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1、452011.06 合成化学： 创造新物质的生力军 文 丁奎岭 从古代四大发明中的造纸和火药，到现代社会中 的通信和航天技术，无不依赖于化学强大的创造新物质 的能力。化学是现代科学的中心,而合成化学则是化学 的中心。合成化学与其他学科的最大区别在于其强大的 创造力，不仅可以制造出自然界业已存在的物质，还可 以创造出具有理想性质和功能、自然界中不存在的新物 质，对科学发展和人类进步起着重要的作用。 具有无限创造力 合成化学的发展史可以追溯至古代的炼金术和炼 丹术。1828年，德国化学家维勒用人工方法成功合成 了尿素，标志着有机合成化学的诞生。进入20世纪以 来，合成化学在创造新物质的过程中，催生
2、、带动和 促进了诸多相关学科的发展，为科学研究和新材料的 来源等开拓了新的领域。 回顾人类社会的发展进程，可以看到人工合成的 物质和材料在决定人类生活质量方面起着多么重要的 作用，从我们的衣食住行到航空航天，无不需要合成 化学所创造的物质与材料。目前，已知结构的无机和 有机化合物高达5000多万种，反映出合成化学在创造 新物质方面的强大生命力和无限创造力。从早期的染 料、医药、农药到石油利用，以及近期的芯片制造、 高性能材料等，无一不同合成化学有关。 今天，我们日常生活中耳熟能详的诸如合成氨、 合成尿素、合成医药和农药、合成气、合成油以及包 括橡胶、塑料、纤维、陶瓷、分子筛、超导材料等合 成材
3、料，无一不与合成化学有关。合成化学担负着创 造新物质、新结构和新功能的首要任务，是化学科学 的核心和基础，因此始终处于化学科学发展的前沿。 1935年尼龙的合成，促进了有机高分子合成化学 的发展，并进一步促使了合成塑料、合成橡胶、合成 纤维等材料的诞生；有机合成化学是药物和农药研发 的源动力，对于药物化学和农用化学品化学的发展提 供了物质基础；无机合成化学为广泛应用的新型无机 材料开辟了广阔的天地，进一步带动了催化领域的发 展，合成化学提供的新材料，使空间技术、原子能工 业、海洋资源开发等领域得到进一步发展。 合成化学不仅可以仿制自然界少量存在的物质， 更重要的是能创造更多自然界中不存在的物质
4、，对科 学的发展和人类的进步起着非常重要的作用。因此， 合成化学是化学的中心，是有机化学、无机化学、药 物化学、高分子化学、材料化学等学科的核心。 2008年度国家最高科学技术奖获得者徐光宪院士 曾经列举20世纪六大发明与技术,包括信息技术、生物 技术、核科学与核武器技术、航空航天与导弹技术、 激光技术、纳米技术，并指出这些领域的进步无一例 外地需依靠化学手段来合成新的材料,如果没有化学合 成技术，上述六大发明与技术根本无法实现。 事实上，如果缺少上述技术的某一个,人类尚可生 存。但是，如果没有合成氨、合成农药的发明，维持当 今世界70亿人口生存的粮食就成了严重问题；如果没有 合成各种抗生素和
5、大量新药物技术的发明，人类的寿命 和健康就不可能达到现在的水平；如果没有合成化学提 供的各种新材料如合成纤维、合成塑料、合成橡胶等， 达到今天这样的生活水平是难以想象的。 具有高深研究空间 合成化学的主要任务是实现从小分子到大分 子、从单分子基元到超分子体系的构筑，实现化 学、区域和立体选择性的控制，同时创造出具有理 科技创新Technology and innovation 462011.06 想性质和功能的新物质。进入新世纪以来，10年中 已有4次诺贝尔化学奖授予合成化学领域的科学家， 反映了这一领域的巨大创造力和活力，以及对科学 和人类社会的贡献。 2001年度诺贝尔化学奖得主野依良治教
