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第11楼2005/11/06
4 21世纪化学的四大难题（中长期）
科学研究始于提出问题。 科学问题的提出、确认和解决是科学发展的动力。20世纪最伟大的数学家Hilbert 在1900年提出23个数学难题。每一个难题的解决，就诞生一位世界著名的数学家。现在2000年世界数学家协会提出七大数学难题，筹集了700万美元，悬赏100万美元给每一个难题的解决者。
21世纪物理学的难题：(1) 四个作用力场的统一问题，相对论和量子力学的统一问题。(2) 对称性破缺问题。(3) 占宇宙总质量90%的暗物质是什么的问题。(4) 黑洞和类星体问题。(5) 夸克禁闭问题等。
21世纪生物学的重大难题是后基因组学、蛋白质组学、脑科学、生命起源等。
2000年中国科学院化学部和国家自然科学基金委员会化学部组织编写了《展望21世纪的化学》［7］，对20世纪化学的成就作了很好的总结，对21世纪近期（10-20年）化学的发展提出很好的展望。最近MIT化学系主任S.Lippard教授在广泛征求美国化学同行的基础上提出基础化学的22个新前沿领域［8］。
由此可见，中外化学家都在展望21世纪化学的发展，但似乎还没有提出化学应在21世纪解决的重大难题。 这样与物理学和生物学相比，就会显得化学没有什么伟大的目标了。这是近年来在世界范围内出现的淡化化学的思潮的主观原因之一。那么化学果真提不出重大难题吗？下面不揣冒昧，试对这一问题，作一初步探讨，希望大家指正。如能抛砖引玉，引起大家的讨论，然后由中国化学会组织化学界来共同讨论21世纪化学的难题，这对21世纪化学的发展十分有利。
其具体内容如前述!
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第12楼2005/11/06
5. 21世纪化学的11个突破口（10-20年）
5.1 新的合成方法学
例如(1)组合化学。(2)手性合成。(3)分子反应器控制的合成。(4) 自复制和自组装合成。(5)定向合成。(6)掌握零维笼状和杯状、一维通道、二维层间、三维网络空腔结构的合成方法，并通过化学、电场或磁场的作用，使囚禁在里面的客体分子被释放或取代出来。
5.2 纳米化学、纳米材料和分子器件，纳米表面化学、高效 纳米催化剂设计合成及应用。
5.3 稀土化学特别是有我国知识产权的新型稀土功能材料［9］。
5.4 能源科学中的化学问题
例如：（1）各种高效换能器(Transducer)，特别是太阳能电池。（2）燃料电池。（3）氢能利用问题。（4）各种再生能源。
5.5 生命和医药科学中的化学问题
例如：
（1）把中国名医的处方和人体的生理病理状态作为两个复杂体系来研究它们之间的 相互作用和 药效。
（2）用组合化学的方法来筛选特效中药，并使中药现代化。
（3）药物设计、合成和开发应用。
（4）生物材料（Biomaterials）和人工器官的合成。
（5）配合物小分子作为Key和DNA大分子作为Lock的相互作用。
（6）了解神经细胞和生理调控的化学机理
（7）糖化学。
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第13楼2005/11/06
5.6 生态环境科学中的化学问题
例如：
（1）环境元素的循环。
（2）有害化学物质的控制和治理。
（3）以“原子经济”和“零排放”为目标的绿色化学和化工。
（4）生态环境化学。
5.7 信息科学中的化学问题
例如：
（1）高效的光纤通信材料，特别是可使激光得到增益的稀土铒羼杂Si基1.54微米材料。
（2）高效的光贮存材料。
（3）分子芯片。
（4）分子计算机。
5.8 分析化学的十化
5.9 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。
5.10 理论化学和计算化学的基础及应用研究
5.11 化学信息学
20世纪的化学积累了巨量的实验材料和信息，21世纪的化学信息学将建立各种化学信息库，然后分析信息的内涵，总结出规律，最大限度地挖掘、开发和应用信息宝库，使它们作为实验归纳法和理论演绎法的桥梁，推动化学和化工学科的发展，为国民经济服务。
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第14楼2005/11/06
