，能夠精確修改生物體的基因組。這一技術(shù)源于細(xì)菌的免疫系統(tǒng)，通過RNA引導(dǎo)Cas9核酸酶切割特定DNA序列，實(shí)現(xiàn)基因敲除或插入。兩位科學(xué)家因此共享2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。CRISPR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究、疾病治療和農(nóng)業(yè)改良等領(lǐng)域。高分子化學(xué)1功能高分子智能響應(yīng)與特殊性能2高性能材料先進(jìn)工程應(yīng)用3合成方法可控聚合與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4基礎(chǔ)理論聚合機(jī)理與分子表征高分子化學(xué)研究聚合物的合成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用，從本質(zhì)上改變了現(xiàn)代材料科學(xué)的面貌。自赫爾曼·施陶丁格提出高分子概念以來，這一領(lǐng)域經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)探索到理性設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造了無(wú)數(shù)改變?nèi)祟惿畹牟牧稀，F(xiàn)代高分子化學(xué)已發(fā)展出豐富的理論體系和多樣化的合成策略，能夠精確控制聚合物的分子量、分子結(jié)構(gòu)和立體構(gòu)型。從日常生活用品到高科技領(lǐng)域，高分子材料無(wú)處不在。隨著綠色化學(xué)理念的興起，可持續(xù)高分子材料的開發(fā)成為研究熱點(diǎn)，生物降解塑料和生物基高分子正逐步替代傳統(tǒng)石油基材料。聚合反應(yīng)加聚反應(yīng)加聚反應(yīng)是單體分子直接相連而不產(chǎn)生小分子的聚合過程，主要通過自由基、陰離子或陽(yáng)離子機(jī)理進(jìn)行。邁克爾·斯扎瓦爾科、卡爾·齊格勒和朱利奧·納塔開發(fā)的配位聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了烯烴的立體規(guī)整聚合，為塑料工業(yè)帶來革命。近年來，活性聚合和可控自由基聚合技術(shù)的發(fā)展，使科學(xué)家能夠精確控制聚合物的分子量和結(jié)構(gòu)，為合成具有特定功能的高分子材料提供了工具。縮聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)是兩種或多種官能團(tuán)之間的反應(yīng)，伴隨小分子(如水或醇)的脫除。華萊士·卡羅瑟斯在開發(fā)尼龍的過程中，系統(tǒng)研究了縮聚反應(yīng)機(jī)理，為合成纖維工業(yè)奠定了基礎(chǔ)。保羅·弗洛里發(fā)展的縮聚反應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論，闡明了分子量分布與反應(yīng)條件的關(guān)系，為高分子設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。縮聚反應(yīng)廣泛用于聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯等重要工程塑料的生產(chǎn)。開環(huán)聚合開環(huán)聚合是環(huán)狀單體通過開環(huán)反應(yīng)形成線性聚合物的過程。這類反應(yīng)通常具有高轉(zhuǎn)化率和少副反應(yīng)的特點(diǎn)，適用于合成高分子量聚合物。沃爾夫?qū)ば翣柡痛骶S·格雷卡開發(fā)的開環(huán)復(fù)分解聚合(ROMP)，結(jié)合了開環(huán)聚合和烯烴復(fù)分解原理，能夠合成結(jié)構(gòu)獨(dú)特的功能高分子。開環(huán)聚合廣泛應(yīng)用于聚醚、聚酯和聚酰胺等材料的合成，特別是生物可降解醫(yī)用材料如聚乳酸的生產(chǎn)。高分子材料合成纖維華萊士·卡羅瑟斯于1935年發(fā)明的尼龍(聚酰胺)開創(chuàng)了合成纖維工業(yè)的新時(shí)代。此后，聚酯纖維、丙烯腈纖維、聚丙烯纖維等一系列合成纖維相繼問世，徹底改變了紡織工業(yè)的面貌。這些材料不僅在服裝領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，也在工業(yè)、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。特別是高性能纖維如芳香族聚酰胺(Kevlar)和超高分子量聚乙烯纖維，在防彈材料和復(fù)合材料中的應(yīng)用，展示了合成纖維的卓越性能。高性能工程塑料高性能工程塑料是一類具有優(yōu)異機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的特種塑料材料。聚砜、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺和液晶聚合物等工程塑料，能夠在苛刻條件下長(zhǎng)期使用，逐漸替代金屬材料應(yīng)用于航空航天、電子電氣和汽車工業(yè)等領(lǐng)域。這類材料通常具有復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，如芳香環(huán)、雜環(huán)或剛性鏈段，賦予材料特殊性能。現(xiàn)代合成和加工技術(shù)的進(jìn)步，使這些高性能材料的生產(chǎn)成本不斷降低，應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大。功能高分子材料功能高分子材料是基于特定物理、化學(xué)或生物學(xué)功能設(shè)計(jì)的高分子材料。白川英樹開發(fā)的導(dǎo)電聚合物，展示了塑料也能具有金屬般的導(dǎo)電性。光響應(yīng)高分子、形狀記憶高分子和刺激響應(yīng)水凝膠等智能材料，能夠?qū)Νh(huán)境變化做出可控響應(yīng)，在傳感器、執(zhí)行器和藥物控釋等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。