基础化学

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第一章绪论
　　化学（ chemistry）是在微观层面研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。化学既是实用的科学，又是创造性的科学。化学家们不仅在研究和了解自然界，同时也在创造自然界以前不存在的新物质，并探索完成化学变化的更好途径。
　　化学与诸多领域紧密相连，也关系到我们日常生活的方方面面。在医学的发展过程中，化学起到了不可替代的重要作用，在生命科学快速发展的今天，医学和生命科学工作者越来越认识到化学的重要性。因此，在现代高等医学教育中，化学一直是现代医学及相关专业的重要基础课程。
　　第一节化学与医学
　　化学作为一门学科发展到今天，已经有几百年的时间。传统的化学主要有研究无机物为主的无机化学、研究有机化合物的有机化学、研究物质组成和结构的分析化学和研究化学变化基本规律的物理化学。随着科学的发展，化学也发展衍生出高分子化学、生物化学、环境化学、地质化学、农业化学、药物化学等许多新的分支。
　　20世纪以来，人类的预期寿命和健康水平有了大幅度提高，这些巨大进步被认为主要归功于药物化学工作者和医学工作者的贡献，其中最重要的影响当数抗生素等各种新型医用化合物的应用。
　　一、现代医学早期化学药剂的发现与应用
　　早在 19世纪初期，就已经有战争创伤的处理、肾脏摘除、尿路结石去除等外科手术的报道。但当时的手术没有麻醉剂，患者的痛苦难以想象，疼痛经常成为手术中不可逾越的障碍，好多必要的手术难以进行。
　　经过医学和化学工作者多年探索，麻醉剂终于在外科手术中得以应用。 1846年 10月，美国牙医威廉 汤姆斯 格林 莫顿（ William T. G. Morton）用乙醚给一位患者实施麻醉，然后由一位资深的外科医生成功完成了颈部去瘤手术。此次公开的手术得到了广泛报道和关注，由此开创了外科手术中普及使用麻醉剂的先河。
　　随后麻醉药品不断推陈出新，从气体到液体，从全身麻醉到局部麻醉。麻醉剂的使用，对人类健康具有深刻影响和意义，在近代医学史上是里程碑式的事件。
　　直到 19世纪中叶，外科手术还没有消毒灭菌的概念，因术后感染严重，导致手术死亡率高达 40%～ 60%。1865年，英国外科医生约瑟夫 李斯特（ Joseph Lister），受到法国微生物学家、化学家路易 巴斯德（ Louis Pasteur）有关微生物研究结果的启发，意识到手术伤口的感染是由细菌造成的。李斯特开始尝试用石炭酸（苯酚）对手术器械进行消毒，并用石炭酸溶液浸湿的纱布包扎伤口，要求医生和护士在手术前要洗手，大大降低了手术患者的死亡率。经过实践和总结，李斯特于 1867年在著名医学期刊《柳叶刀》（The Lancet）上正式公布了自己创造的外科消毒法。消毒剂在手术中的应用和外科消毒法的发明，是李斯特对人类的巨大贡献，挽救了无数人的生命，李斯特也因此被誉为“外科消毒之父”。
　　二、抗生素的发现和应用
　　（一）最早的抗生素—磺胺
　　19世纪后期，寻找具有药用价值化学品的探索者们开始用不同的染料对细菌染色以辨别不同的细菌，各种不同的染色法在细菌学家和组织学家中间得到迅速发展。基于不同染料对某些细菌或某种组织的选择性，有研究者认为，使用恰当的染料来治疗疾病应该是可能的。到 20世纪初，使用合适的染料及其衍生物治疗锥虫病和梅毒都取得了显著疗效并得到临床应用。
　　1932年，研究染料在医学方面的应用已经多年的德国内科医生、生物化学家格哈德 多马克（Gerhard Domagk）经过多次实验，发现一种商品名称为“百浪多息”的橘红色染料对治疗老鼠的链球菌感染非常有效。后来，格哈德 多马克用这种染料挽救了受链球菌感染而生命垂危的小女儿的生命，这也是磺胺类药物最初的临床应用。到 1935年，磺胺药物已用于挽救更多类似细菌感染的人们的生命。在此基础上，化学家们又制备了更多类型的磺胺类药物，由此开创了抗菌素领域。
