該怎樣向你身邊的人介紹化學(xué)？合成化學(xué)有哪些用途？

美國(guó)化學(xué)家、哈佛大學(xué)教授喬治·懷特塞茲（George Whitesides）這句話很好地描述了化學(xué)與人們生活的關(guān)系：“化學(xué)改變?nèi)藗兓钪�和死去的方式�?rdquo;

這句話乍看有些難以理解，先讀一個(gè)著名的化學(xué)小故事。

丁奎嶺 圖片由本人提供
 

磺胺誕生的故事

1856年，英國(guó)有機(jī)化學(xué)家珀金（Perkin）偶然合成獲得了苯胺類(lèi)染料；19世紀(jì)后半葉，德國(guó)細(xì)菌學(xué)家科赫在苯胺類(lèi)染料的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了細(xì)菌染色法。在給細(xì)菌染色過(guò)程中，科學(xué)家觀察到某些合成染料具有一定的殺菌作用。

1932年，德國(guó)I.G.染料工業(yè)研究所的病理學(xué)主任杜馬克（Domagk）在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一種被稱(chēng)為“百浪多息”（Prontosil）的紅色偶氮類(lèi)染料對(duì)于感染溶血性鏈球菌的小白鼠及兔、狗等都具有很好的療效，并以此染料成功挽救了身患敗血癥的女兒。

這一發(fā)現(xiàn)是里程碑式的，開(kāi)啟了人工合成抗感染化學(xué)藥物的新紀(jì)元。

后來(lái)的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)揮作用的并非“百浪多息”，而是該染料在生物體內(nèi)代謝后生成的中間分子——對(duì)氨基苯磺酰胺起到藥物作用。相較于百浪多息，合成磺胺步驟更簡(jiǎn)單，其價(jià)格也更加便宜。后來(lái)，它成為二戰(zhàn)前唯一有效的抗菌藥物，挽救了無(wú)數(shù)人的生命。杜馬克還因此獲得了1939年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

磺胺的問(wèn)世標(biāo)志著合成藥物時(shí)代的到來(lái)，也開(kāi)創(chuàng)了今天廣泛使用的抗生素領(lǐng)域。

這個(gè)故事，深刻詮釋了喬治·懷特塞茲的那句“化學(xué)改變?nèi)藗兓钪�和死去的方�?rdquo;；同時(shí)，也表明了合成化學(xué)的重要性。難怪2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者野依良治說(shuō)：“化學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)的中心，而合成化學(xué)則是化學(xué)的中心。”

合成化學(xué)的“中心地位”

物質(zhì)的獲取除了來(lái)自自然界以外，人工合成是更為重要的途徑。古代的煉金術(shù)和煉丹術(shù)其實(shí)也屬于合成化學(xué)的范疇。不過(guò)，現(xiàn)代的合成化學(xué)被認(rèn)為誕生于1828年，德國(guó)化學(xué)家維勒第一次用人工方法由無(wú)機(jī)物質(zhì)合成出了有機(jī)物質(zhì)尿素。

在化學(xué)中，主要涉及兩個(gè)方面：創(chuàng)造合成物質(zhì)、研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，所以其核心是分子或材料的創(chuàng)制，其根本問(wèn)題是認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵的活化、斷裂、重組規(guī)律，詮釋化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)，未來(lái)的合成化學(xué)聚焦過(guò)程的精準(zhǔn)性、變革性與分子功能的導(dǎo)向性。因此，分子合成與生命、健康、農(nóng)業(yè)、材料、能源等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，徹底改變了人類(lèi)的生產(chǎn)生活方式。

換言之，化學(xué)就在我們身邊，它可能不需要多么復(fù)雜的儀器，創(chuàng)造的分子就能影響甚至改變世界。

在學(xué)科相關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域，只有化學(xué)有工業(yè)體系。然而，化學(xué)工業(yè)一個(gè)非常重要特點(diǎn)就是具有強(qiáng)大的創(chuàng)造力——它不僅能制造出自然界已存在的物質(zhì)，還能創(chuàng)造出具有理想功能性質(zhì)的、自然界中不存在的分子和物質(zhì)。此外，它還可以通過(guò)與其他學(xué)科領(lǐng)域的交叉融合，產(chǎn)生更多跨學(xué)科的前沿交叉領(lǐng)域。

而這也對(duì)合成化學(xué)本身提出了更高的要求，帶來(lái)了更多新的機(jī)遇。

目前，CA登記（類(lèi)似于ID）的化合物已經(jīng)超過(guò)1.5億個(gè)，其中大部分是化學(xué)合成的。根據(jù)化學(xué)空間理論預(yù)測(cè)，化合物數(shù)量最多可達(dá)1063種，但目前我們?nèi)祟?lèi)已知的只有108種。因此，人類(lèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的合成空間還只是滄海一粟。