這類材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)，通常需要精確控制分子結(jié)構(gòu)和超分子組裝，體現(xiàn)了現(xiàn)代高分子科學(xué)的綜合應(yīng)用能力。生物降解高分子1聚乳酸聚乳酸(PLA)是一種由可再生資源(如玉米、甘蔗等)中提取的乳酸通過開環(huán)聚合制備的脂肪族聚酯。作為最成功的生物降解塑料之一，PLA具有良好的機(jī)械性能、加工性能和生物相容性。在適當(dāng)條件下，PLA可被微生物分解為二氧化碳和水，因此廣泛用于一次性餐具、食品包裝和醫(yī)用材料等領(lǐng)域。沃爾特·卡斯希特和杰斯特·約斯基德等科學(xué)家的開創(chuàng)性工作，使PLA從實(shí)驗(yàn)室材料發(fā)展為商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的環(huán)保塑料。2聚羥基烷酸酯聚羥基烷酸酯(PHA)是一類由微生物在特定培養(yǎng)條件下合成的生物聚酯，如聚羥基丁酸酯(PHB)和聚羥基戊酸酯(PHV)。這類材料完全由可再生資源生產(chǎn)，在自然環(huán)境中可被多種微生物降解。莫里斯·列姆和巴里·麥迪根等科學(xué)家的研究揭示了PHA在微生物中的生物合成途徑，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。PHA因其優(yōu)異的生物相容性被廣泛用于醫(yī)用材料和組織工程支架，也逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和包裝領(lǐng)域。3淀粉基塑料淀粉基塑料是利用淀粉作為主要原料，通過化學(xué)修飾或與其他高分子共混制備的可降解材料。淀粉本身具有良好的生物降解性，但機(jī)械性能和水穩(wěn)定性較差。通過與可降解聚酯如聚己內(nèi)酯(PCL)共混，或進(jìn)行化學(xué)改性如酯化、接枝等處理，可以獲得性能改善的淀粉基材料。這類材料成本低廉、資源豐富，特別適合一次性使用場(chǎng)景，已在農(nóng)業(yè)地膜、包裝材料和一次性制品等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。功能高分子智能高分子是能夠?qū)Νh(huán)境刺激(如溫度、pH、光、電場(chǎng)等)產(chǎn)生可逆響應(yīng)的功能材料。溫度敏感型聚(N-異丙基丙烯酰胺)、pH敏感型聚丙烯酸，以及光響應(yīng)偶氮苯高分子等，都是典型的智能高分子。這類材料通常通過分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在特定條件下發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變或相變，從而表現(xiàn)出物理化學(xué)性質(zhì)的顯著變化，在藥物控釋、傳感器和軟驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。高分子藥物傳遞系統(tǒng)是利用高分子材料作為載體，實(shí)現(xiàn)藥物的靶向輸送和控制釋放。樹狀大分子、嵌段共聚物膠束和高分子納米粒子等載體系統(tǒng)，能夠改善藥物的溶解度、穩(wěn)定性和生物利用度，減少毒副作用。羅伯特·蘭格和杜德里·費(fèi)爾洛等科學(xué)家在這一領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作，為靶向治療和個(gè)性化醫(yī)療提供了新工具，顯著提高了治療效果。催化化學(xué)均相催化溶解在反應(yīng)體系中的催化劑，如過渡金屬配合物1多相催化固體表面上的催化過程，如負(fù)載型催化劑2生物催化利用酶或微生物進(jìn)行的催化反應(yīng)3光催化利用光能活化催化劑的反應(yīng)過程4有機(jī)小分子催化不含金屬的有機(jī)分子催化劑5催化化學(xué)研究催化劑的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其在化學(xué)反應(yīng)中的作用機(jī)理，是化學(xué)科學(xué)中具有重要理論和應(yīng)用價(jià)值的分支。催化劑能夠降低反應(yīng)活化能，加速反應(yīng)速率，同時(shí)不改變反應(yīng)平衡和自身不被消耗。現(xiàn)代催化化學(xué)已發(fā)展成為連接基礎(chǔ)研究與工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵橋梁。從石油煉制到精細(xì)化工，從環(huán)境保護(hù)到新能源開發(fā)，催化技術(shù)無(wú)處不在。催化化學(xué)的進(jìn)步不僅提高了化學(xué)過程的效率和選擇性，也為綠色化學(xué)的實(shí)踐提供了重要工具，通過減少能耗和廢物產(chǎn)生，推動(dòng)化學(xué)工業(yè)向可持續(xù)方向發(fā)展。均相催化威爾金森催化劑杰弗里·威爾金森開發(fā)的三苯基膦銠絡(luò)合物(RhCl(PPh3)3)是最重要的均相催化劑之一，能夠高效催化烯烴的氫化反應(yīng)。這一催化劑工作在溫和條件下，具有高活性和高選擇性，為醫(yī)藥和精細(xì)化工領(lǐng)域提供了重要工具。威爾金森因此項(xiàng)工作與恩斯特·奧托·費(fèi)舍爾共享1973年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他們的研究奠定了現(xiàn)代有機(jī)金屬催化化學(xué)的基礎(chǔ)。烯烴復(fù)分解催化劑理查德·謝洛克和羅伯特·格拉布斯開發(fā)的釕基催化劑，能夠高效催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)，包括開環(huán)復(fù)分解聚合和交叉復(fù)分解等。這類催化劑對(duì)官能團(tuán)具有高耐受性，在溫和條件下工作，為合成復(fù)雜有機(jī)分子和功能高分子開辟了新途徑。謝洛克和格拉布斯因此與伊夫·肖萬(wàn)共享2005年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他們的工作極大地豐富了有機(jī)合成的工具箱。