合成我們的未來
《合成我們的未來》，原文發(fā)表在中國科學(xué)院院刊，（DOI：10.3969/j.issn.1000-3045.2011.01.003）
摘要 化學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)的中心，而合成化學(xué)又在化學(xué)中起著基礎(chǔ)和中心的作用。100多年來，合成化學(xué)為社會(huì)進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)，合成物質(zhì)和合成材料極大地影響和改變了人類的生活。21世紀(jì)，合成化學(xué)將繼續(xù)發(fā)揮強(qiáng)大的創(chuàng)造力，不斷深化學(xué)科內(nèi)涵并拓展與其他領(lǐng)域包括材料科學(xué)、生命科學(xué)等的交叉與融合。綠色過程將成為合成化學(xué)的主題，未來合成化學(xué)不僅要為解決現(xiàn)有的和預(yù)期的全球性的資源、能源、環(huán)境、材料以及食物和健康等一系列問題做出新的貢獻(xiàn)，而且有責(zé)任改變其在公眾中的負(fù)面印象。
化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及變化規(guī)律的科學(xué)，是一門與材料、生命、信息、環(huán)境、能源、地球、空間、核科學(xué)等密切交叉和相互滲透的中心科學(xué)，是發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造新物質(zhì)的主要手段?；瘜W(xué)作為一門“核心、實(shí)用和富有創(chuàng)造性”的科學(xué)，在人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然、提高人類的生活質(zhì)量和健康水平、促進(jìn)其他學(xué)科發(fā)展、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步等方面已經(jīng)并仍然發(fā)揮著巨大的、不可替代的作用[1, 2]。2001年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者名古屋大學(xué)的野依良治（R. Noyori）教授指出：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[3]。
合成化學(xué)區(qū)別于其他學(xué)科的最顯著特點(diǎn)就在于它具有強(qiáng)大的創(chuàng)造力，合成化學(xué)不僅可以制造出自然界業(yè)已存在的物質(zhì)，還可以創(chuàng)造出具有理想性質(zhì)和功能的、自然界中不存在的新物質(zhì)；合成化學(xué)通過與其他學(xué)科的交叉與融合，產(chǎn)生出了越來越多的跨學(xué)科前沿交叉新領(lǐng)域，為合成化學(xué)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇，同時(shí)也對合成化學(xué)本身在不同時(shí)空尺度上提出了更高的要求和更大的挑戰(zhàn)，因此合成化學(xué)需要極高水平的科學(xué)創(chuàng)造力，以探索其無限的可能性。
合成化學(xué)在現(xiàn)代化學(xué)中處于基礎(chǔ)和核心地位
世界是由物質(zhì)組成的，化學(xué)的研究對象是物質(zhì)世界，因此化學(xué)是人類認(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)世界的主要方法和手段之一。物質(zhì)的獲取除了來自天然以外，人工合成是更為重要的途徑。合成化學(xué)的發(fā)展史可以追溯至古代的煉金術(shù)和煉丹術(shù)。 1828年德國化學(xué)家維勒（W？hler）用人工方法從無機(jī)物成功合成了尿素，標(biāo)志著有機(jī)合成化學(xué)的誕生。進(jìn)入20世紀(jì)以來，合成化學(xué)在創(chuàng)造新物質(zhì)的過程中，催生、帶動(dòng)和促進(jìn)了諸多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，為科學(xué)研究和新材料的來源等開拓了新的領(lǐng)域。今天我們?nèi)粘Ｉ钪卸炷茉數(shù)闹T如合成氨、合成尿素、合成醫(yī)藥和農(nóng)藥、合成氣、合成油以及包括橡膠、塑料、纖維、陶瓷、分子篩、超導(dǎo)材料等合成材料，無一不同合成化學(xué)有關(guān)。
