统计热力学及其应用1

1、统计热力学及其应用（设计）（本科）学 院 化学化工学院 专 业 化 学 年 级 2010 级 2 班 姓 名 葛西杰 论文题目 统计热力学及其应用 指导教师 胡付欣 职称 教授 成 绩 2014 年 1 月 6 日学号：20105051207 0统计热力学及其应用姓名：葛西杰 学号：20105051207化学化工学院 化学专业引言1 统计热力学的研究对象和方法热力学是以大量分子的集合体作为研究对象，以由大量实验为依据归纳出的热力学三定律为基础，利用热力学数据，通过严密的逻辑推理，进而讨论平衡系统的各宏观性质之间的相互关系及其变化规律，揭示变化过程的方向和限度。从热力学所得到的结论对宏观平衡系统具有高度的普适性和可靠性，这已被大量的实践经验所证明。由于热力学处理问题时不考虑物质的微观结构，它的正确性不受人们对物质微观结构的认识知识所影响，这就给人们处理宏观平衡系统带来很大的便利，这是它的优点，但同时也是它的缺点所在。任何物质的各种宏观性质都是微观粒子运动的客观反映，人们不会满足于热力学对平衡系统各种宏观性质的经验性描述，而是希望从物质的微观结构出发来了解其各种宏观性质。这是热力学所不能解

2、决的，而统计热力学在这点上弥补了热力学的不足。 统计力学是统计物理学的一个分支，发展于 19 世纪中期，计算机科学的发展极大地促进了统计力学的发展。统计力学的研究对象是大量分子的集合体，其目的是从微观粒子所遵循的量子规律出发，用统计平均的方法推断出宏观物质的各种性质之间的联系。统计力学现在已发展成为一门独立的学科，它是沟通宏观学科和微观学科的桥梁。在物理化学中，应用统计力学方法研究平衡系统的热力学性质，就形成统计热力学。与热力学一样，其研究对象也是大量分子的集合体，但它们研究方法不同，统计热力学是微观理论，而热力学是宏观理论。 统计力学的研究方法是微观的方法，它是根据统计单元的力学性质(如速率、动量、位置、振动、转动等)，用统计的方法来推求系统的热力学性质(如压力、热容、熵等热力学函数) 。19 世纪末期，玻耳兹曼运用经典力学处理微观粒子的运动，创立了经典统计热力学；1900 年普朗克提出量子论，引入能量量子化概念，麦克斯韦(Maxwell)将能量量子化概念引入统计热力学，对经典统计进行某些修正，发展成初1期的量子统计麦克斯韦一玻耳兹曼统计；1924 年以后，诞生了量子力学，统计力学的

3、基础和方法也相应得到发展，又出现了一些新的统计方法，如玻色一爱因斯坦(Bose Enstein)统计、费米一狄拉克(FeHlliDirac) 统计。2 统计体系的分类热力学按照系统与环境相互关系的不同，对系统进行分类，这种分类方法显然不适合于统计热力学，因为统计热力学要从物质的微观结构出发来研究宏观性质。这就要求必须将宏观系统看做一个力学的粒子系统来处理，这里粒子指分子、原子、离子等微观粒子。因此统计热力学将引入不同的系统分类方法。按照粒子问是否可以分辨(或区分)把系统分为定域子系统(或称定位系统、可别粒子系统)和离域子系统(或称非定位系统、等同粒子系统)。前者的粒子可以彼此区分，这里彼此区分有两种含义：一是指粒子本身属性不同，可以区分。二是粒子本身属性并无差异，但空间位置可以区分。例如，原子晶体，由于每个原子都是固定在一定的晶格位置上振动。尽管原子之间属性并无差异，但是我们可以想像给每个不同位置的原子进行编号以便区分，所以原子晶体属于典型的定域子系统。后者的粒子不能区分，粒子本身属性无异，位置也不可区分。例如，理想气体，由于气体分子运动的波粒二象性，我们不能在特定时刻确定每个气体分子

4、的空间位置，无法对它们进行位置编号加以区分，因此理想气体是典型的离域子系统。按照粒子之问有无相互作用，又可把系统分为独立粒子系统和非独立粒子系统(或称相依粒子系统)。前者粒之间的相互作用非常弱，可以忽略不计，如理想气体，其中的分子是一个个独立的个体，分子间的相互作用势净 0，系统总能量 U 是各个粒子的能量之和。依据几个经验定律，通过逻辑推理的方法导出平衡系统的宏观性质和变化规律。特点：其结论有高度的可靠性，且不依赖人们对微观结构的认识。(知其然不知2其所以然这正是热力学的优点，也是其局限性) 统计热力学研究方法: (统计平均的方法)从分析微观粒子的运动状态入手，用统计平均的方法，确立微观粒子的运动状态和宏观性质之间的联系。统计热力学是沟通宏观学科和微观学科的桥梁。2.1 天然产物的概述自然界的植物和真菌经过长期的生物进化，产生了极为特异的生物合成网路次生代谢，并由此造就了琳琅满目异彩纷呈的小分子天然产物。这些天然化合物作为生态系统的化学语言，往往只存在于某些特定的生物类群，从而赋予该物种特有的化学标识。另一方面，天然产物的药用和保健特性对人类健康需求至关重要。 围绕“植物次生代谢产物