金屬有機(jī)框架材料金屬有機(jī)框架(MOFs)是由金屬離子或金屬簇與有機(jī)配體通過配位鍵形成的多孔晶體材料。這類材料具有超高的比表面積、可調(diào)控的孔道結(jié)構(gòu)和豐富的功能位點(diǎn)，在催化領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。奧馬爾·亞吉和杰弗里·朗等科學(xué)家的開創(chuàng)性工作，使MOFs成為均相和多相催化的橋梁，特別在不對(duì)稱催化、光催化和電催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。多相催化齊格勒-納塔催化劑卡爾·齊格勒和朱利奧·納塔開發(fā)的含鈦和鋁的異相催化劑，能夠催化乙烯和丙烯等烯烴的立體規(guī)整聚合，生產(chǎn)高密度聚乙烯和等規(guī)聚丙烯等重要塑料材料。這一突破性技術(shù)改變了塑料工業(yè)的面貌，兩位科學(xué)家因此共享1963年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)代齊格勒-納塔催化劑已發(fā)展為多種類型，包括負(fù)載型、溶液型和氣相型等，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供了專業(yè)解決方案。貴金屬催化鉑、鈀、銠等貴金屬因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，在多相催化中發(fā)揮著不可替代的作用。保羅·薩巴蒂爾開發(fā)的氫化反應(yīng)催化劑，格哈德·埃特爾發(fā)明的汽車尾氣三效催化轉(zhuǎn)化器，都是貴金屬催化的典型應(yīng)用。這些技術(shù)在石油化工、精細(xì)化學(xué)品合成和環(huán)境保護(hù)中有著重要作用。近年來，單原子催化和納米催化的發(fā)展，進(jìn)一步提高了貴金屬的利用效率，使催化過程更加經(jīng)濟(jì)和環(huán)保。分子篩催化分子篩是一類具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽晶體材料，作為催化劑或催化劑載體廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程。石油裂解用的Y型沸石催化劑和甲醇制汽油用的ZSM-5催化劑，是分子篩催化的典型例子。這類催化劑通過形狀選擇性和酸堿性質(zhì)，控制反應(yīng)的選擇性方向。SAPO分子篩在甲醇制烯烴(MTO)過程中的應(yīng)用，為輕烴資源的高效利用提供了新途徑，展示了分子篩催化的重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。生物催化酶催化是利用生物體內(nèi)的酶促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的過程。與傳統(tǒng)化學(xué)催化劑相比，酶具有更高的效率和選擇性，能在溫和條件下工作。純化酶或重組酶廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和洗滌劑等行業(yè)。特別是氨基酸消旋酶、醛脫氫酶和水解酶等在手性藥物合成中的應(yīng)用，展示了酶催化在不對(duì)稱合成領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。弗朗西絲·阿諾德開發(fā)的定向進(jìn)化技術(shù)，通過模擬自然選擇過程創(chuàng)造出具有新功能的酶，為生物催化開辟了新時(shí)代。人工酶是通過蛋白質(zhì)工程或化學(xué)合成方法設(shè)計(jì)的具有催化功能的分子。這包括修飾天然酶結(jié)構(gòu)以改變其功能，或從頭設(shè)計(jì)類似酶活性中心的小分子催化劑。唐納德·希爾伯特等科學(xué)家在計(jì)算機(jī)輔助酶設(shè)計(jì)方面的開創(chuàng)性工作，使得人工設(shè)計(jì)具有特定催化功能的蛋白質(zhì)成為可能。這些人工酶在工業(yè)生物催化、生物傳感和合成生物學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。光催化光解水制氫藤島昭和本多健一于1972年發(fā)現(xiàn)的二氧化鈦光催化分解水反應(yīng)，開創(chuàng)了光催化研究的新時(shí)代。這一過程利用光激發(fā)半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，驅(qū)動(dòng)水分子裂解為氫氣和氧氣。現(xiàn)代光催化水分解研究致力于設(shè)計(jì)高效可見光響應(yīng)催化劑，通過摻雜、異質(zhì)結(jié)構(gòu)或量子點(diǎn)敏化等策略，提高太陽(yáng)能利用效率。這一技術(shù)被視為未來清潔能源生產(chǎn)的重要途徑，有望實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能的高效轉(zhuǎn)換。光催化降解污染物光催化技術(shù)能夠利用太陽(yáng)能或人工光源，在催化劑作用下將有機(jī)污染物礦化為無(wú)害的二氧化碳和水。這一過程通常通過催化劑產(chǎn)生的高活性自由基(如羥基自由基)氧化分解污染物分子。二氧化鈦、氧化鋅和硫化鎘等半導(dǎo)體材料是常用的光催化劑。這一技術(shù)已在廢水處理、空氣凈化和自清潔表面等環(huán)保應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力，為解決環(huán)境污染問題提供了綠色解決方案。光催化有機(jī)合成可見光驅(qū)動(dòng)的光氧化還原催化是近年來有機(jī)合成領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。大衛(wèi)·麥克米倫和錢鵬飛等科學(xué)家的開創(chuàng)性工作，使溫和條件下的光催化有機(jī)轉(zhuǎn)化成為可能。這類反應(yīng)通常利用光敏劑(如釕或銥的多吡啶配合物)吸收可見光,生成電子轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)，催化各種有機(jī)轉(zhuǎn)化過程。