中国的近代化学在明末清初由欧洲传入,而明显的发展则始于1920年代,特别是1932年中国化学会成立以后。中国现代化学的迅速发展则是建国以后的事情了。
发展历程
建国以来,我国化学的发展大致可以分为四个阶段:第一阶段是建国初期到1955年的创建时期;第二阶段为1956年到1966年;第三阶段为1966年到1976年;第四阶段从1970年代后期至今,这是我国化学研究全面恢复和发展的时期,并从1990年代开始逐渐与世界前沿化学研究接轨。
创建时期;1949年一1955年
1949年,新成立的中科院的21个研究所中,有物理化学研究所(上海)和有机化学研究所(上海)两个化学方面的研究所。物理化学研究所由原中研院化学研究所物理化学、无机化学、工业化学部门组成;有机化学研究所由原北平研究院化学研究所、中研化学研究所有机化学部门、中研药物研究所筹备处、北研药物研究所组成。
1950年,在接收日伪研究所的基础上,成立东北科学研究所(长春)及大连分所,分别成为长春应化所和大连化物所的基础。
1956年,中科院化学类研究所已有四个,分别是上海有机所、大连化物所、长春应化所和北京化学所。当时高等院校也有一支研究力量。在中国化学会主办的<化学学报>上,1954年一1957年共发表论文215篇,其中高等学校的就有104篇,可见其实力之一斑。
这一时期。在有机化学方面主要利用我国生物资源开展天然产物化学(尤其是中草药)的研究,合成抗生素类药物和甾体激素;物理化学方面开展了量子化学、晶体化学、热化学、胶体化学等方面的研究。无机合成工作则以工业生产为先导,1953年对候德榜改进的制碱法进行了生产设计,1964年开始推广。除了制酸、氯碱和肥料工业获得大规模发展之外,我国已能对六十多种元素的各种化合物进行不同规模的生产,品种近400种,产品总量达五百余万吨。有些重要无机化合物,如过氧化物和超氧化物,不仅已满足国内需要,还远销国外。
分析化学工作者在着重建立和改进经典分析方法——化学分析的同时。开始发展仪器分析方法,白手起家建成了包括无机、微量有机的定性定量分析在内的相当完整的科研体系。同位素质谱也在这时建立起来,在中科院高能所、化学所、北京大学等单位的共同努力下,解决了硼(中子计数)、锂(氢弹材料之一)、铀(原子裂变材料)同位素分析中的难题。
一些新的学科从无到有建立起来了,高分子科学就是一个代表。1952年,国家交给上海有机所两项任务:聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)与聚己内酰胺(卡普纶,今名锦纶)的试制与工业化。这两项都属于高分子化学,成为中国早期的高分子工业。1953年,中科院成立全国性的高分子化合物委员会,负责规划、安排、协调全国高分子科研和生产工作,并于1954年召开全国第一次高分子学术会议,宣读论文30余篇。
中国的元素有机化学主要由中科院、中国医学科学院和各高等院校在1950年代才建立和发展起来的。当时,元素有机化学主要在三个方面做了工作。一是结合消灭血吸虫病的任务,制备锑有机化合物。1950年一1957年间,先后应用酒石酸锑钾治疗血吸虫病患者76万人,治愈率达90%;应用葡萄糖酸锑钠治疗黑热病患者60万人,永久治愈率达97.4%。为了减低锑制剂的毒性,又合成了一系列新的锑有机化合物。二是结合农业药剂研究有机磷化合物。三是开展了有机硅单体及聚合物等材料的研究。
据统计,到1955年,在专门的化学类学术刊物上发表的论文中,有机化学、药物化学占48.5%,物理化学占14.2%,分析化学占20.9%,生物化学占13.4%,而无机化学仅占3%。这些数据反映了当时中国的化学研究在不同领域内大致的发展状况。
第二阶段:1956年一1966年
中国第一个科学技术发展规划——《1956年至1967年科学技术发展远景规划》,对我国化学的发展起了极大的推动作用。这一时期,中科院又新建了一批新的化学类研究所,如广州化学所、成都有机所、兰州化学所、化工冶金所、福建物构所、山西煤炭化学所、新疆化学所、青海盐湖所、上海硅酸盐所等。重视基础研究与完成国家急需的重大应用任务相结合,是这一时期我国化学发展的一个重要特点。
