化学动力学简史与诺贝尔化学奖 5页

一、化学动力学简史与诺贝尔化学奖1850威廉米(LudwigFerdinandWilhelmy,1812-1864,德国物理学家)研究在酸性条件下蔗糖分解（水解为D-(+)-果糖和D-(-)-果糖）的反应速率，发现反应速率正比于蔗糖和酸的浓度。1864古德博格(CatoMaximillianGuldberg,1836-1902,挪威数学家，理论化学家)和瓦格(PeterWaage,1833-1900，挪威化学家)给出“质量作用定律”的公式。按照这个公式，反应“推动力”正比于反应物浓度的乘积：K=[R]r[S]s/([A]a[B]b)其中，a,b,r,s分别为化学反应A+B=R+S的整比系数。因此，前向反应速率正比于[A]a[B]b，而后向反应速率整比于[R]r[S]s。1865Harcourt和Esson(英)分析了H2O2和HI、KMnO4和(COOH)2的反应。他们写出了相应的微分方程，通过积分得到浓度-时间关系。他们也提出了反应速率与温度的关系式k=ATC1884范特霍夫(JacobusHenricusvan’tHoff,1852-1911,荷兰物理化学家。提出碳原子价键的空间结构学说；提出稀溶液理论。)的《化学动力学研究》（“StudiesofChemicalDynamics”，“Étudesdedynamiquechimique”）出版。在这本书中，van’tHoff推广和继续发展了Wilhelmy,Harcourt和Esson 的工作。特别是，他引入了微分解析方法。他也分析了平衡常数以及正向、反向反应速度与温度的依赖关系。（平衡常数与温度的关系现在称为van’tHoff方程）。van’tHoff由于对化学动力学和溶液渗透压的首创性研究而荣获了1901年的首届诺贝尔化学奖1887奥斯特瓦尔德(WilhelmOstwald,1853-1932,生于拉脱维亚的德国化学家，唯能论者。发现电解质解离的稀化定律。长期反对原子论，但终于公开认输。)在他的著作《LehrbuchderallgemeinenChemie》的引入“反应级数”和“半衰期”的概念。1909年，Ostwald因研究催化和化学平衡、反应速率的基本原理而荣获诺贝尔化学奖，并被人们誉为“物理化学之父”。1889阿伦尼乌斯(SvanteAugustArrhenius,1859-1927,瑞典化学家，物理学家。建立电解质电离的理论。)进一步分析了反应速率对温度的依赖关系，k=Aexp(-B/T)，并提出一个“能垒”解释；这个方程后来被称为Arrhenius方程。1903年，Arrhenius因提出电离学说获得了第3届诺贝尔化学奖。在20世纪，化学动力学理论有了显著的发展（从“第一原理”确定速率常数和反应级数）。但是，目前还不能预测实际化学过程的动力学参数。1913Chapman(英)创立、Bodenstein(德)发展了链反应中的稳态近似理论。按照这个理论，中间产物的速率变化可以忽略不计。1917Trautz(德)和Lewis(英)分别独立发现反应速率取决于分子碰撞频率。现在，被称为化学反应动力学的“碰撞理论”。 1920s朗格缪尔(IrvingLangmuir,1881-1957,美国化学家。提出气体在固体表面上的吸附理论。)研究了表面反应动力学，得到被后人命名为“Langmuir等温线”的基本理论。后来，Hinshelwood（英）进一步发展了这个理论，成为多相催化反应的“Langmuir-Hinshelwood机理”。1934赖斯(Rice，美国)和赫兹菲尔德(Herzfeld,美国)证明：与自由基有关的链式反应（用稳态近似求得浓度）是引起有机化合物热分解反应（例如，乙烷和乙醛）反应级数变化的主要原因。1935艾林(Eyring,美国)发展了一个统计处理方法，称为“绝对反应速率理论”或“过渡态理论”。按照这个理论，化学反应有两个步骤：(a)反应物平衡转化为“活化复合物”(b)上述复合物的分解（有限速率步骤）。