這一策略為復(fù)雜分子合成提供了新思路，特別在藥物化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。綠色化學(xué)1工業(yè)實(shí)施綠色工藝規(guī)模化應(yīng)用2評(píng)估與優(yōu)化環(huán)境指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益平衡3綠色技術(shù)可持續(xù)合成方法與工藝4設(shè)計(jì)原則12項(xiàng)綠色化學(xué)原則指導(dǎo)5基礎(chǔ)理念預(yù)防污染勝于治理污染綠色化學(xué)是設(shè)計(jì)化學(xué)產(chǎn)品和過程以減少或消除有害物質(zhì)使用和產(chǎn)生的化學(xué)理念與實(shí)踐。這一概念由保羅·阿納斯塔斯和約翰·沃納于20世紀(jì)90年代提出，強(qiáng)調(diào)從源頭減少污染，而非事后處理，通過12項(xiàng)基本原則指導(dǎo)化學(xué)研究和生產(chǎn)活動(dòng)。隨著環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)和可持續(xù)發(fā)展理念的普及，綠色化學(xué)已從學(xué)術(shù)概念發(fā)展為指導(dǎo)化學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)型的重要原則。通過設(shè)計(jì)更安全的化學(xué)品、采用可再生原料、減少能源消耗和廢物產(chǎn)生，綠色化學(xué)不僅帶來環(huán)境效益，也通過提高資源利用效率創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了可行路徑。原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)1點(diǎn)擊化學(xué)巴里·沙普萊斯提出的點(diǎn)擊化學(xué)概念，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)高效、高選擇性且原子經(jīng)濟(jì)性好的化學(xué)反應(yīng)。銅催化的疊氮-炔環(huán)加成反應(yīng)(CuAAC)是點(diǎn)擊化學(xué)的代表性反應(yīng)，能夠在溫和條件下快速形成1,2,3-三唑環(huán)，幾乎無(wú)副產(chǎn)物。這類反應(yīng)在藥物化學(xué)、材料科學(xué)和生物共軛等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。沙普萊斯與卡爾·巴里·謝普利斯和莫頓·默達(dá)爾因點(diǎn)擊化學(xué)貢獻(xiàn)共享2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2多組分反應(yīng)多組分反應(yīng)是三個(gè)或更多反應(yīng)物在一鍋中反應(yīng)生成單一產(chǎn)物的過程，具有高原子利用率和步驟經(jīng)濟(jì)性。伊萬(wàn)·烏吉開創(chuàng)的Ugi四組分反應(yīng)和MarioPasserini開發(fā)的Passerini三組分反應(yīng)是典型例子，能夠高效構(gòu)建復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)。這類反應(yīng)特別適合于藥物和雜環(huán)化合物的合成，為化合物庫(kù)構(gòu)建和藥物篩選提供了高效工具。現(xiàn)代多組分反應(yīng)研究致力于發(fā)展不對(duì)稱版本和綠色催化系統(tǒng)，進(jìn)一步提高反應(yīng)的應(yīng)用價(jià)值。3催化偶聯(lián)反應(yīng)鈀催化偶聯(lián)反應(yīng)是形成碳-碳鍵的重要方法，包括鈴木-宮浦偶聯(lián)、根岸偶聯(lián)和黑川偶聯(lián)等。這類反應(yīng)具有溫和條件、高選擇性和廣泛底物適用性等優(yōu)點(diǎn)，幾乎沒有廢物產(chǎn)生。根岸英一、鈴木章和黑川英二因開發(fā)這類反應(yīng)共享2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)代催化偶聯(lián)研究致力于開發(fā)更高效的催化系統(tǒng)，如低載量鈀催化劑、非貴金屬催化劑和無(wú)配體系統(tǒng)等，進(jìn)一步提高反應(yīng)的綠色性和經(jīng)濟(jì)性。可再生資源利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生物質(zhì)是來源于植物、動(dòng)物和微生物的可再生有機(jī)材料，包括木質(zhì)纖維素、淀粉、油脂等。將這些資源轉(zhuǎn)化為燃料、化學(xué)品和材料是綠色化學(xué)的重要方向。詹姆斯·杜姆薩克和阿瑟·拉加利等科學(xué)家開發(fā)的生物質(zhì)精煉概念，類似于石油精煉，通過一系列物理、化學(xué)和生物過程，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為多種高價(jià)值產(chǎn)品。特別是木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為平臺(tái)化學(xué)品如呋喃二甲酸(FDCA)，為生物基聚合物提供了原料，展示了生物質(zhì)作為石油替代品的潛力。CO2資源化二氧化碳作為豐富的碳源，其資源化利用既有助于減緩溫室效應(yīng)，也為化學(xué)品和材料生產(chǎn)提供了新途徑。米歇爾·阿爾瑪?shù)隆嚏髂取た聽柲岬瓤茖W(xué)家在CO2催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。CO2可通過催化加氫轉(zhuǎn)化為甲醇、甲酸等基礎(chǔ)化學(xué)品，通過與環(huán)氧化物環(huán)加成合成碳酸酯，或通過電催化還原生成一氧化碳、烯烴等產(chǎn)物。這些技術(shù)為建立碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了科學(xué)基礎(chǔ)，有望實(shí)現(xiàn)CO2的規(guī)模化利用，將溫室氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r(jià)值的資源。