这一时期,加强了高分子学科的建设。钱人元主持开展了高分子分子量测定和溶液性质研究。1958年中国科学技术大学在世界上率先建立了高分子科学系(下设高分子物理和高分子化学两个专业),对推动我国的高分子科学事业的发展起到了重要的作用。1960年中科院化学所组建了我国第一个高分子物理研究室,同时长春应化所开展合成橡胶的结构表征和加工等研究。由此形成了我国早期高分子科学研究和人才培养基地,也为我国高分子工业的初创和发展作出了重要贡献。
第三阶段:1966年一1976年
随着工农业生产的发展,环境保护问题日趋尖锐。为此,中科院成立了环境化学所(现改名为生态环境研究中心)。另外,鉴于国防建设及感光工业的需要,中科院于1975年成立了感光化学所。1966年开始了“文化大革命”,科学技术事业受到严重摧残,到1975年基础理论研究几乎全部停止,研究人员流散各地。
尽管如此,仍有一部分化学工作者在坚持科学研究,利用有限的条件做一点力所能及的工作。卢嘉锡、蔡启瑞一直在做生物固氮模型,酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成的工作在国际生物有机化学界产生了影响。聚丙烯纤维、封装材料等方面研究工作取得一系列较有影响的成果。而1970年代初丁烯氧化脱氢制丁二烯以及与之配套的顺丁橡胶生产工艺,是我国独立自主进行化工过程开发应用的一个典范,对我国的化工生产和材料合成有着深远的意义。
第四阶段:1976年一
1978年,全国科学大会的召开,成为“科学的春天”到来的标志,但是,国内的科学研究已封闭了10年之久,对国际化学发展状况所知甚少,研究方法仍沿袭传统,各分支学科均陆续进入了一个调整期。
1983年国家编制了《1986年至2000年中国科学技术发展长远规划》,化学科学的基础性研究工作有了新的部署,如开展金属有机化学、物理有机化学、络合物化学、静态与动态结构化学、分子反应动力学、表面化学(特别是固体表面化学)、光化学(包括非线性激光化学)、与发展各种新材料有关的高分子化学与物理、以及无机固体化学等方面的基础研究工作,以填补过去的空白。
这一时期,在有机化学方面,青蒿素、美登素等复杂分子的全合成工作是比较突出的,三尖杉酯碱的合成也做出了成绩;在元素有机和金属有机方面的研究已初具规模,如有机氟化学、脱卤亚磺化反应、有机磷化学、有机磷萃取剂P一507等。
在物理化学中,天花粉的三维结构、胰蛋白酶及抑制剂结构、固体表面盐类及氧化物单层分散等研究均达到了国际先进水平。配体场理论方法研究和分子轨道理论研究及其应用,在国际上已被称为中国学派。在高分子固化理论和标度研究、原子簇成键规则、原子价新概念、稀土化合物电子结构和化学键理论、分子激发态光谱、价键理论新方法、多体理论中的孪函数和辛群方法等方面的研究成果也达到了国际先进水平。催化研究的实验手段接近国际水平,在多种类型催化剂研制和催化剂基础研究方面有较好基础,部分工作引起国际同行的关注。
分子反应动力学、激光化学等新兴学科得以开展。一系列化学激光器的研制成功、激光分离同位素的研究成果,都是中国激光化学发展的重要标志。与此同时,接近国际水平成为我国分析化学工作者的奋斗目标。中科院化学所早在1980年就已开始毛细管电泳研究,和国际同步。此技术在生命科学研究及现代医药研制和生产中具有重要作用。吉林大学开展的流动注射分析,一直居国际前沿水平。我国的扫描探针显微术等研究,在国际上占有相当地位。此外我国色谱学研究、电分析化学在国际上也享有声誉。
经过几十年的发展,我国化学学科的门类已经建立齐全,其中二级学科有物理化学、无机化学、有机化学、高分子化学、分析化学、化学工程学、环境化学等,此外还有生物化学、感光化学、冶金化学、农业化学等相关学科,更有60多个三级基础学科。
我国的化学研究,已从不可控的碰撞反应扩展到定向、可控和高选择性的反应或分子剪裁;研究的对象,已从简单体系扩展到复杂体系,从无机扩展到有机和生命系统,从晶态扩展到非晶态,从正常态扩展到临界和超临界态;研究的化学过程,已从平衡态逐步转向非平衡态,从慢反应发展到快和超快(如飞秒)过程;研究的尺度,已向下延伸至单分子和单原子,向上延伸至介观(纳米尺度)离子和分子、原子聚集体;研究的视界,已从国内扩大到国际,从点扩大到面;研究的指导策略,不仅兼顾了短期和学科自身的利益,而且逐渐重视长远的影响和国家利益。