6. 20世纪化学的盲点
20世纪的化学得到前所未有的迅猛发展。但迅猛发展的化学正和急速向前推进的胜利部队一样，常常会在后方留下一些照顾不到的空白点，例如：
6.1 无机化学中共价概念被忽视
原子价是化学中最重要的概念之一，也是总结大量分子必须考虑的性质之一。但令人惊奇的是，迄今还没有一个大家公认的定义。原子价可分为共价、电价、氧化态(oxidation state)、配位数、超价(supervalence)等。关于共价现在大家采用的是鲍林提出的定义：一个原子的共价是指它在分子中和其它原子形成的共价键数。鲍林的定义在有机化学中非常成功，但在无机化学中遇到困难，例如如何决定CO、NO、N2O、NO2、HNO3、O3、 BeCl2、Al2Cl6、Ni(CO)4、Cp2ZrCl2、Cr(C6H6)2等分子中的C、N、O、Be、Al、Ni、Zr、Cr的共价。在后面5个分子中，通常我们说Be是2价，Al是3价，Ni是0价，Zr是4价，Cr是0价。但这是指它们的氧化态。它们的共价等于多少？这个问题常常被忽略不提。为此我们提出共价键的新定义：一个原子的共价是指它在形成分子时，从其它原子接受的共享电子数。按照这个物理概念，给出量子化学定义进行量子化学计算，得到在上述分子中原子的共 价为：C=4，N=3，O=2，Be=6、Ni=8，Zr=12，Cr=12［10，11］。 关于配位数也没有明确的定义。例如F.A.Cotton［12］:，认为Ti在Cp2TiCl2 中的配位数=4［12］，即Cp提供的配位数是1。这样在Cr(C6H6)2, Cr(C6H6)(CO)3, Cr(CO)6三个分子中Cr的配位数分别等于2，4，6。我们建议把配位数定义为：中心原子周围的成键电子对数。这样在上述三个分子中Cr的配位数都等于6。在Cp2TiCl2中Ti的配位数等于8［13］。
6.2 化学文献和数据的积累非常迅速，但利用这一文献宝库来总结规律的工作相对滞后
从科学发展史看，科学数据的大量积累，往往导致重大科学规律的发现。如17世纪的天文学积累了几百颗天体运动的数据，对它们的分析导致开普勒提出天体运动的三大定律，为牛顿建立他的经典力学体系奠定基础。19世纪60年代的化学积累了数十种元素和上万种化合物的数据，门捷列夫把这些元素按原子量的大小次序排列，发现它们的化合物的性质有周期性变化，因而在1869年提出元素周期律，为以后发现新元素和玻耳建立原子模型指明了方向。20世纪30年代，积累了100多万种化合物的数据，结合量子化学的发展，导致鲍林提出共价、电价和氧化值的定义，以及σ键、π键、杂化轨道、电负性、共振结构等新概念，总结出化学键理论，发表《论化学键本质》这本经典著作，对20世纪化学的发展起了非常重要的作用。现在截止1999年12月31日，美国化学文摘登记的分子、化合物和物相的数目已超过2340万种，比鲍林总结化学键理论时扩大了10余倍，但全世界的化学家似乎还没有充分利用这一化学文选宝库来总结规律。这是世纪之交的难得机遇，不可交臂失之。
6.3 分子周期律
为了与数以千万计的分子打交道，我们建议在原子和分子之间引入分子片和结构单元两个层次。分子片这一名词是由霍夫曼（R.Hoffmann)在他的“等瓣性原理”中首先提到的。分子片Mj是由一个中心原子Ak与若干个配体Lm组成,其中k和m分别为中心原子A的价电子数和配体的总价电子数。分子片M的价电子数j=k+m。分子片价数等于它的价轨道中的空位数。
分子结构类型的数字化表征。我们建议用N,B,σ,π四个数字来表征，N是它所含的分子片数，B是分子片之间的共价键数，其中含有σ个σ键和π个π键［在少数分子中还包含δ键和三中心二电子键等］。例如苯分子C6H6的N,B,σ,π=6,9,6,3。Dewar苯的N,B,σ,π=6,9,7,2。Benzavalene的N,B,σ,π=6,9,8,1。Prismane的N,B,σ,π=6,9,9,0。如以N,B为坐标可以绘出分子的结构类型表。
以上举出化学在跨向21世纪时落在后面的一些盲点，而展现在它前面的亮点，如四大难题，11个突破口，则因研究对象、内容和方法的丰富多采，更是琳琅满目。希望有更多的青年学子来耕耘这片肥沃的土地。化学不是夕阳科学,决不会在物理学和生物学的夹缝中消亡。人类需要化学来创造更多、更好新物质、新材料。这是任何别的科学不能代替的。
参考文献(略)