太陽(yáng)能化學(xué)太陽(yáng)能化學(xué)致力于利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。人工光合成是這一領(lǐng)域的核心研究方向，旨在模仿自然光合作用，利用太陽(yáng)能將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锶剂虾突瘜W(xué)品。丹尼爾·諾塞拉、邁克爾·格雷策爾等科學(xué)家在光催化劑設(shè)計(jì)和光電化學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建方面取得了重要進(jìn)展。這一技術(shù)路線雖仍處于研究階段，但被視為未來實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵技術(shù)之一，有望為人類提供清潔、可持續(xù)的能源和化學(xué)品生產(chǎn)途徑。清潔溶劑離子液體離子液體是由有機(jī)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子組成的室溫熔融鹽，具有蒸氣壓極低、熱穩(wěn)定性好、溶解能力強(qiáng)等特點(diǎn)。肯尼斯·賽德爾和羅賓·羅杰斯等科學(xué)家的開創(chuàng)性工作，使離子液體從實(shí)驗(yàn)室材料發(fā)展為工業(yè)應(yīng)用的綠色溶劑。離子液體通過陰陽(yáng)離子設(shè)計(jì)，可調(diào)控其物理化學(xué)性質(zhì)，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供定制解決方案。這類溶劑在有機(jī)合成、催化、電化學(xué)和分離技術(shù)等領(lǐng)域已展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別是在纖維素等生物質(zhì)處理方面取得了重要突破。超臨界流體超臨界流體是溫度和壓力超過臨界點(diǎn)的物質(zhì)，兼具氣體的擴(kuò)散性和液體的溶解能力。超臨界二氧化碳(scCO2)因其無(wú)毒、不燃、豐富且易于回收等特點(diǎn)，成為最廣泛研究的綠色溶劑之一。馬丁洛·波蘭尼尼和埃里克·貝克曼等科學(xué)家在超臨界流體應(yīng)用方面做出了重要貢獻(xiàn)。目前scCO2已用于咖啡脫咖啡因、香料提取等工業(yè)過程，并在化學(xué)合成、材料加工和廢物處理等領(lǐng)域顯示出巨大潛力，為取代有害有機(jī)溶劑提供了可行選擇。水相反應(yīng)水作為最環(huán)保、最安全且最豐富的溶劑，在綠色化學(xué)中具有特殊地位。盡管傳統(tǒng)有機(jī)反應(yīng)通常避免在水中進(jìn)行，但沈偉等科學(xué)家的研究表明，許多有機(jī)反應(yīng)不僅可以在水中進(jìn)行，有時(shí)甚至能獲得更好的反應(yīng)效果。"水中有機(jī)化學(xué)"概念的提出，改變了傳統(tǒng)對(duì)水作為有機(jī)反應(yīng)溶劑的看法。特別是開發(fā)的水溶性配體和催化劑，使許多重要的有機(jī)轉(zhuǎn)化可以在水相中高效進(jìn)行，為綠色有機(jī)合成提供了新思路。環(huán)境友好催化劑1234無(wú)金屬催化碳材料、金屬自由分子催化劑以及純有機(jī)光催化劑等無(wú)金屬催化系統(tǒng)，避免了稀有金屬資源的消耗，減少了重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。大衛(wèi)·麥克米蘭和本杰明·李斯特開創(chuàng)的有機(jī)小分子催化領(lǐng)域，為不對(duì)稱合成提供了不含金屬的綠色催化系統(tǒng)，兩位科學(xué)家因此共享2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。可回收催化劑異相催化劑、磁性納米催化劑和可溶性支持催化劑等可回收催化系統(tǒng)，通過實(shí)現(xiàn)催化劑的有效回收和重復(fù)使用，提高了資源利用效率，減少了廢物產(chǎn)生。特別是負(fù)載型金屬催化劑，通過將金屬活性中心固定在固體載體上，兼具了均相催化的高活性和多相催化的易分離特性。生物催化劑酶催化劑因其高效率、高選擇性和環(huán)境友好特性，成為綠色化學(xué)的重要工具。通過蛋白質(zhì)工程方法對(duì)酶進(jìn)行改造，可以設(shè)計(jì)出更穩(wěn)定、更高效的生物催化劑。弗朗西絲·阿諾德開發(fā)的定向進(jìn)化技術(shù)，通過模擬自然選擇過程創(chuàng)造出具有新功能的酶，為綠色催化提供了全新思路。光催化系統(tǒng)光催化利用可再生的太陽(yáng)能或低能人工光源活化催化劑，在常溫常壓下促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，符合綠色化學(xué)的能源節(jié)約原則。二氧化鈦等半導(dǎo)體光催化劑和有機(jī)光敏劑在環(huán)境凈化、能源轉(zhuǎn)換和有機(jī)合成等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，展示了光催化在綠色化學(xué)中的獨(dú)特價(jià)值。計(jì)算化學(xué)分子模擬復(fù)雜系統(tǒng)行為預(yù)測(cè)1量子化學(xué)計(jì)算電子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機(jī)理2分子動(dòng)力學(xué)原子運(yùn)動(dòng)軌跡模擬3化學(xué)信息學(xué)數(shù)據(jù)挖掘與模式識(shí)別4人工智能應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助研究5計(jì)算化學(xué)是利用計(jì)算機(jī)模擬和預(yù)測(cè)化學(xué)系統(tǒng)的理論分支，連接了理論化學(xué)與實(shí)驗(yàn)化學(xué)。從早期簡(jiǎn)單分子的量子力學(xué)計(jì)算，到現(xiàn)代復(fù)雜生物大分子的模擬，計(jì)算化學(xué)的發(fā)展見證了理論方法和計(jì)算技術(shù)的雙重進(jìn)步。