合成化學(xué)擔(dān)負(fù)著創(chuàng)造新物質(zhì)、新結(jié)構(gòu)和新功能的首要任務(wù)，是化學(xué)科學(xué)的核心和基礎(chǔ)，因此始終處于化學(xué)科學(xué)發(fā)展的前沿。其研究對象廣泛、化學(xué)過程復(fù)雜、結(jié)構(gòu)和性能需求多樣，為合成化學(xué)方法和理論發(fā)展提供了更大的空間和更高的要求，充分體現(xiàn)了化學(xué)科學(xué)的創(chuàng)造性；同時(shí)，合成化學(xué)的發(fā)展為物質(zhì)結(jié)構(gòu)—功能關(guān)系的闡明以及結(jié)構(gòu)多樣性和優(yōu)異性能的新物質(zhì)制備提供了可能，是化學(xué)工業(yè)和醫(yī)藥、材料及能源工業(yè)的技術(shù)支撐，在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革和其他高新技術(shù)形成中起著關(guān)鍵作用。
1935年尼龍的合成，促進(jìn)了有機(jī)高分子合成化學(xué)的發(fā)展，并進(jìn)一步促使了合成塑料、合成橡膠、合成纖維等材料的誕生；有機(jī)合成化學(xué)是藥物和農(nóng)藥研發(fā)的源動(dòng)力,對于藥物化學(xué)和農(nóng)用化學(xué)品化學(xué)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；有機(jī)合成化學(xué)實(shí)現(xiàn)了生命物質(zhì)如蛋白質(zhì)、核糖核酸、多糖等的人工全合成，并通過不斷地與生命科學(xué)領(lǐng)域的交叉融合，促進(jìn)了化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，并不斷向合成細(xì)胞和生命體系等挑戰(zhàn)；無機(jī)合成化學(xué)為廣泛應(yīng)用的新型無機(jī)材料,如耐高溫、耐高壓、耐低溫、光學(xué)、電學(xué)、磁性、超導(dǎo)、儲(chǔ)能與能量轉(zhuǎn)換以及納米材料等的發(fā)展開辟了廣闊的天地，這些材料的發(fā)展更進(jìn)一步帶動(dòng)了催化領(lǐng)域（如合成氨、石油煉制等）的發(fā)展，合成化學(xué)提供的新材料，使空間技術(shù)、原子能工業(yè)、海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域得到進(jìn)一步發(fā)展。
總之，合成化學(xué)不僅可以仿制自然界少量存在的物質(zhì)，而且更重要的是能創(chuàng)造更多自然界中不存在的物質(zhì)，對科學(xué)的發(fā)展和人類的進(jìn)步起著非常重要的作用。因此，合成化學(xué)是化學(xué)的中心，是有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)、高分子化學(xué)、材料化學(xué)等學(xué)科的核心。
合成化學(xué)為人類社會(huì)的進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)
從古代四大發(fā)明中的造紙和火藥到現(xiàn)代社會(huì)中的通信和航天技術(shù)，無不依賴著化學(xué)強(qiáng)大的創(chuàng)造新物質(zhì)的能力。只不過在古代，化學(xué)只是一門實(shí)用的技術(shù)，而現(xiàn)代化學(xué)則是一門實(shí)用的科學(xué)。
回顧人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程，可以看到人工合成的物質(zhì)和材料在決定人類生活質(zhì)量方面起著多么重要的作用，從我們的衣食住行到航空航天，無不需要合成化學(xué)所創(chuàng)造的物質(zhì)與材料。目前已知結(jié)構(gòu)的無機(jī)和有機(jī)化合物高達(dá)5 000多萬種，反映出合成化學(xué)在創(chuàng)造新物質(zhì)方面的強(qiáng)大生命力和無限創(chuàng)造力。從早期的染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥，到石油利用，以及近期的芯片制造、高性能材料等，無一不同合成化學(xué)有關(guān)。2008年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者徐光憲院士曾經(jīng)列舉20世紀(jì)六大發(fā)明與技術(shù),包括信息技術(shù)、生物技術(shù)、核科學(xué)與核武器技術(shù)、航空航天與導(dǎo)彈技術(shù)、激光技術(shù)、納米技術(shù)，并指出這些領(lǐng)域的進(jìn)步都無一例外地需依靠化學(xué)手段來合成新的材料,如果沒有化學(xué)合成技術(shù)，上述六大發(fā)明與技術(shù)根本無法實(shí)現(xiàn)。退一步講，如果缺少上述技術(shù)的某一個(gè),人類尚可生存，但如果沒有合成氨、合成農(nóng)藥的發(fā)明，維持當(dāng)今世界70億人口生存的糧食就成了嚴(yán)重問題；如果沒有合成各種抗生素和大量新藥物技術(shù)的發(fā)明，人類的壽命和健康就不可能達(dá)到現(xiàn)在的水平；如果沒有合成化學(xué)提供的各種新材料如合成纖維、合成塑料、合成橡膠等，達(dá)到今天這樣的生活水平是難以想象的[3]。
