无机化学(案例版,第2版)(供药学类专业用)

**章 绪论 **节 无机化学的发展和研究内容 一、化学是研究物质物理与化学变化的科学 化学（chemistry）是自然科学的一个分支，它是研究物质及其变化规律的一门科学。 物质可分为实物和场。实物包括宏观物质和微观物质两类，宏观物质是指肉眼可看到的物质或物体，如课本、书桌、太阳等；微观物质一般是指肉眼不能直接看到的物质，如分子、原子、电子等。场是物质存在的另一种基本形式，包括一切形式的能量。场虽然是无形的，但可以在一定条件下转化为有形物质，同时可在实物间或实物与非实物间互相传递和相互作用，例如，光可以在实物与非实物间传递，也可在实物与实物间传递；又如，物质燃烧可从有形的物质转化为无形的热。 每种物质都有其特定的结构和性质，而且可以发生变化。 （1）1941年，美国科学家Anderson（安德森）用中子轰击Hg得到了Au，其变化式为: 又如核反应： （2）氢气与氧气反应生成水，其反应式为: 2H2（g）+ O2（g）2H2O（l） 上述两类反应均发生了物质变化和生成了新物质，均属化学变化，但它们有本质区别。前者原子核发生了变化，而后者原子核没有发生变化。 化学变化具有以下三个特征： （1）发生了质的变化。在化学变化中，不同分子中的原子重新组合——生成新物质，同时也是旧化学键断裂和新化学键生成的过程。例如，氢气与氧气反应生成了新物质水。 （2）遵循质量守恒定律。即化学变化前后所有元素的原子核总数、核外电子数总数和总电荷数相等。如: （3）遵循“能量守恒定律”（热力学**定律）。化学变化伴随着能量的变化，但反应过程中系统和环境的能量总和保持不变。例如，上述氢气与氧气反应生成水，破坏氢气和氧气分子中的化学键需要从环境中吸收285.8 kJ mol-1的能量，而生成水分子形成新的化学键则向环境释放285.8 kJ mol-1的能量。 因此，化学是在原子、分子、离子层面上研究物质的组成、结构、性质和它们之间的关系，是研究一种物质变为另一种物质的条件、方法及变化规律的科学。 化学是一门中心科学，其与许多其他科学领域紧密相关，这些领域包括：药学、生物学（生命科学）、环境科学、电子学、计算机科学、工程学、地质学、物理学、冶金学等。在这些相关的领域中，化学均发挥了十分重要的作用。化学家的任务是研究物质的变化规律，以此规律为原则研究和创新供人类衣、食、住、行的各种新方法和新型材料，如保证粮食供应和提高产量的新方法——制造农药和化肥用于农作物，又如制造新药，保障人类的健康等。 化学传统上分为无机化学、有机化学、物理化学和分析化学四个分支。随着科学的不断发展，化学与各种学科如天文学、物理学、数学、生物学、医学、地质学等学科交叉融合，又形成了许多新的交叉学科，如高分子化学、核放射性化学、生物化学、药物化学、地球化学、环境化学、天体化学与宇宙化学、计算化学以及化学信息学等。 二、无机化学的发展过程和研究内容 无机化学（inorganic chemistry）是化学中*古老的分支学科之一。在人类历史早期，由于受当时生存条件和生产力水平的限制，化学研究多以实用为目的，它研究的对象主要为矿物等自然界的无机物。因此，早期的化学发展史几乎是无机化学的发展史。 原始人类已经知晓自然界存在的无机物的一些显著特性并加以利用，进行了制陶、炼铜、冶铁等与无机化学相关的活动。随着陶瓷器、铜器、铁器、食盐、焰硝、石灰、红矾、黄矾等几十种无机物生产过程的发展，人类已掌握了很多无机化学的知识和技术。 古代的炼丹术是希望将丹砂（硫化汞）之类的药剂变成黄金，并炼制出长生不老之丹的方术。炼丹家关于无机物变化的知识主要来自于实验，他们设计发明了加热锅、熔化炉、蒸馏器、研磨器、过滤装置等实验用具。他们所追求的目标虽荒诞，但所用的操作方法和积累的实践经验，却成为化学科学发展的基础。 