【正文】 生 活 中 的 有 機(jī) 化 學(xué) 授課人：陳貽熾 材料學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系 參考書(shū)目 1. 王夔主編，生命科學(xué)中的化學(xué)問(wèn)題，北京大學(xué)出版社， 1990。 2. 曾昭瓊編，有機(jī)化學(xué)發(fā)展小史，高等教育出版社，1992。 3. 孫履厚主編，精細(xì)化工的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，中國(guó)石化出版社， 1996。 4. 劉國(guó)杰主編，特種功能性涂料，化學(xué)工業(yè)出版社，2023。 3. 孫履厚主編，精細(xì)化工新材料與技術(shù)，中國(guó)石化出版社， 1998。 1. 概述 有機(jī)化學(xué)是一門(mén)非常重要的科學(xué)，它和人類(lèi)生活有著極為密切的關(guān)系。人體本身的變化就是一連串非常復(fù)雜、彼此制約、彼此協(xié)調(diào)的有機(jī)物質(zhì)的變化過(guò)程，人們對(duì)有機(jī)物的認(rèn)識(shí)逐漸由淺入深，將它變成一門(mén)重要的科學(xué)。最初，有機(jī)物是指由動(dòng)植物有機(jī)體得到的物質(zhì)，例如糖、染料、酒和醋等。據(jù)我國(guó)【周禮】記載，當(dāng)時(shí)已設(shè)專(zhuān)官管理染色、釀酒、和制醋工作；周王時(shí)代已知用膠；漢朝時(shí)代發(fā)明了造紙，在【神農(nóng)本草經(jīng)】中記載有幾百種重要藥物，其中大部分是植物，這是世界上最早的一部藥書(shū)。人類(lèi)使用有機(jī)物雖有很長(zhǎng)的歷史，但這些物質(zhì)都是不純的，對(duì)于純物質(zhì)的認(rèn)識(shí)和獲取是較近代的事情。在 1769 － 1785年間，取得了許多有機(jī)酸，例如從葡糖汁中提取酒石酸，從檸檬汁中提取檸檬酸， 從尿中提取尿酸，從酸牛奶中提取乳酸。 1773年從尿中提取了尿素， 1805年從鴉片中提取了第一個(gè)生物堿 － 嗎啡。 雖然人們制備了不少純的有機(jī)物，但關(guān)于它們的內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題，卻長(zhǎng)期沒(méi)有得到解決。這是由于一種錯(cuò)誤的燃素學(xué)說(shuō)統(tǒng)治了當(dāng)時(shí)化學(xué)界的思想，任務(wù)燃燒的起因是由于物質(zhì)中含有一種不可捉摸的燃素引起的。拉瓦錫 (Lavoisier A)首次弄清了燃燒的概念(1772 1777)認(rèn)識(shí)到，燃燒時(shí)物質(zhì)和空氣中的一種物質(zhì) － 氧結(jié)合。他繼而研究了分析有機(jī)物的方法，將有機(jī)物放在一個(gè)用水銀密封的裝有氧或空氣的玻璃鐘罩內(nèi)進(jìn)行燃燒，發(fā)現(xiàn)所有的有機(jī)物燃燒后，都產(chǎn)生二氧化碳和水，它們必然都含有碳和氫。有些有機(jī)物在沒(méi)有空氣的情況下，也可進(jìn)行燃燒，而產(chǎn)物也是水和二氧化碳，所以，這些有機(jī)物含有碳、氫、氧； 有些有機(jī)物燃燒時(shí)還產(chǎn)生氮，所以那時(shí)認(rèn)為大部分有機(jī)物的組分是碳、氫、氧、氮等?；瘜W(xué)家柏則里 (Berzelius J)首先于 1806年引用了有機(jī)化學(xué)這個(gè)名字，以區(qū)別于其它礦物質(zhì)的化學(xué) － 無(wú)機(jī)化學(xué)。當(dāng)時(shí)將這兩門(mén)化學(xué)分開(kāi)的另一原因是那時(shí)已知的有機(jī)物都是從生物體內(nèi)分離出來(lái)的，還沒(méi)有從實(shí)驗(yàn)室中合成，因此，柏則里認(rèn)為有機(jī)物只能在的細(xì)胞中受一種特殊力量 － 生活力 － 的作用才會(huì)產(chǎn)生出來(lái)，人工合成是不可能的。 1828年魏勒 (W246。hler F)發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)物氰酸銨很容易轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩兀髞?lái)人工合成了更多有機(jī)物，如 1845年柯?tīng)柌?(Kolbe H)合成了醋酸， 1854年柏賽羅 (Berthelot M)合成了油脂等，“生活力”學(xué)說(shuō)才被徹底否定了。從此，有機(jī)化學(xué)進(jìn)入了合成的時(shí)代。 