合成化學(xué)與人類健康
合成化學(xué)是新藥發(fā)現(xiàn)的主要?jiǎng)恿退幬镏圃旃I(yè)技術(shù)進(jìn)步的源頭。20世紀(jì)是人類社會(huì)發(fā)生深刻變化的世紀(jì)，在過去的100多年中，特別是20世紀(jì)50年代以后，人類的平均壽命和健康水平得到了空前的提高。這一巨大進(jìn)步很大程度上歸功于合成藥物的發(fā)展，其中最為重要的當(dāng)屬抗菌劑和抗生素的開發(fā)。上世紀(jì)初，由病原微生物引起的炎癥和傳染病是人類健康的巨大威脅，當(dāng)時(shí)醫(yī)生對于流行腦膜炎、肺炎、敗血癥等這些現(xiàn)在已經(jīng)十分普通的癥狀束手無策，甚至人們可能僅僅因一次感染而死亡。19世紀(jì)后半葉，在珀金（W. H. Perkin）合成的苯胺類染料的基礎(chǔ)上，德國細(xì)菌學(xué)家郭霍（H. H. R. Koch）嘗試用這些染料對細(xì)菌進(jìn)行染色，成功創(chuàng)建了細(xì)菌染色法，大大促進(jìn)了微生物學(xué)的發(fā)展。同時(shí)，科學(xué)家在用染料對細(xì)菌進(jìn)行染色的試驗(yàn)過程中，觀察到某些合成染料有一定的殺菌作用，1932年，德國I.G.染料工業(yè)研究所病理學(xué)主任杜馬克（G. J. P. Domagk）在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，一種被稱為“百浪多息”（Prontosil）的紅色的偶氮類染料對于感染溶血性鏈球菌的小白鼠以及兔、狗等都具有很好的療效，并以此染料挽救了身患鏈球菌敗血病的女兒，一個(gè)人工合成抗感染疾病化學(xué)治療藥物的新紀(jì)元由此開啟?？茖W(xué)家通過對這一藥物作用機(jī)理的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，百浪多息的殺菌作用實(shí)際上是由于其在體內(nèi)發(fā)生降解所生成的產(chǎn)物4—氨基苯磺酰胺（也就是我們熟知的“磺胺”）產(chǎn)生的，從而誕生了磺胺類藥物，并挽救了無數(shù)人的生命，杜馬克也因此獲得了1939年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。在磺胺的啟發(fā)下，化學(xué)家們又合成了無數(shù)的磺胺類似物，并通過研究磺胺類藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和抑菌作用的關(guān)系，從中尋找更為強(qiáng)效、更為廣譜的抗菌劑，現(xiàn)在已經(jīng)有20多種磺胺類的藥物在市場上銷售（圖1）。
磺胺藥物只是現(xiàn)在全世界正在使用中的成千上萬種化學(xué)合成藥物中的一員。但是僅從磺胺的發(fā)展歷程中便可以窺見化學(xué)合成所起的巨大作用：不論是最早合成的、與抗菌似乎關(guān)系不大的染料，還是基于磺胺改造獲得的更為強(qiáng)效的磺胺類藥物，都依賴于合成化學(xué)所賜?？梢韵胂?，沒有合成化學(xué)，像磺胺這樣現(xiàn)在看來再平常不過的抗菌劑根本不可能被發(fā)現(xiàn)，更不用說那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、利用不斷發(fā)展完善的化學(xué)合成技術(shù)獲得的、過去很難或者不可能合成的化學(xué)藥物。
圖1. 從百浪多息染料到磺胺類藥物—合成化學(xué)是新藥發(fā)現(xiàn)的主要?jiǎng)恿退幬镏圃旃I(yè)技術(shù)進(jìn)步的源頭
類似青霉素這樣的抗生素藥物，曾經(jīng)挽救了無數(shù)的生命，但目前的問題是，隨著微生物耐藥性的增加，抗生素的使用壽命已愈來愈短。而且，由于細(xì)菌抗藥性的發(fā)展，現(xiàn)在青霉素的給藥劑量已經(jīng)比60年前增加了數(shù)十萬倍。然而，從天然來源發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)類型、效果更好的抗生素越來越困難。但合成化學(xué)家運(yùn)用化學(xué)合成方法，在青霉素的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)修飾創(chuàng)造出了更多的、效果更好的抗生素系列，比如我們熟知的阿莫西林這樣一類“西林”類的抗生素，有效地解決了這一問題。