合成化學(xué)同時(shí)創(chuàng)造著巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。有估算稱(chēng)，基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)每創(chuàng)造1元錢(qián)的直接價(jià)值，后續(xù)就可能帶來(lái)4元錢(qián)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。可以輕松舉例：化學(xué)制藥領(lǐng)域，類(lèi)似立普妥、索非布韋等藥物分子，一個(gè)藥物每年就能創(chuàng)造數(shù)以百億美元的銷(xiāo)售；青蒿素的發(fā)現(xiàn)，通過(guò)化學(xué)合成衍生出了多種的抗瘧藥物。其他領(lǐng)域也是如此，1888年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)液晶分子、100多年前發(fā)現(xiàn)的合成氨，毫無(wú)疑問(wèn)都徹底改變了人們的生活。

人類(lèi)對(duì)合成化學(xué)的認(rèn)知也經(jīng)歷過(guò)一個(gè)不斷提升的過(guò)程：從認(rèn)識(shí)分子結(jié)構(gòu)到對(duì)分子功能的發(fā)現(xiàn)，從平面到立體、從小分子到大分子、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜……人類(lèi)不斷突破認(rèn)知，合成化學(xué)也繼續(xù)朝著精準(zhǔn)、功能、高效的方向發(fā)展。

眾所周知，諾貝爾獎(jiǎng)也被稱(chēng)為“炸藥獎(jiǎng)”，其中蘊(yùn)含了對(duì)諾貝爾在炸藥安全性改造方面的貢獻(xiàn)——炸藥起初并不安全，但諾貝爾將一種材料組合起來(lái)制成安全的硝化甘油炸藥，使人類(lèi)改造自然的能力大為提高。諾貝爾因此也獲得了豐厚的回報(bào)，后來(lái)設(shè)立了影響科學(xué)界至今的諾貝爾獎(jiǎng)。

縱覽100多年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)歷史，半數(shù)以上與物質(zhì)的合成或創(chuàng)制有關(guān)，當(dāng)然其中一些諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)也給予了物理學(xué)家和生物學(xué)家，因?yàn)樗麄優(yōu)榛瘜W(xué)研究提供了工具，或者是將對(duì)生命過(guò)程的理解推進(jìn)到了分子水平。

自2000年以后，許多諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叨寂c化學(xué)合成或分子創(chuàng)制有關(guān)。這也間接說(shuō)明合成化學(xué)為人類(lèi)進(jìn)步持續(xù)作出巨大貢獻(xiàn)。

2008年國(guó)家最高科技獎(jiǎng)獲得者、中國(guó)科學(xué)院學(xué)部委員（院士）徐光憲先生曾說(shuō)：“20世紀(jì)的6大發(fā)明，包括信息技術(shù)、生物技術(shù)、核科學(xué)、航空航天與導(dǎo)彈技術(shù)、激光技術(shù)、納米技術(shù)等這些發(fā)明，無(wú)不需要化學(xué)合成的新材料，如果沒(méi)有化學(xué)合成創(chuàng)造的物質(zhì)基礎(chǔ)，這些技術(shù)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。”

合成化學(xué)與生命科學(xué)息息相關(guān)

人類(lèi)的健康、長(zhǎng)壽都與合成化學(xué)息息相關(guān)。

前文磺胺問(wèn)世的故事，其實(shí)還有后續(xù)。人們認(rèn)識(shí)和使用磺胺后，大大提升了人類(lèi)的平均壽命。但是，細(xì)菌的抗藥性也越來(lái)越強(qiáng)，自磺胺以來(lái)，科學(xué)家需要不斷發(fā)明、合成新的、性能更優(yōu)、副作用更小的分子，來(lái)對(duì)付具有抗藥性的細(xì)菌。目前，市場(chǎng)上已有幾十種磺胺類(lèi)藥物。

合成化學(xué)與生命科學(xué)也緊密相關(guān)。

20世紀(jì)50年代，生命科學(xué)達(dá)到了分子水平。隨著人類(lèi)基因組計(jì)劃的成功實(shí)施，生命科學(xué)從基因組時(shí)代邁向蛋白質(zhì)組時(shí)代。從那時(shí)起，科學(xué)家不僅想要了解體內(nèi)生物過(guò)程的機(jī)制，更希望能夠調(diào)控這些過(guò)程，因?yàn)槿祟?lèi)健康的密碼就是“平衡”，調(diào)控是必不可少的手段。而調(diào)控就是對(duì)蛋白分子相關(guān)的一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。