現(xiàn)代計(jì)算化學(xué)已成為化學(xué)研究的第三支柱，與實(shí)驗(yàn)和理論相輔相成。通過虛擬篩選減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，通過機(jī)理研究指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過預(yù)測(cè)物性輔助材料開發(fā)，計(jì)算化學(xué)為科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新提供了強(qiáng)大工具。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的提升和算法的改進(jìn)，計(jì)算化學(xué)能夠處理的系統(tǒng)規(guī)模和精度不斷提高，為解決化學(xué)、材料和生物學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜問題開辟了新途徑。分子模擬分子動(dòng)力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)(MD)是通過求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程模擬原子和分子隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算方法。這一技術(shù)由艾爾德·阿爾德和湯姆·沃德等科學(xué)家在20世紀(jì)50年代開創(chuàng)，如今已發(fā)展成為研究生物大分子構(gòu)象變化、藥物-受體相互作用和材料性能的強(qiáng)大工具。現(xiàn)代MD模擬能夠處理含數(shù)百萬(wàn)原子的系統(tǒng)，模擬時(shí)間尺度達(dá)到微秒甚至毫秒級(jí)別，為理解復(fù)雜生物過程如蛋白質(zhì)折疊、離子通道功能和膜轉(zhuǎn)運(yùn)等提供了分子視角。蒙特卡洛方法蒙特卡洛(MC)方法是基于隨機(jī)抽樣模擬系統(tǒng)行為的計(jì)算技術(shù)，由尼古拉斯·梅特羅波利斯和斯坦尼斯拉夫·烏拉姆等科學(xué)家在曼哈頓計(jì)劃期間開發(fā)。在化學(xué)中，MC方法廣泛用于研究分子系統(tǒng)的平衡性質(zhì)、相變行為和吸附過程等。特別是巨正則蒙特卡洛模擬，能夠有效研究流體在多孔材料中的吸附，為新型吸附劑和分離材料的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。MC方法與MD方法相比，更適合研究稀有事件和探索構(gòu)型空間。粗粒化模擬粗粒化模擬是將多個(gè)原子合并為一個(gè)相互作用單元的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，能夠模擬更大尺度和更長(zhǎng)時(shí)間的物理過程。馬蒂婭斯·德索爾諾、克里斯特·舍靈格等科學(xué)家在這一領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，開發(fā)了MARTINI力場(chǎng)等廣泛使用的粗粒化模型。這類方法特別適合研究生物膜、聚合物材料和納米顆粒等復(fù)雜體系，彌補(bǔ)了全原子模擬和連續(xù)介質(zhì)模型之間的尺度鴻溝，為多尺度模擬提供了重要工具。量子化學(xué)計(jì)算從頭計(jì)算從頭計(jì)算(abinitio)方法是基于量子力學(xué)基本原理，不依賴經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。約翰·波比發(fā)展的Hartree-Fock自洽場(chǎng)方法和后來的后Hartree-Fock方法如耦合簇理論，為精確計(jì)算分子性質(zhì)提供了理論框架。這類方法能夠準(zhǔn)確描述分子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)性質(zhì)、化學(xué)鍵特征和反應(yīng)機(jī)理，但計(jì)算成本隨系統(tǒng)大小快速增長(zhǎng)，通常限于中小分子系統(tǒng)。波比因在電子結(jié)構(gòu)理論方面的貢獻(xiàn)與沃爾特·科恩共享1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。密度泛函理論密度泛函理論(DFT)是一種通過電子密度而非波函數(shù)描述多電子系統(tǒng)的方法，由沃爾特·科恩和皮埃爾·霍恩伯格奠基，約翰·波比通過Kohn-Sham方程使其實(shí)用化。DFT方法計(jì)算效率高，能夠處理較大分子系統(tǒng)，已成為計(jì)算化學(xué)中應(yīng)用最廣泛的方法之一。特別是雜化泛函如B3LYP和范德瓦耳斯修正泛函，能夠較準(zhǔn)確描述分子間相互作用和化學(xué)反應(yīng)過程，廣泛用于材料設(shè)計(jì)、催化機(jī)理研究和藥物開發(fā)等領(lǐng)域。半經(jīng)驗(yàn)方法半經(jīng)驗(yàn)方法結(jié)合量子力學(xué)基本原理和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在保持一定計(jì)算精度的同時(shí)大幅降低計(jì)算成本。邁克爾·德瓦爾和約翰·波普爾等科學(xué)家開發(fā)的MNDO、AM1和PM3等方法，通過參數(shù)化簡(jiǎn)化計(jì)算過程，能夠處理含數(shù)百甚至數(shù)千原子的大分子系統(tǒng)。這類方法特別適用于有機(jī)分子性質(zhì)預(yù)測(cè)、大分子初步構(gòu)象搜索和反應(yīng)路徑粗略探索等應(yīng)用場(chǎng)景，為后續(xù)高精度計(jì)算提供初始結(jié)構(gòu)。波普爾因在量子化學(xué)計(jì)算方法開發(fā)方面的貢獻(xiàn)獲得1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的一半。化學(xué)信息學(xué)1分子對(duì)接分子對(duì)接是預(yù)測(cè)小分子如何與生物大分子結(jié)合的計(jì)算方法，廣泛應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)和篩選過程。