目前,我国共有250多个化学院系,有各类化学研究机构近千个,包括国家重点实验室19个,部门开放实验室23个以及省市实验室16个,这些实验室大都配备有先进的科学仪器装备。我国出版的中英文专业化学期刊已超过30种。
1997年SCI收入论文数前20名的单位中,有八个为化学研究机构。国际发表论文被引用最多的前五个单位中,有三个单位属化学专业。由此可见我国化学的面貌。
我国的化学与国际相比既有领先,又有差距;其贡献既显著又不全尽如人意。一方面,中国化学的迅速发展,为我国自主工业的建立,包括引进技术的吸收和消化,提供了基础条件;另一方面,中国化学研究水平与国际的差距、与国家需求的差距,制约了国家许多方面的发展。
重要成就
50年来,经过科技人员的艰辛努力,中国化学在基础研究、应用研究和开发工作的各个方面都取得了一系列有自己特色的研究成果。据统计,截止到1997年,化学在国家自然科学奖中共获奖84项,占总数的13.9%,近年所占比例又有上升趋势。
基础研究
50年来,我国化学学科在基础研究方面取得了一系列重要的研究成果,先后获得国家自然科学奖一等奖四项、二等奖29项、三等奖36项、四等奖l5项。下面就主要获奖项目作一简单回顾和介绍。
(1)人工全合成牛胰岛素研究
1965年,我国的科学工作者经过六年多坚持不懈的努力,获得了人工全合成的牛胰岛素结晶。这是世界上第一种人工合成的蛋白质。此后,又合成了许多有实际应用价值的多肽激素,同时进行了更大蛋白质分子的人工合成。胰岛素人工合成的成功,为我国蛋白质的基础研究和实际应用开辟了广阔的前景。该成果获1982年国家自然科学奖一等奖。
(2)配体场理论研究
配体场理论、分子轨道理论、价键理论构成了研究分子结构的理论基础。吉林大学唐敖庆教授等人克服了不少概念上和数学上的困难,使配体场理论系统化、标准化,更便于广泛地实际应用,对配体场理论研究作出了显著的贡献。该成果获1982年国家自然科学奖一等奖。
(3)分子轨道图形理论方法及其应用
唐敖庆与江元生经系统研究,提出和发展了一系列新的数学技巧和模型方法,使这一量子化学形式体系,不论是就计算结果的解释还是就有关实验现象的解释,均可表述为分子图形的推理形式,概括性高,含义直观,简单易行,深化了化学拓扑规律的认识。该成果获1987年国家自然科学奖一等奖。
(4)酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成
核糖核酸的合成难度很大,王德宝及其协作者经过13年的不懈努力,制备了所有11种核苷酸(或核苷,包括四种普通核苷酸和七种稀有核苷酸),近10种核酸工具酶,以及各种化学试剂,终于在1981年实现了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成,这是世界上首次人工合成核糖核酸。
这项研究还带动了核酸类试剂和工具酶的研究,带动了多种核酸类药物,包括抗肿瘤药物、抗病毒药物的研制。该成果获1987年国家自然科学奖一等奖。
应用基础研究及开发研究
(1)为农业生产服务
1966年,中科院大连化物所与化学工业部合作,研制成功了用于合成氨的原料气净化新流程的脱硫、水煤气低温交换和甲烷化三种催化剂,使中国的合成氨工业迅速提高到1960年代国际水平。至1982年,全国已在14个省、市的19家合成氨厂推广使用。该项成果被誉为中国合成氨工业的一场革命。
在尿素研究方面,1985年研制开发了DH除氢催化剂。其性能优于进口催化剂,形成了催化剂生产的整套技术。
研制并推广了一批新型高效低毒农药,其中具有抑制害虫功效的甲壳质酶和含氟农药等均已大面积推广使用。另外,如杀虫剂,植物生长激素,水稻、棉花主要害虫性引诱剂的合成和应用,光可控分解塑料地膜,高效吸水剂的研制和使用,也都促进了农业的发展。同时,我国化学家研制成功的气调储藏设备——氮气发生器和布基硅橡胶气调保鲜膜等保鲜方法,也已大量用于粮食和多种水果、蔬菜的保鲜。