6、授曾指 出：未来的合成化学必须是经济的、安全的、环境友 好的以及节省资源和能源的化学，化学家需要为实 现“完美的反应化学”而努力，即100%的选择性和 100%的收率，只生成需要的产物而没有废物产生。因 此，如何通过对化学键的选择性活化、断裂与可控性 重组，通过弱相互作用的调节精确组装功能超分子体 系，实现以100%产率和100%选择性对特定功能物质和 结构体系进行低耗、安全、经济与绿色合成，是合成 化学领域的主要挑战。 无论现在还是未来，合成化学的另一个明确方 向，是不断与其他领域交叉与融合，以产生更多的跨 学科新领域。从这个角度来说，合成化学需要极高水 平的科学创造力和洞察力，以探索其无限
7、的可能性。 2001年度诺贝尔化学奖得主夏普莱斯教授提出 了“点击化学”的概念，强调合成反应必须具有高产 率、高选择性，以及对各种官能团和反应条件优异的 耐受性。这一概念的提出，为生命科学、材料科学领 域提供了全新的理念、方法和物质基础，已经被广泛 应用于药物、新材料开发和分子生物学、化学生物学 等诸多研究领域，成为目前最实用和引人注目的合成 理念之一。 在此基础上，未来的合成化学将继续发挥创造 力，不断深化学科内涵并拓展与其他学科的交叉与融 合。针对合成对象和合成过程的可控、高效、低能 耗、低排放、高选择性等要求，研究功能导向新物质 的设计理论、反应过程、合成与组装方法学；探讨合 成反应和物
8、质转化过程的机理与本质规律；借鉴生命 体系的生物合成和演化过程，结合物理、材料科学等 学科的研究手段和技术，发展新的合成策略。 消除对化学的误解，重视学科的发展 合成化学家不断创造出的合成新方法、对于化学 机理的不断明晰，使人类可以驰骋在整个元素周期系 中，不断创造出新的物质，这一过程大大增加了人类 在认识自然和改造自然界中的能动性，并创造出新的 生产、生活方式。我们现在已经可以很好地利用自然 界诸如石油和煤这样简单、丰富的天然资源，创造出 一系列复杂的、更具价值的物质。在不久的未来，我 们将能设计、制造出更多具备各种性能、满足人类需 求的物质。 当今，人们在享受化学为社会带来的物质财富和 丰
9、富多彩的生活时，很少会想到化学所发挥的作用。 甚至在公众的心目中，化学反而站在了绿色、环保的 对立面，传媒所注重的也常常是化学所产生的危害。 对此，科学界一方面要加强科普力度，消除公众对化 学科学的误解；另一方面，也要极大地关注科学发展 的“双刃剑”效应，将合成化学发展与社会效益紧密 地联系在一起。 目前，绿色化学已经成为未来合成化学的核心理 念，在为经济带来繁荣的同时也承担了社会责任。绿 色化学并不是一个单纯的口号，它是合成化学研究不 可或缺的原则。基于这样的目标，对于合成反应的原 子经济性应予以高度重视，催化剂应使反应过程更加 经济、节能和环境友好，应更强调资源的3R原则，即 减量、回收和
10、再利用。要实现这样的目标，需要科学 界、政府、工业界等社会各界的共同努力。 除了建立和不断完善相关法律、法规，加大宣传 和执法力度，提高全民、全社会的环境保护意识外， 合成化学家承担着更重大的责任，因为解铃还需系铃 人，由化学而产生的问题应该由化学来解决。要解决 这些问题，既要重视技术的改良与进步，更要重视解 决基本科学问题，提出新的概念、发现新的方法，并 灵活运用其基本原理。 因此，我们必须认识到化学在未来世界中的重要 作用，重视化学这一基础学科。要创造一个洁净的世 界、一个可持续发展的社会，在很大程度上要靠全社 会共同努力来实现。相信合成化学一定能够为我们更 美好的生活发挥其无限的创造力，做出新的、更大的 贡献！ （作者单位：中国科学院上海有机化学研究所所长） 科技创新Technology and innovation