1850 － 1900年，成千上萬(wàn)的藥品、染料是從煤焦油中獲得的化合物為原料合成的。 長(zhǎng)期以來(lái)，人們從自然界索取原料，并不斷改進(jìn)加工手段，使生活水平隨之提高。自從有機(jī)化學(xué)成為一門(mén)科學(xué)以來(lái)，人們了解了分子的結(jié)構(gòu)、性能、合成出各種各樣有用的物質(zhì)，這種根據(jù)一定的結(jié)構(gòu)建立有機(jī)分子的手段稱(chēng)為有機(jī)合成。 人們今天的物質(zhì)生活中，幾乎離不開(kāi)有機(jī)物了。例如 100多年前，染料來(lái)自動(dòng)植物，自從發(fā)現(xiàn)煤焦油以后，在很短的時(shí)間內(nèi)合成出千百種鮮艷的產(chǎn)品代替了天然染料；目前新興的石油工業(yè)將來(lái)源豐富的石油轉(zhuǎn)化為眾多的化工材料和產(chǎn)品；絕大多數(shù)西藥是通過(guò)各種途徑合成的有機(jī)物；我國(guó)資源豐富的中草藥，長(zhǎng)期以來(lái)用于治療各種疾病，有機(jī)化學(xué)工作者通過(guò)提取、分離，搞清楚其有效充分， 以便達(dá)到更有效的合成目的；農(nóng)業(yè)上使用的肥料、植物生長(zhǎng)激素、除草劑、殺蟲(chóng)劑、昆蟲(chóng)信息激素等，都是合成的有機(jī)物；香料工業(yè)中很多合成香料已代替天然香料，還合成了很多種新型香料；感光材料如彩色膠卷中使用的染料，液晶顯示的材料都是有機(jī)物。本世紀(jì) 40年代新興的從簡(jiǎn)單有機(jī)物合成高分子化合物的技術(shù)，使人類(lèi)開(kāi)始進(jìn)入了征服材料的時(shí)代，目前世界上合成的高分子化合物如合成纖維已經(jīng)超過(guò)了天然生產(chǎn)的棉、毛、絲、麻，合成橡膠已超過(guò)天然橡膠，塑料制品到處可見(jiàn)。 人類(lèi)重要的食物如蛋白質(zhì)、淀粉是一類(lèi)天然的生物高分子，目前對(duì)這類(lèi)物質(zhì)的合成還無(wú)能為力。我國(guó) 1965年合成了一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量較小的蛋白質(zhì) － 胰島素，在人類(lèi)認(rèn)識(shí)生命的過(guò)程中起著很大的作用。因?yàn)槿梭w內(nèi)有多種蛋白質(zhì)和 其它生物分子控制著生命現(xiàn)象，例如遺傳、代謝等，胰島素的合成意味著人類(lèi)在對(duì)生命探索的長(zhǎng)途上邁開(kāi)了一小步。有機(jī)化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)等科學(xué)密切配合，預(yù)計(jì)將來(lái)在征服疾病如癌癥、精神病、控制遺傳、延長(zhǎng)人類(lèi)的壽命等方面起巨大作用。 2. 新興的精細(xì)化工工業(yè) 化學(xué)工業(yè)屬于材料工業(yè)。起初，人們將化工產(chǎn)品分為一般規(guī)格產(chǎn)品和特殊規(guī)格產(chǎn)品兩大類(lèi)。一般規(guī)格產(chǎn)品指通用材料，這類(lèi)材料品種不多，主要要求能夠大量而廉價(jià)地連續(xù)供應(yīng)，并且便于加工，只要質(zhì)量符合一般通用規(guī)格即可，并不強(qiáng)調(diào)具有特殊功能。特殊規(guī)格產(chǎn)品指適合專(zhuān)門(mén)用途的材料，這類(lèi)材料的品種越來(lái)越多， 雖然對(duì)單一品種的需求量不太大，但要求品種齊全，具有獨(dú)特的專(zhuān)門(mén)功能。通用材料提供的是物質(zhì)的數(shù)量，特殊材料主要提供的是物質(zhì)的功能。由于要達(dá)到質(zhì)量和性能特殊，必須經(jīng)過(guò)細(xì)致的加工，所以，日本將以功能為主的化工產(chǎn)品稱(chēng)為精細(xì)化學(xué)品，而歐美稱(chēng)它為專(zhuān)用化學(xué)品。我國(guó)參照日本的說(shuō)法，稱(chēng)之為精細(xì)化工產(chǎn)品。 社會(huì)對(duì)通用材料的需求是有限的。它的品種不多，檔產(chǎn)量達(dá)到一定的人均消費(fèi)水平以后，就不會(huì)有較大的增長(zhǎng)。可是社會(huì)對(duì)功能材料的需求是無(wú)限的。隨著社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的高檔化，通用材料已經(jīng)成為人們的最低需求，而功能材料則成為人們追求的重點(diǎn)，日益要求其品種的多樣化，功能理想化，質(zhì)量精細(xì)化，以適應(yīng)各方面的要求。 