5、的生物学意义”研究方向，我们主要运用生化与分子生物学、功能基因组学、天然产物化学等学科知识与实验技术，进行天然产物的生物合成研究，一方面针对植物化学国家重点实验室发现的具有显著活性的天然化合物，解析其合成代谢途径及调控机制；另一方面发现新酶催化并探测其生物催化应用潜力。2.2 天然产物的应用天然产物（Natural products）主要指植物的活性成分，也可以说中草药（植物药）的活性成分。在我国，使用中草药的历史已有几千年，中草药不仅是中华民族文化的结晶，同时也对中华民族健康与国家的繁荣昌盛作出不可磨灭的贡献。目前我国可用于中草药的植物超过 11100 种，已广泛地用于医疗、公众营养食品和保健食品，同时在功能化妆品和日用化学制品，如牙膏、色素、墨水等也得到了广泛的应用。 天然产物是中草药的主要有效成分，主要包括配糖体的苷类与皂苷（包括三萜和甾醇类皂苷）类；还有苯丙素与黄酮类、醌类、木脂素与鞣质、低萜类及生物碱类等；其中黄酮类、醌类、香豆素、木脂素和低萜类等与糖结合，往往以苷类形式存在。2.3 天然产物的研究与发展多年来 天然产物在有机合成的结构理论和分子的发展方面、在为新的合成方法和

6、战略目标的探索、以及在研制新的重要仪器等方面都起着重要作用。目前天然产物的这种作用在继续扩大。因为在医学中广泛使用的解除人的病疼和治疗病的大部分药物都是天然的。其中包括吗啡、毒霉素、头孢菌素、红霉素和四环素等。32.4 天然产物的合成天然产物合成开始于 1828 年武勒合成尿素，而乙酸(Kolbe，1845)、葡萄糖(埃米尔。费歇尔，1890)、薄荷醇(Kompa，1903；Perkin，1904)、口terpineol(Perkin，1904)、托品酮(罗宾逊，1917)、血红素(汉斯费-12和 Doering，1944)都是继尿素合成之后的一个又一个合成化学的里程碑。第二次世界大战后，由于伍德沃德的杰出贡献和电子理论、有机反应机理、构象分析、分析和色谱技术、晶体和波谱学方法的发展，促使天然产物合成蓬勃发展。许多复杂分子的结构不断被测定与合成，全合成取得巨大发展。在这个领域中公认的里程碑式的研究有如士的宁(伍德沃德，1954)、利血平(伍德沃德，1956)、青霉素(伍德沃德，1960)等。有关天然产物生物合成的考虑本身就是对合成理论和结构机理的重要贡献。只是人最近才有可能把这些原始的

7、生物合成观点付诸实验。以便对大量的生物合成途径的概况有更合理的了解。最近分子生物学的发展特别是重组 DNA 技术的应用，在天然产物生物合成领域里必将出现新的技术飞跃。从而有可能对生物合成途径本身进行操纵。3 生物转化在合成天然产物中的应用以植物细胞培养、微生物和游离酶为生物催化剂的生物转化技术，广泛用于天然产物的合成和对先导化合物的结构改造，其反应包括水解、羟化、糖基化、酯化等多种类型，在生物转化体系的筛选、转化条件的优化、转化率的提高及酶的分离纯化方面取得了一些进展。这对于增加天然产物结构多样性，寻找药物先导化合物、促进珍稀物种资源可持续利用、提高生产效率、降低成本等多个环节均有广泛的应用价值。大多数天然产物，特别是生物碱类药物，都具有极为复杂的环状结构，其理化性质和生理活性都与其分子的复杂立体构型相关，尤其是生理活性对结翟构要求很严格，要涉及光学异构体。因此，应用通常的化学方法进行人工合成植或结构修饰改造都是比较困难的。药用植物细胞及其酶不仅具有将廉价、丰富蕴瓤。的外源底物转化成稀缺、昂贵产物的潜能，而且具有催化化学方法难以进行的型登一些立体选择性和区域选择性反应的能力，并能产生一

8、些新物质。例如，日本古屋城市大学药学院和日本国立卫生科学研究所的研究人员发现，玫瑰长春璺花的细胞悬浮培养4可以将外源供应的姜黄素转化为一系列在自然界中未见的葡糖苷，而且还指出葡糖基化的效率取决于细胞的培养期。此外，在加入姜黄素之前，将培养基中的蔗糖浓度提高到 8，以及在培养中加入茉莉酮酸甲酯或水杨酸，也可以提高葡糖基化的效率。生物转化的重要应用价值主要体现在药物合成上，目前已有大量有关萜类、类固醇、酚类、生物碱及其他产物的生物转化的报道。例如，在金鸡纳的毛状根转化系统中，将外源底物色氨酸转化为奎宁；在人参的毛状根转化系统中，将氢醌转化为熊果苷；固定化的毛地黄细胞成功地将 G 一甲基毛地黄毒苷转化为 3 一甲基地高辛。参考文献：（1） 蒋立科，罗曼主编.生物化学过程工程学.科学出版社,2008.8.（2） 方孝敏.化学知识.黑龙江教育出版社,2008.06.（3） 张东方，信颖主编.中药现代分离技术.辽宁大学出版社,2006 年 5 月.（4） 何建勇主编.生物制药工艺学.人民卫生出版社,2007.8.（5） 蔡宝昌，罗兴洪主编.中药制剂新技术应用.人民卫生出版社，2006.12.（6） 方福德,杨焕明,张德昌等编.分子生物学前沿技术 中国协和医院联合出版社,1998. （7） 王克夷主编，生物化学.北京医科大学出版社，1998.2.

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