伊列內(nèi)·孔門和安德魯·麥考利等科學(xué)家開發(fā)的早期對(duì)接程序，奠定了這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)。現(xiàn)代分子對(duì)接軟件如AutoDock、GOLD和Glide，能夠快速評(píng)估數(shù)以萬(wàn)計(jì)的候選分子與靶蛋白的結(jié)合模式和親和力，大幅提高了藥物發(fā)現(xiàn)的效率。這一技術(shù)結(jié)合虛擬篩選和分子動(dòng)力學(xué)模擬，已成為現(xiàn)代藥物開發(fā)不可或缺的工具，為靶向藥物設(shè)計(jì)提供了理性指導(dǎo)。2QSAR研究定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)研究通過統(tǒng)計(jì)方法建立分子結(jié)構(gòu)特征與生物活性或物理化學(xué)性質(zhì)之間的數(shù)學(xué)模型。科爾溫·漢施和托馬斯·福金等科學(xué)家在這一領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作，為理解分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系提供了系統(tǒng)方法。現(xiàn)代QSAR技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法如支持向量機(jī)、隨機(jī)森林和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，能夠處理大規(guī)模化合物數(shù)據(jù)集，預(yù)測(cè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。這一方法在藥物研發(fā)、農(nóng)藥設(shè)計(jì)和毒理學(xué)評(píng)估等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，有助于減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)和加速創(chuàng)新過程。3化學(xué)數(shù)據(jù)挖掘化學(xué)數(shù)據(jù)挖掘是從大規(guī)模化學(xué)數(shù)據(jù)中提取有用信息和知識(shí)的過程。隨著高通量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)領(lǐng)域已積累了海量數(shù)據(jù)。雷克斯·墨菲和安德魯·費(fèi)格森等科學(xué)家開發(fā)的化學(xué)信息學(xué)工具和方法，能夠從這些數(shù)據(jù)中識(shí)別模式、發(fā)現(xiàn)規(guī)律并預(yù)測(cè)趨勢(shì)。特別是化學(xué)空間導(dǎo)航和可視化技術(shù)，幫助科學(xué)家理解和探索化合物多樣性，為新材料和藥物的發(fā)現(xiàn)提供指導(dǎo)。近年來，人工智能技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)了化學(xué)數(shù)據(jù)挖掘的能力，為化學(xué)研究帶來了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新范式。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)自1901年設(shè)立以來，已表彰了近190位在化學(xué)領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。這一獎(jiǎng)項(xiàng)反映了化學(xué)科學(xué)的發(fā)展歷程和前沿突破，從早期對(duì)元素發(fā)現(xiàn)和基本化學(xué)定律的認(rèn)可，到現(xiàn)代對(duì)生命化學(xué)、材料科學(xué)和催化化學(xué)的關(guān)注。如圖表所示，物理化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的獲獎(jiǎng)人數(shù)最多，反映了這些領(lǐng)域在化學(xué)科學(xué)中的基礎(chǔ)地位。近年來，隨著化學(xué)與生命科學(xué)的交叉融合，生物化學(xué)領(lǐng)域的獲獎(jiǎng)比例顯著增加。同時(shí)，隨著儀器分析和計(jì)算方法的重要性提升，理論化學(xué)和分析化學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)也獲得了越來越多的認(rèn)可。這些趨勢(shì)反映了化學(xué)科學(xué)的多學(xué)科性質(zhì)和不斷拓展的研究邊界。早期諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（1901-1950）1范特霍夫：化學(xué)動(dòng)力學(xué)（1901）雅各布斯·范特霍夫因在化學(xué)動(dòng)力學(xué)和滲透壓研究方面的貢獻(xiàn)獲得首屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他提出了反應(yīng)速率與溫度關(guān)系的范特霍夫方程，奠定了化學(xué)動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。此外，他在溶液理論、立體化學(xué)和熱力學(xué)平衡方面的工作也具有開創(chuàng)性意義。范特霍夫的研究展示了將物理學(xué)原理應(yīng)用于化學(xué)問題的力量，標(biāo)志著物理化學(xué)作為獨(dú)立學(xué)科的確立。2居里夫人：放射性元素（1911）瑪麗·居里因發(fā)現(xiàn)鐳和釙兩種元素及研究放射性元素性質(zhì)而獲得1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)(此前她已與丈夫皮埃爾·居里和亨利·貝克勒爾共享1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。