化学的化学的若干若干前沿前沿领域领域和热点和热点问题问题陆文聪上海大学化学系1若干化学前沿领域n以可持续发展为目标的绿色化学n化学反应动态学和理论化学n在QSAR和QSPR基础上合成功能分子n生命化学n快速、超微量、在位、活体分析和检测手段n超分子化学和纳米化学2 若干化学热点问题若干化学热点问题n环境问题：治理空气污染（汽车尾气处理）、抑制全球变暖（二氧化碳的化学）n能源问题：燃料电池、氢能、太阳能n生活问题：塑料、药物、食品与营养3 若干化学相关若干化学相关前沿前沿课题课题n蛋白质的结构和功能问题n纳米材料化学问题n节能减排问题3.1 蛋白质的结构和功能问题蛋白质的结构和功能问题蛋白质的结构： 一级结构：构成蛋白质的单元氨基酸通过肽键连接形成的线性序列，为多肽链。 二级结构：一级结构中部分肽链的弯曲或折叠产生二级结构。多肽链的某些部分氨基酸残基周期性的空间排列。现已报道的蛋白质中二级结构共有四种: -螺旋，-折叠，-转角，无规卷曲。 三维结构：特有的空间结构，蛋白质的构象。3.1 蛋白质的结构和功能问题蛋白质的结构和功能问题蛋白质的功能 ：（1）结构蛋白质：角蛋白，胶原蛋白，弹性蛋白 （2）有生物活性的蛋白质：酶，激素，免疫球蛋白 （3）食品蛋白质：凡可供食用，易消化，无毒和可供人类利用的蛋白质实例：蛋白质结构类型的预测实例：蛋白质结构类型的预测蛋白质四种结构类型：all- all- / + 数据集和变量描述n训练集498个，作5份交叉验证 （5-CV）n测试集277个，检验模型的泛化能力n组成蛋白质多肽链的20 种基本氨基酸的含量n每个样本计算其氨基酸组分含量, 得到20 维的特征向量, 并对其进行归一化处理, 用此特征向量表征相应的样本DatasetAlgorithmRate of correct prediction for each classOverallRate ofCorrectPredictionall- all- / + Test setN=277 Component coupled 84.3%82.0%81.5%67.7%79.1%Neural networks68.6%85.2%86.4%56.9%74.7%SVMs74.3%82.0%87.7%72.3%79.4%AdaBoost87.14%95.08%98.77%81.54%90.97%5-CVN=498Component coupled 93.5%88.9%90.4%84.5%89.2%Neural networks86.0%96.0%88.2%86.0%89.2%SVMs88.8%95.2%96.3%91.5%93.2%AdaBoost algorithm96.26%92.06%98.53%89.92%94.18%结果和讨论 3.2 纳米材料化学问题纳米材料化学问题纳米氧化铝产业化的绿色化学问题：3.3 节能减排问题节能减排问题 在在“硬件硬件”（生产设备）一定的（生产设备）一定的条件下，能否通过改变条件下，能否通过改变“软件软件”（生产控制或操作条件）达到优化（生产控制或操作条件）达到优化生产（节能减排）的目的生产（节能减排）的目的？以合成氨生产为例说明这个问题。以合成氨生产为例说明这个问题。氨合成指合成氨原料气（氮氢混合氨合成指合成氨原料气（氮氢混合气）在高温、高压和催化剂存在下气）在高温、高压和催化剂存在下直接合成为氨的工艺过程。反应是直接合成为氨的工艺过程。反应是放热、缩小体积的可逆反应，温度、放热、缩小体积的可逆反应，温度、压力对此反应的化学平衡有影响。压力对此反应的化学平衡有影响。合成氨的化学反应合成氨的化学反应l压强大有利于反应，但太大的压强需要压强大有利于反应，但太大的压强需要的动力就大，对材料要求也会增高，这的动力就大，对材料要求也会增高，这就增加了生产成本。在实际生产中，压就增加了生产成本。在实际生产中，压力选用力选用30MPa 30MPa l氨的合成在较低温度下进行有利，但温氨的合成在较低温度下进行有利，但温度过低，反应速率会很小。度过低，反应速率会很小。l采用铁触媒（以铁为主，混合的催化剂）采用铁触媒（以铁为主，混合的催化剂），铁触媒在，铁触媒在500500C C时活性最大。时活性最大。 