許多多肽或者蛋白、小分子和大分子藥物都是通過(guò)化學(xué)合成或生物合成來(lái)獲得。比如，人類(lèi)在合成蛋白質(zhì)和核酸方面都有著名的案例，包括人工合成牛胰島素、人工合成核酸等。當(dāng)然，現(xiàn)在人類(lèi)還沒(méi)有很好解決人工合成多糖的問(wèn)題。雖然有了一些探索，但尚未取得根本性突破。糖在生物體內(nèi)與免疫和許多疾病都有關(guān)聯(lián)，非常關(guān)鍵，糖的合成問(wèn)題還需要一代又一代的科學(xué)家們?nèi)ヌ魬?zhàn)。

簡(jiǎn)而言之，參與蛋白調(diào)控的小分子和肽，是生命科學(xué)的焦點(diǎn)。科學(xué)家估算過(guò)，用來(lái)調(diào)控不同基因及其下游的生物過(guò)程的小分子的數(shù)量約為30萬(wàn)個(gè)。但是，要得到這30萬(wàn)個(gè)小分子，大概需要從3000萬(wàn)個(gè)小分子中篩選。這是一個(gè)天文數(shù)字，合成化學(xué)大顯身手的時(shí)代就這樣又一次出現(xiàn)在了生命科學(xué)領(lǐng)域。

合成化學(xué)的未來(lái)機(jī)遇

法國(guó)大文學(xué)家雨果曾說(shuō)過(guò)：“與有待創(chuàng)造的東西相比，已經(jīng)創(chuàng)造出來(lái)的東西是微不足道的。”這句話，形容合成化學(xué)恰如其分。

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，20年間已經(jīng)有6次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予合成化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家，反映了這一領(lǐng)域巨大的創(chuàng)造力和活力。而合成化學(xué)自身，好像也已經(jīng)到了空前成熟的水平。因?yàn)椋瑹o(wú)論分子多復(fù)雜，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間人們總是能夠通過(guò)摸索順利合成出來(lái)。尤其是1992年，日本化學(xué)家岸義人合成出了�？�毒素，極大地鼓舞了全世界的化學(xué)家，合成化學(xué)家甚至產(chǎn)生了“沒(méi)有合成不出來(lái)的分子”的觀點(diǎn)。

但是，2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主野依良治的一番話，仍舊需要人們記住。他說(shuō)：“未來(lái)的合成化學(xué)必須是經(jīng)濟(jì)的、安全的、環(huán)境友好的以及節(jié)省資源和能源的化學(xué)，化學(xué)家需要為實(shí)現(xiàn)‘完美的反應(yīng)化學(xué)’而努力，即以100%的選擇性和100%的收率只生成需要的產(chǎn)物而沒(méi)有廢物產(chǎn)生。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，與其說(shuō)是技術(shù)的進(jìn)步，不如歸結(jié)為基本的科學(xué)問(wèn)題的解決。”

那么，“基本的科學(xué)問(wèn)題”解決了嗎？并沒(méi)有——

二氧化碳作為巨大的碳源，如何更有效地加以利用，用它制備有用的材料？

“白色污染”籠罩現(xiàn)代社會(huì)，聚乙烯廢塑料能不能溫和可控降解？

合成氨耗費(fèi)掉了全球2%的能源，人類(lèi)能不能更溫和地人工固氮？

DNA存儲(chǔ)了生命信息，能不能存儲(chǔ)人類(lèi)數(shù)字化的信息數(shù)據(jù)？

……當(dāng)這些問(wèn)題被提出后，人們意識(shí)到，綠色化學(xué)（或稱(chēng)“環(huán)境友好化學(xué)”）將是化學(xué)學(xué)科發(fā)展的重要方向，也應(yīng)是未來(lái)合成化學(xué)的核心理念及不可或缺的原則。

合成化學(xué)領(lǐng)域的“科學(xué)老頑童”——2001年、2022年兩獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主夏普萊斯，提出了“點(diǎn)擊化學(xué)”的概念，也深刻影響著合成化學(xué)的發(fā)展。點(diǎn)擊化學(xué)強(qiáng)調(diào)快速、高效、反應(yīng)溫和、生物相容的化學(xué)合成，這無(wú)疑將深刻影響材料科學(xué)、生命科學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域。

如今的合成化學(xué)，需要最高水平的科學(xué)創(chuàng)造力和洞察力，以探索無(wú)限的可能性。目前，我們?nèi)祟?lèi)所了解的自然和世界只是滄海一粟，科技創(chuàng)新的前沿永無(wú)止境。我堅(jiān)信，合成可以創(chuàng)造未來(lái)，希望大家、尤其是年輕人積極加入這個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)合成創(chuàng)造價(jià)值，用我們創(chuàng)造的分子來(lái)影響和改變世界。

（本文系中國(guó)科學(xué)院院士丁奎嶺在“千名院士 千場(chǎng)科普”首場(chǎng)報(bào)告會(huì)上的報(bào)告，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者趙廣立整理，受權(quán)發(fā)布）