　　1939年，格哈德 多马克由于磺胺药物的研究和发现荣获诺贝尔生理学或医学奖。
　　（二）现代医学史上重要的里程碑—青霉素
　　1928年，英国微生物学家、生物化学家亚历山大 弗莱明（ Alexander Fleming）发现一种蓝色霉菌分泌出一种物质能杀死细菌，弗莱明把这种抗菌物质命名为青霉素（ Penicillin）。1929年，弗莱明公开发表了青霉素的相关研究论文，但论文发表后没有得到科学界的重视。由于当时的科研团队没有化学家的参与，青霉素的提取、纯化等工作难以进行，后续的研究工作没有取得进展，青霉素也没有得到应用。直到 1938年，在英国牛津大学工作的德国化学家恩斯特 钱恩（ Ernst Chain）注意到弗莱明当年的论文，与病理学家霍华德 弗洛里（ Howard Florey）、生物化学家诺曼 希特利（ Norman Heatley）在牛津大学对青霉素进行分离提纯，并对青霉素进行更深入研究。
　　1940年，牛津团队发表科研论文，公布了青霉素重新研究的新成果并引起科学界和媒体的重视。
　　1941年，青霉素在美国开始进行产业化研究， 1942年美国和英国制药企业开始青霉素的工业化生产。当时正值第二次世界大战期间，青霉素的应用，无论是在战场还是后方，拯救了无数生命。
　　青霉素被认为是现代医学史上最有价值的贡献，是人类医学史上重要的里程碑。 1945年，弗莱明、钱恩和弗洛里由于青霉素对人类的巨大贡献，共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。
　　青霉素的成功，开启了抗生素的黄金时代，随后又有多种抗生素被发现并应用到临床。磺胺类、青霉素和后续多种抗生素的应用，使人类开始可以治愈细菌感染的疾病。曾有人口学家统计，从 1938年最早的抗生素磺胺投入临床使用开始，到 1956年，美国儿童疾病的死亡率下降了 90%以上，人口平均寿命增加了 10年以上。
　　在我们回顾现代医学对人类的这些卓越贡献时，可以看到其中化学家的作用不可替代，在药物的提取纯化、结构与性质研究，乃至对药物结构的修饰及药物的合成和工业化生产等方面，都做出了无可替代的贡献。
　　三、现代医学与现代化学
　　2003年，人类基因组计划完成，随着后续的功能基因组、结构基因组等计划的实施，生命科学正在发生快速且深刻的变革。现代医学更多地涉及分子、基因和细胞等微观层面，化学作为基础知识不可或缺。
　　现代科学的快速发展对疾病产生的机制研究、疾病诊断、治疗方法、药物的研发等方面都产生了深远影响。从分子、基因、细胞等微观层面了解疾病产生的原因，进而找到治疗疾病的“钥匙”，已经是医学研究和临床实践的现在进行时。
　　药物化学是化学的一个重要分支，新药的发现和应用研究仍然是现代医学的重要部分。后基因组时代的药物研发已经发生深刻的变革，开始了从基因到药物的新模式，即通过基因研究，从细胞和分子层次弄清疾病发生与防治的机制，然后有的放矢地筛选药物。在此过程中不仅需要医药学，还需要化学、生物技术、计算机科学及其他多种学科交叉融合才能完成。
　　医用高分子材料化学是与现代医学关系密切并发展迅速的领域。医用高分子材料包括植入性材料、非植入性材料、药物载体材料等。其中植入性材料如人工血管、瓣膜、脏器、晶体、牙科和骨科材料等；非植入性医用材料如注射器、输液材料等；药物载体材料是用于药物控制释放的高分子材料。医用高分子材料对提高人们健康水平发挥着越来越重要的作用，并且应用前景广阔，是目前的重要和热点领域。
　　现代医学的临床诊断和治疗离不开医学实验室临床检验的支持，现代医学实验室的检测方法、仪器设备和检测试剂也在不断更新，新技术不断得以应用。相关领域的研究者们一直在致力于使临床检验方法更加准确、快速、灵敏、简便。不论是临床检验相关研究还是新技术的发明和应用，都需要包括化学在内的基础知识扎实的现代医学检验人才。