近代无机化学的建立标志着近代化学的创始。1661年，英国化学家R.Boyle（波义耳）阐述了元素和化合物的区别，首次提出元素是一种不能再分解的简单物质，这些新概念和新观点，对近代化学的发展做出了重大贡献。1789年，法国化学家A.L.Lavoisier（拉瓦锡）推翻了燃素学说，创立氧化说以解释燃烧等实验现象，从实验的角度验证并总结了质量守恒定律，使化学从定性转为定量，为近代化学奠定了基础。1803年，英国化学家J.Dalton（道尔顿）提出原子学说，认为化学元素由不可分的微粒原子构成，同种元素的原子性质和质量均相同，不同元素原子的性质和质量各不相同，不同元素化合时，原子以简单整数比结合，推导并用实验证明倍比定律。原子学说提出后，化学不再以实用为目的，而被确定为科学。 随后无机化学家发现了多种新元素，到19世纪30年代，新元素已达60多种。俄国化学家D.I.Mendeleev（门捷列夫）研究了这些元素的性质，发现其性质随元素原子量的增加呈周期性变化，并于1869年提出了元素周期律。元素周期律揭示了化学元素隐含于自然系统的分类，对元素及化合物性质的系统研究起了指导作用，成为现代无机化学的基础。此后，无机化学的研究重点转移到无机化合物的提取、制备、化学性质及应用等方面。 20世纪50年代开始，随着原子能、电子工业和计算机行业的崛起，无机化学研究进入了一个崭新的时代。在发现许多新型结构化合物的同时，建立了相关的新概念、新方法、新理论和新领域。至此，一个比较完整的、具有雄厚实验和理论基础的现代无机化学新体系得以形成。 现代无机化学的研究内容极其广泛，它包括所有元素及其化合物（包括无机与有机结合的生物无机化合物）的组成、结构、性质和变化规律，其中结构表征、化学反应的热力学和动力学参数等方面的测定与分析，已融合了众多的现代物理实验方法及理论。 现代无机化学始于一些新理论的建立和新物理方法的发现，例如，量子力学的产生和原子结构理论的形成、化合物的价键理论和分子轨道理论的建立及配合物的晶体场理论等都是现代无机化学的理论基础。运用现代物理实验方法，如X射线、中子衍射、电子衍射、磁共振、光谱、质谱、色谱等，使无机物的研究由宏观深入到微观，同时进入到宏观与微观之间的介观——纳米，将物质的宏观性质与其微观结构相联系。 到了21世纪，无机化学得到了更深入、更全面的发展。此时的无机化学构筑了微观分子与宏观物质之间的多层次的桥梁和通道，打通了微观、介观、宏观的通道，将无机材料研究与物理学相结合，使芯片制作与电子元器件研究达到了前所未有的应用前景与发展速度。在超分子或泛分子的水平上，构筑起分子、液体以及生命体液之间多层次结构的桥梁和通道。为此，我国著名的无机化学家徐光宪将21世纪的化学发展趋势概括为“五多”，即多学科交叉、多层次研究、多尺度探索、多整合发展和多方法协作攻关。 今天，随着现代化学内容的拓宽和与其他学科的更深融合，产生了更多分支，如配位化学、现代无机合成、生物无机化学、原子簇化学、固体无机化学、无机材料化学、稀土化学、同位素化学等。其中无机材料化学、生物无机化学、有机金属化学已经成为无机化学*活跃的一些领域，而物理无机化学、无机高分子化学、地球化学、宇宙化学、稀有元素化学等新型边缘学科也都生机勃勃。 第二节 无机化学与药学 无机化学与药学关系密切，早在公元前2000~3000年，古埃及和中国已开始将无机化合物作为药物使用，如铜和金等金属经常被使用。我国明代李时珍著的《本草纲目》收载的药物有1892种，其中矿物类药达222种。矿物药是中药的重要组成部分，其主要成分是天然或人工合成的无机物及金属单质。如轻粉（氯化亚汞）、砒霜（三氧化二砷）、炉甘石（碳酸锌）、绿矾（氯化亚铁）、食盐（氯化钠）、朴硝（硫酸钠）、石膏（硫酸钙）等，这些物质作为药物一直沿用至今。