1980年代以來(lái)，世界上的化工發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛由重點(diǎn)發(fā)展基礎(chǔ)化工 轉(zhuǎn)向重點(diǎn)發(fā)展精細(xì)化工。一些原有的精細(xì)化工門(mén)類(lèi)開(kāi)始采用高新技術(shù)取得了新的突破，一些新興的精細(xì)化工門(mén)類(lèi)應(yīng)運(yùn)而生。 下面列出了精細(xì)化工門(mén)類(lèi)： ， ， ， 4.農(nóng)藥， ， ， ， 加劑， ， ， 子絮凝劑， ， ， ， 酸， ， ， ， 19.塑料增塑劑， ， ， ， 加劑， ， ， 用化學(xué)品， ， ， ， 料， ， ， ， ， ， 細(xì)陶瓷， ， ， ， ， ， 殺菌防霉劑， ， ， 49.電子工業(yè)用化學(xué)品。 這里介紹其中的兩大類(lèi)精細(xì)化學(xué)品：功能高分子材料和特種功能性涂料。 3. 功能高分子材料 概述 高分子材料可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是結(jié)構(gòu)材料，例如塑料、橡膠、纖維等，要求具有一定的物理機(jī)械性質(zhì)和較好的加工性能，主要用于制造構(gòu)件和日用品。另一類(lèi)是功能高分子材料，例如感光高分子、導(dǎo)電高分子、分離膜等，要求在一定條件下具有化學(xué)或物理的“功能”，主要用于高新技術(shù)領(lǐng)域。也有人將功能高分子稱(chēng)為精細(xì)高分子。 功能的基礎(chǔ)是物理性質(zhì)，高分子材料本身就具有一些特殊的物性。功能大體分為物理功能、化學(xué)功能和生體功能三類(lèi)。功能化的方法包括物理方法和化學(xué)方法兩種。例如，將材料加工成微球、多孔顆粒、超薄膜、空心纖維、和復(fù)合材料等都屬于物理方法；在分子中引入功能性基團(tuán)、進(jìn)行共聚以及合成超高分子量聚合物則屬于化學(xué)方法。實(shí)際 往往是二者并用。 最早的功能高分子是離子交換樹(shù)脂，出現(xiàn)于 1945年，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有功能高分子這個(gè)名稱(chēng)。以后經(jīng)過(guò) 50年的研究和開(kāi)發(fā)，到目前已經(jīng)工業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用的功能高分子有離子交換樹(shù)脂、螯合樹(shù)脂、氧化還原樹(shù)脂、感光樹(shù)脂、射線敏感樹(shù)脂、高分子固定化酶、可降解薄膜、介電高分子、壓電高分子、高分子吸附劑、高分子絮凝劑、高分子表面活性劑、高分子染料和顏料、高分子穩(wěn)定劑、高吸水性樹(shù)脂，以及部分醫(yī)用高分子、功能膜、功能電極等。但這些不過(guò)是已開(kāi)發(fā)的功能高分子的一部分，還有很多品種正在開(kāi)發(fā)中。 以化學(xué)功能為主的功能高分子 離子交換樹(shù)脂 離子交換樹(shù)脂是以三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子為基體，不溶于水和有機(jī)溶劑，而且有可進(jìn)行離子交換的官能團(tuán)的物質(zhì)。本來(lái)，離子交換現(xiàn)象普遍存在于土壤中。1850年人們第一次提出離子交換的概念，以后又發(fā)現(xiàn)天然的沸石和用硫酸處理過(guò)的煤 (磺化煤 )具有離子交換的能力。 1935年，用苯酚磺酸與甲醛縮合制備了碎片狀的離子交換樹(shù)脂，但很不實(shí)用。到 1945年美國(guó)通用電器公司的 D’ Alelio才發(fā)明了以苯乙烯和二乙烯基苯的球狀共聚物為基體的離子交換樹(shù)脂，成為當(dāng)今的主流。 如上所述，離子交換樹(shù)脂已有 50年以上的歷史，關(guān)于離子交換樹(shù)脂的資料已有很多，以下扼要介紹它的分類(lèi)和用途。 分類(lèi)：離子交換樹(shù)脂分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、陰離子交換樹(shù)脂 和特種離子交換樹(shù)脂。 用途： 鍋爐用水常用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂將水中的鈣、鎂離子交換掉，然后再讓水流過(guò)陰離子交換樹(shù)脂將陰離子交換掉。也有使用陰陽(yáng)離子混合交換柱的。經(jīng)多次處理后，