基于数据挖掘的优化系统基于数据挖掘的优化系统DMOSDMOS（Data Mining Optimized Data Mining Optimized SystemSystem） 直接利用生产数据建立优化目标直接利用生产数据建立优化目标（产品质量更好、生产效率更高、能量（产品质量更好、生产效率更高、能量消耗更低）与生产操作条件的关系模型，消耗更低）与生产操作条件的关系模型，进而设计进而设计和定制计算机软件系统，供用和定制计算机软件系统，供用户在线或离线进行生产优化操作指导，户在线或离线进行生产优化操作指导，从而达到优化从而达到优化生产的生产的目的。目的。节能减排节能减排的实现途径的实现途径DMOSDMOS优化控制系统软件结构优化控制系统软件结构数据采集建模与模型维护诊断与预测操作指导公用程序生产数据简易方法库数据库模型库实例：合成氨产量优化建模实例：合成氨产量优化建模总样本区优类样本约占总样本区优类样本约占49.45%49.45%，优类样本，优类样本区中优类样本约占区中优类样本约占95.38%95.38%。项目实施后的经济效益项目实施后的经济效益n合成氨增产效益：月平均增产合成氨增产效益：月平均增产1717.131717.13吨，月增产合成氨取得的利吨，月增产合成氨取得的利税值为税值为6868万元。万元。n降低消耗效益：每吨氨所耗新鲜气下降低消耗效益：每吨氨所耗新鲜气下降了降了4141立方米，电耗下降立方米，电耗下降76.1Kwh76.1Kwh，直接效益直接效益125.41125.41万元。万元。n岗位操作人员由岗位操作人员由8 8人减至人减至5 5人，节约人人，节约人工成本取得的效益为工成本取得的效益为0.600.60万元万元/ /月月 。n综合经济效益为综合经济效益为194.01194.01万元万元/ /月月 。展望展望随着现代科学技术的发展，化学的研究与应用领域也不断扩大，它不仅与化学化工直接衔接，而且实现与生命、医学、药物、能源、材料、环境、农学、信息等学科领域的交叉和渗透，化学前沿领域的不断发展和热点问题逐步解决必将进一步发挥化学基础学科对相关学科的支撑和促进作用。20Thank you绿色绿色化学化学（Green Chemistry）利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染；反应物的原子全部转化为期望的最终产物。绿色化学又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”，有关化学生产过程和终端均为零排放或零污染。这是未来化学发展的主要方向。反应动态学反应动态学反应动态学是研究在分子阶层、非常短时间内的过程。反应动态学的研究目的是在研究为什么化学反应会发生、如何去预测乃至控制一个基元反应的发生。实验研究通常需要与光谱学及量子化学理论计算配合才能有全盘的了解。理论化学理论化学理论化学是运用非实验的推算来解释或预测各种化学现象或化学性质。有关内容包括量子化学、计算（机）化学、分子模拟、分子动力学、分子力学等。QSAR（定量构效关系）（定量构效关系）定量构效关系(QSAR)就是有机小分子的生物活性与其理化性质参数或结构参数的定量关系，即以数学和统计学手段定量研究有机小分子的构效关系。这种方法广泛应用于药物、农药、化学毒剂等生物活性分子的合理设计。生命化学生命化学生命化学是运用化学原理和方法研究生命现象（亚细胞的结构和功能、物质代谢和能量变化），阐明生命现象的化学本质，探讨其发生和发展规律。美国医学家科恩伯格（诺贝尔奖得主）曾提出“把生命理解为化学”。北京大学校长的化学歌。北京大学校长周其凤的北京大学校长周其凤的化学歌化学歌化学是你，化学是我部分歌词：。父母生下的你我是化学过程的结果，你我的消化系统是化学过程的场所，记忆和思维活动要借化学过程。化学你原来如此神奇，难怪你不能不火。超分子化学超分子化学1987年诺贝尔化学奖授予了超分子化学研究方面的三位科学家（Pedersen、Cram、Lehn）超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。纳米化学纳米化学纳米化学（nanochemistry）主要研究原子以上、100nm以下的纳米世界中的各种化学问题的科学，是研究纳米体系的化学制备、化学性质及应用的科学。主要涉及胶体与界面化学、材料化学、催化化学、环境科学等领域。