　　四、基础化学课程的主要内容和作用
　　本课程介绍了有关溶液的基础知识，这部分内容是化学课程的基础，也是后续医学课程的基础知识。课程还介绍了化学热力学和化学动力学基础知识，化学热力学主要讨论反应进行的可能性和反应的能量问题，是讨论后续生物复杂反应进行的理论基础。化学动力学主要讨论反应机制和速率问题，是药物代谢和反应机制等方面的基础知识。课程中间部分介绍了原子结构、分子结构和化学键的基础知识，从微观层面介绍物质的构成和基本性质，也是后续从微观层面学习和研究现代医药学的知识基础。课程还介绍了电化学和分析化学的基础知识以及现代仪器分析的基础，这部分内容是现代医药学研究以及有关现代医学检验和医学实验室工作的基础理论与实验基础。
　　希望通过本课程的学习，使学生学习掌握化学的部分基础知识，同时为医药及相关专业的学生学习后续更多的医基础和专业课程以及为以后进行更深入的医学研究打下坚实的基础。
　　第二节分析结果的误差和计算规则
　　化学是一门实践性很强的学科，在这门课程的理论和实验课学习过程中会涉及一些计算和实验操作，规范合理的计算和处理实验数据是需要掌握的入门和基础内容。本节主要介绍测量结果的误差和数据处理的运算规则。
　　一、误差产生的原因和分类
　　在实际工作和实验中经常需要测定组分含量，试样中各种组分的含量有真实值，由于多种因素影响，即使使用标准的分析方法，规范地操作，测量结果与真实值仍然难以完全一致。分析结果与真实值之差称为误差（ error）。误差客观存在，难以避免，但了解误差产生的原因及特点，掌握其规律，可以尽量减小误差，使分析结果更准确。
　　根据误差的性质和特点不同，通常将误差分为两类：系统误差（ systematic error）和随机误差（random error）。
　　系统误差，也称可测误差，由确定原因引起的重复出现的误差。
　　1.系统误差的特点系统误差通常具有以下特点：确定性 —引起误差的原因通常是确定的；重现性 —平行测定时会重复出现；单向性 —误差的方向一定，即误差的正或负是固定的；可测性—误差的大小基本不变，通常可以测定其大小，因而通常可以校正。
　　2.系统误差产生的原因按照误差产生的原因，可将系统误差分为以下几种：方法误差、仪器误差、试剂误差和操作误差。方法误差是由分析方法本身原因造成的。如重量分析中沉淀的少量溶解损失；滴定分析中化学计量点与滴定终点不重合引起的误差等。仪器误差是由仪器本身不准确或精度不够造成的。如分析天平砝码本身的误差；容量分析中容量器皿的刻度不准确等。
　　试剂误差是由试剂纯度方面的原因及实验用水中的杂质引起。
　　操作误差是由操作者个人原因造成的。如分析人员由于读数习惯等原因，在估计测量值时习惯性偏高或偏低；辨别指示剂颜色变化时偏深或偏浅等。在实验中加错试剂、看错砝码、读错刻度等过失操作，不属于操作误差范畴。
　　（二）随机误差
　　随机误差，也称偶然误差，是由某些难以控制的原因或不确定的原因造成的。如实验操作时湿度、温度、压力、电磁场等环境条件微小变化引起测量数据的波动，以及实验中估读数据的微小差别等。
　　随机误差的特点：造成误差的原因不定或难以控制，误差的大小、方向不定，因此无法测量和校正。
　　随机误差虽然不能测量和校正，但服从统计规律，大误差出现机会少，小误差出现机会多，绝对值相近的正负误差出现的机会大致相同。因此，可以通过多次测量，用统计学处理的方法减小随机误差，提高分析结果的可靠性。
　　二、分析结果的评价
　　分析结果的好坏，主要从两个方面来衡量，即准确度（ accuracy）和精密度（ precision）。
　　（一）准确度与误差
　　准确度，是指测量值与真实值的符合程度。准确度的高低用误差大小来衡量。误差又分绝对误差（ absolute error）和相对误差（ relative error）。
　　绝对误差