(2)为能源工业做出贡献
1950年代,中科院研制出一批用于石油炼制、天然气和煤的利用等方面的催化剂,缓解了能源紧张、尤其是液体燃料严重不足的问题。
为提高我国石油的开采率,大庆石油管理局开发了能使大庆油田长期高产稳产的注水开发技术,该技术曾获1985年国家科技进步奖特等奖。
为提高煤的利用率,成功地开发出由煤制取液体燃料的技术。中科院还开发了用于实现高效燃烧和脱硫目的的快速床燃煤技术。
(3)为自然资源开发和环境保护做出贡献
我国于1952年开始稀土分离化学研究,中科院长春应化所相继建立了一系列稀土生产流程,北京大学提出了串级萃取理论等。
系统研究了白云鄂博含氟铁矿冶炼过程中的物理化学问题,为冶炼这类世界上独特的矿石,设计合理的冶炼规程提供了科学依据。
建立了盐和卤水的全分析方法,得出盐湖水化学类型的分布,又解决了制取钾盐过程中一系列关键技术问题,使之成为目前我国大规模制取钾盐的主要工业路线。经过大量研究,还提出了提取硼酸和氯化钾的新工艺,对盐湖中存在大量镁盐的利用也逐步开拓了各种新的途径。
完成了“京津渤区域环境综合研究”和“京津地区生态特征和污染防治研究”等课题,揭示了污染规律并寻找到合理开发这些地区的方案。对于我国西南地区酸雨污染问题也进行了系统考察研究,提出了防治工业酸雨的对策,为该地区建设规划的制定提供了科学依据。在锁“黄龙”的研究中,开发出以活性碳为担体,以碘为活性组分的催化剂,对工业废气中SO2进行吸附转化,较有效地抑制了有害气体对环境的污染。
(4)为医疗卫生事业做出贡献
在天然产物有机化学方面,利用丰富的自然资源,结合历史悠久的传统医药,在甾体、萜类、生物碱及海洋天然产物各个分支都取得有影响的成果并推动了药物研究的发展。1950年代初对抗生素药物的研究与开发,结束了我国不能自己生产青霉素、链霉素之类的抗生素药物的历史。
在医药工作者的合作下,成功地开发了甾族口服避孕药物;此外,中国独创的甲地孕酮已投入生产,并投放市场使用至今。
全氟碳代血液是近年研究成功的一种具有输氧功能的人工血液,已成功地用于临床病例和战地救护,这在医学上具有极为重要的意义。
(5)为材料工业的发展做出了突出贡献
在各方努力下,开发完成了合成顺丁橡胶和正丁烷氧化脱氢制丁二烯两项成果的工业生产工艺,1970年代初实现了工业生产。先后建成六座万吨级丁二烯生产装置和五套万吨级顺丁橡胶工业生产装置,年产十多万吨合成橡胶。由周望岳等完成的这些成果曾获得1985年国家科技进步奖特等奖。我国还开展了用稀土催化剂制顺丁橡胶的研究,并取得了中试结果。
在1960年代初开展了丙烯定向聚合研究,1970年代初研制了丙烯聚合的高效络合催化剂。1980年代研究出的担载型高效催化剂,具有寿命长、聚合物等规度达98%、聚合物形态规整、粒度分布窄等特点。开发出降温母粒法,大大降低了纺丝温度,获得最佳纺丝效果,从而大幅度提高了丙纶织物的防老性能、染色性能。此项技术为世界首创,曾获1989年国家科技进步奖一等奖,已在全国六十多个厂家使用,创利税三亿多元,并多次荣获国际发明奖。
研制开发了在国民经济中有重大用途的聚四氟乙烯塑料、氟橡胶、有机硅树脂和耐油氟硅橡胶、弹性聚氨酯灌浆材料等。1958年研制成功尼龙1010,1961年实现工业化。1950年代自行研制开发生产出了锦纶;1960年代生产棉型维尼龙;1970年代随着我国石油化工的发展,合成纤维工业蓬勃发展起来。1980年代实现了丙纶低温纺丝。细旦超细旦纤维实现了工业化,化学合成纤维更趋于实用。
晶体的合成和生长在旧中国是空白领域,目前我国在各种晶体生长方法和技术上已达到国际水平。新型闪烁晶体锗酸铋单晶(BGO)、低温相硼酸钡晶体(BBO)以及新开发的三硼酸锂单晶(LBO)的生长居国际先进水平。
我国化学工作者在纳米材料和高温超导材料等领域也都有很出色的工作。
(6)解决国防建设中的部分关键问题
从1950年代开始,我国决定自行研制“两弹一星”,各有关化学研究所积极承接了许多有关的科研课题,为火箭、导弹和人造卫星等国防建设做出了重大贡献。
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