1950sEigen创建了化学弛豫方法。该方法极大地提高了测量化学反应时间的分辨率，可以对反应时间仅为10-8s的快速反应进行研究，成为液相快速反应动力学研究的有效方法。Norrish和Porter则发展了闪光光解法，使寿命短至μs量级的激发态中间物种也能被发现。现在弛豫法和闪光光解法已成为测定快速反应的有效手段，为反应机理的研究提供了有效的研究方法。Eigen、Norrish和Porter也因通过极短能量脉冲导致平衡移动来研究快速的化学反应而获得了1967年度的诺贝尔化学奖。1960sHerschbach和李远哲等人实现了在单次碰撞下研究单个分子间发生的反应机理的设想，使化学家有可能在电子、原子、分子和量子层次上研究化学反应所出现的各种动态，以探究化学反应和化学相互作用的微观机理和作用机制，揭示化学反应的基本规律（分子反应动力学的核心所在） 。Polanyi则开创了红外化学发光的研究。1986年，Herschbach、李远哲和Polanyi因对化学基元过程动力学的贡献¨而分享了诺贝尔化学奖。这也标志着国际学术界对此领域的重视以及对1955～1986年期间取得成就的肯定，是分子反应动力学发展的又一重要里程碑。1970s基于快速激光脉冲的飞秒光谱技术发展十分迅速，时间标度达到了飞秒数量级。随之发展起来的飞秒化学(Femtochemistry)有着极其重要的理论意义和研究价值。Zewail从20世纪80年代开始，利用超短激光创立了飞秒化学，从而使人们对过渡态的研究有了可靠的手段。Zewail也因用飞秒化学研究化学反应的过渡态而获得了1999年度的诺贝尔化学奖。二、化学动力学与治疗药物监测药物是治疗疾病的主要手段之一，药物进入生物体内通过调整失调的内源性活性物质或生理生化过程，杀灭抑制病原体达到治疗疾病的目的。显然，治疗药物在作用部位的浓度或质量不足或过多便会起不到治疗作用或产生新的不良作用，甚至引起药源性疾病乃至危及生命。因此20世纪60年代治疗药物监测（therapeuticdrugmonitoring.TDM）作为一门新兴的学科得以诞生和发展。TDM的主要任务是通过灵敏可靠的检测方法，获得病人血液或其它生物材料中药物的浓度，获取有关药动学参数，利用动力学的相关理论，指导临床合理用药方案的制定和调整，并对药物中毒进行诊断和治疗，从而使药物治疗具有有效性和安全性。目前TDM在欧美发达国家已成为临床化学实验室的主要常规工作之一。药物代谢动力学研究为TDM提供了基础，以药物代谢的消除动力学模型为例予以说明。消除动力学（eliminationkinetics）研究体内药物浓度变化速率的规律，可用下列微分方程表示：dc/dt＝-kcn　　式中c为药物浓度，t为时间，k为消除速率常数，n代表消除动力学级数。当n ＝1时即为一级消除动力学，n＝0时则为零级消除动力学。药物消除动力学模型即指这两种。1、一级消除动力学一级消除动力学（firstordereliminationkinetics）的表达式为：dc/dt＝-kc积分得ct＝c0e-kt　　由上指数方程可知，一级消除动力学的最主要特点是药物浓度按恒定的比值减少，即恒比消除。2、零级消除动力学零级消除动力学（zeroordereliminationkinetics）时，由于n＝0，因此其微分表达式为：dc/dt＝-k积分得ct＝c0-kt由此可知，零级消除动力学的最基本特点为药物浓度按恒量减少，即恒量消除。必须指出，药物并不是固定按一级或零级动力学消除。任何药物当其在体内量较少，未达到机体最大消除能力时（主要是未超出催化生物转化的酶的饱和限时），都将按一级动力学方式消除；而当其量超过机体最大消除能力时，将只能按最大消除能力这一恒量进行消除，变为零级消除动力学方式，即出现消除动力学模型转换。苯妥英钠、阿司匹林、氨茶碱等常用药，在治疗血药浓度范围内就存在这种消除动力学模型转移，在TDM工作中尤应注意。从药物代谢的消除动力学模型研究可以看到：化学动力学为TDM的开展提供了必备的基础理论，为临床合理用药提供了保障。