她開創(chuàng)了放射化學(xué)研究，是首位兩獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家，也是首位獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的女性。居里夫人的工作不僅豐富了元素周期表，也為理解原子結(jié)構(gòu)和核能應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。3哈伯：氨合成（1918）弗里茨·哈伯因開發(fā)氨合成工業(yè)方法而獲得1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。哈伯過程利用鐵催化劑在高溫高壓下將氮?dú)夂蜌錃庵苯雍铣砂保鉀Q了農(nóng)業(yè)中的氮肥問題，對(duì)全球糧食生產(chǎn)產(chǎn)生了革命性影響。這一過程至今仍是全球氮肥生產(chǎn)的主要方法，哈伯的工作展示了科學(xué)研究對(duì)解決實(shí)際問題的強(qiáng)大能力。4阿斯頓：同位素研究（1922）弗朗西斯·阿斯頓因發(fā)明質(zhì)譜儀和發(fā)現(xiàn)多種元素同位素而獲得1922年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他的質(zhì)譜技術(shù)能夠分離不同質(zhì)量的離子，證實(shí)了許多元素存在多種同位素，并精確測(cè)定了它們的質(zhì)量。這一工作為理解原子結(jié)構(gòu)和發(fā)展核物理學(xué)提供了重要工具，也為現(xiàn)代同位素地球化學(xué)和同位素示蹤技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。中期諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（1951-2000）1鮑林：化學(xué)鍵性質(zhì)（1954）萊納斯·鮑林因研究化學(xué)鍵本質(zhì)和復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)而獲得1954年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)(他后來還因反對(duì)核武器試驗(yàn)獲得1962年諾貝爾和平獎(jiǎng))。鮑林提出的共價(jià)鍵價(jià)鍵理論和電負(fù)性概念，徹底改變了科學(xué)家對(duì)化學(xué)鍵的理解。他關(guān)于蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的開創(chuàng)性工作，特別是α-螺旋和β-折疊模型的提出，為結(jié)構(gòu)生物學(xué)奠定了基礎(chǔ)。鮑林被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大的化學(xué)家之一，是少數(shù)獲得多項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。2費(fèi)雪：糖核酸結(jié)構(gòu)（1968）埃米爾·費(fèi)雪因?qū)μ穷惡秃怂峤Y(jié)構(gòu)研究的貢獻(xiàn)獲得1968年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。費(fèi)雪系統(tǒng)闡明了單糖的立體化學(xué)構(gòu)型，建立了D/L命名法，并確定了多種天然糖的絕對(duì)構(gòu)型。他對(duì)核酸組分研究的貢獻(xiàn)為后來DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。費(fèi)雪還提出了著名的"鎖鑰"模型解釋酶與底物的特異性作用，這一概念至今仍影響著生物化學(xué)研究。3多布森：臭氧層研究（1995）保羅·克魯岑、馬里奧·莫利納和謝伍德·羅蘭因研究大氣臭氧化學(xué)而共享1995年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們揭示了氯氟烴(CFCs)破壞臭氧層的機(jī)理，預(yù)測(cè)了大氣臭氧減少的危險(xiǎn)，直接促成了蒙特利爾議定書的簽署。這一工作不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，也對(duì)全球環(huán)境政策產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，是化學(xué)研究直接促成環(huán)境保護(hù)行動(dòng)的典范。它也標(biāo)志著諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)對(duì)環(huán)境化學(xué)研究的首次認(rèn)可。近期諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（2001-2020）野依良治：不對(duì)稱催化（2001）野依良治因開發(fā)手性催化劑用于不對(duì)稱氫化反應(yīng)獲得2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)(與威廉·諾爾斯和巴里·沙普萊斯共享)。他開發(fā)的BINAP-Ru配合物催化劑能夠在分子層面實(shí)現(xiàn)對(duì)手性的精確控制，這一技術(shù)使手性藥物和生物活性分子的合成變得更加高效。野依的貢獻(xiàn)不僅具有重要的科學(xué)意義，也為藥物工業(yè)提供了制備單一手性異構(gòu)體的強(qiáng)大工具，大幅提高了手性藥物的合成效率和純度。古德納夫：鋰離子電池（2019）約翰·古德納夫、M·斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰因開發(fā)鋰離子電池而共享2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。古德納夫發(fā)現(xiàn)了磷酸鐵鋰等正極材料，惠廷厄姆研究了二硫化鈦?zhàn)鳛樨?fù)極材料，而吉野彰則首次制造出商業(yè)可行的