2015年版《中华人民共和国药典》（以下简称《药典》）收载的无机药物就达四十多种。 近代医药学上用于临床的*具代表性的无机药物是具有抗肿瘤作用的铂配合物以及用于抗风湿性关节炎的金化合物。其中顺式二氯二氨合铂（Ⅱ）（简称顺铂），自20世纪60年代发现、70年代用于临床以来，已有了第二代的卡铂、第三代的奥沙利铂等一系列铂的配合物用于肿瘤治疗和研究。另外金化合物在我国古代就已经开始使用，一般作为关节炎的治疗药，目前广泛应用于治疗风湿性关节炎的是金的硫醇类化合物和含磷的金化合物。除此之外，金的化合物还被用于治疗结核病。例如，20世纪初合成的二氰合金配合物K\[Au（CN）2\]，近年来又发现其具有抗肿瘤和抗艾滋病活性。另外，一些非铂类配合物的抗肿瘤药是目前临床上治疗生殖泌尿系统及头颈部、食管、结肠等部位癌症的有效抗癌广谱药，如含铋化合物作为治疗胃溃疡的药物已经在临床上使用多年。 除了治疗性药物的研究以外，放射造影诊断药物的研究是另一个发展比较成熟且意义重大的分支。自Paul Lauterbur（保罗 劳特布尔）首次实现磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）以来，这种先进的影像诊断技术在医学领域得到迅速发展和广泛应用，各种磁共振造影剂成为人们研究的热点。磁共振造影剂分为顺磁性造影剂、铁磁性造影剂和超顺磁性造影剂三类，其中临床应用较多的是顺磁性造影剂钆喷酸葡胺，但它在体内的分布没有特异性，且消除太快，随后又开发出超顺磁性造影剂氧化铁。 无机化学是药学类专业课程中的**门化学基础课，它既和中学化学相连，又为后续其他化学和药学课程学习打下基础，承前启后，对实现药学专业的培养目标起着至关重要的作用，也是今后从事药学专业工作所必须掌握的课程。无论在理论课学习还是实验室工作或生产实践中，均应用到许多无机化学的知识与理论规律，下面举两个例子说明。 案例1-1 2001年12月14日，在某医院内科病房，护士给一患者静脉滴注阿莫西林钠克拉维酸钾后，接着滴注乳酸环丙沙星氯化钠注射液，当两种药物在输液器混合接触后，出现大量微黄色的针状结晶沉淀，而输液瓶中的剩余乳酸环丙沙星注射液仍澄清。经实验测定：阿莫西林钠克拉维酸钾注射液的pH为8.76，当pH降至6.59时产生浑浊，pH低于4.13即有微黄色的针状结晶析出。因此，阿莫西林钠克拉维酸钾注射液与pH较低的药物乳酸环丙沙星（pH 3.5~4.5）、庆大霉素（pH 4.0~6.0）配伍时即出现沉淀。滴加NaOH试液后，溶液变为澄清。 问题： 1.如何划分药物的酸碱性？ 2.如何测定或计算溶液的pH？ 3.物质在溶液中形成沉淀，或沉淀的溶解与什么因素有关？如何控制？ 案例1-2 在维生素C注射液的制备实验中，首先在配制容器中加处方量80%的注射用水，通CO2至饱和，加维生素C 104 g溶解后，分次缓缓加入NaHCO3 49.0 g，搅拌使完全溶解，加入预先配制好的含依地酸二钠（EDTA二钠盐）0.05 g和Na2SO3 2.0 g的水溶液，搅拌均匀，调节药液pH在6.0~6.2，添加CO2饱和的注射用水至1000 mL，用垂熔玻璃漏斗与膜滤器过滤，溶液中通CO2，并在CO2气流下灌封，*后于100℃流通蒸汽15 min灭菌。 问题： 1.在制备维生素 C注射液时，为什么要加入较大量的NaHCO3？ 2.加入依地酸二钠和Na2SO3的作用是什么？ 3.在制备的整个过程中，为什么要通入CO2？ 无机化学中的很多基本理论和基础知识与药学的理论、实验以及生产密切相关。例如，利用元素的原子结构理论与分子结构理论推测物质的分子结构、理化性质和生物活性，这是现代药物分子设计的基本方法之一。又如，研究药物在胃液中的存在状态与胃液中各种因素的关系时，常配制人工胃液进行模拟实验，固定或改变人工