2009年，全球前200個(gè)銷售額最大的藥物[5]中，至少有140種是化學(xué)合成藥物，這還不包括那些半合成的化學(xué)藥物。在今天以及可預(yù)見的未來，化學(xué)合成藥物仍然會(huì)是最重要的治療藥物。然而藥物中合成化學(xué)的作用似乎越來越被忽視，藥物的品牌化開發(fā)，溫情脈脈的藥品廣告，讓人聯(lián)想到的更多是“生物科技”、“蛋白組”、“基因”這樣一些“時(shí)尚”的名詞，兼以在當(dāng)今提倡“節(jié)能減排”、“綠色環(huán)?！钡恼Z境下，化學(xué)，尤其是合成化學(xué)似乎越來越成為其對立面，好像所有牽涉到化學(xué)的東西就是“高污染、高耗能、高耗水”的非環(huán)保和不健康的東西——這顯然有失公允！因?yàn)闊o論公眾在感冒時(shí)服用的是“泰諾”、“日夜百服寧”還是“白加黑”，也無論這些藥物的品牌是多么地出名，它們都是化學(xué)合成的產(chǎn)物，并且它們的化學(xué)組成其實(shí)別無二致。要消除這樣的負(fù)面的印象，一方面需要化學(xué)家們不斷地科普宣傳，更需要引導(dǎo)媒體進(jìn)行平衡地報(bào)道。
醫(yī)學(xué)和藥物的發(fā)展使得人類的平均壽命延長，使人類不再因?yàn)樾⌒〉难屎戆l(fā)炎而斃命，不再需要忍受肌肉酸痛，使癌癥病人的生命得以延長甚至獲得治愈，使HIV感染者有尊嚴(yán)地生活……。盡管合成藥物已經(jīng)為人類的健康做出了卓越的貢獻(xiàn)，但未來仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。到目前為止，我們還沒有找到普適的藥物來治療日益嚴(yán)重的癌癥、阿爾茨海默?。ɡ夏臧V呆）、心臟病、人免疫缺陷病毒（艾滋?。?、糖尿病……。在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，化學(xué)合成藥物仍然是當(dāng)今世界各大制藥公司新藥研究的主題。隨著合成化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，藥物合成的速度在不斷地升級；藥理學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展以及計(jì)算化學(xué)的發(fā)展又為合理的藥物設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；隨著分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展以及人類基因組的測序完成，越來越多的新的生理機(jī)制、藥物可能的作用靶點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)，為化學(xué)合成藥物的發(fā)展提供了更為廣闊的平臺(tái)。因此，合成化學(xué)仍將是新藥發(fā)現(xiàn)的主要?jiǎng)恿退幬镏圃旃I(yè)技術(shù)進(jìn)步的源頭。
合成化學(xué)與生命科學(xué)
合成化學(xué)為探索生命科學(xué)規(guī)律提供了重要方法和物質(zhì)基礎(chǔ)。生命的過程歸根到底是生物體內(nèi)一系列的化學(xué)變化過程[6]。不論是物理學(xué)、生物學(xué)還是醫(yī)學(xué)，化學(xué)都是這些“理解化學(xué)變化的學(xué)科”的基礎(chǔ)，是一門中心科學(xué)。因此越來越多的學(xué)科與化學(xué)進(jìn)行融合，并導(dǎo)致了更多交叉學(xué)科的出現(xiàn)。人們對生命現(xiàn)象尚未認(rèn)清的時(shí)候，一度認(rèn)為有機(jī)物只有生命體才能產(chǎn)生，人工無法合成，這也是“有機(jī)物”這一名詞的早期含義。但自尿素這一有機(jī)物首次由無機(jī)物成功合成以來，徹底改變了人們的觀念。同時(shí)，合成化學(xué)與生命科學(xué)就這樣第一次被聯(lián)系在了一起，從此人們開始利用合成化學(xué)不斷地合成自然界、人體已有的化合物，同時(shí)許多自然界不存在的化合物也被合成創(chuàng)造出來。從起初人們只注重于合成化合物的數(shù)量和結(jié)構(gòu)以及創(chuàng)造新的合成方法，到現(xiàn)在更重視合成物質(zhì)的功能和合成方法的效率，合成化學(xué)取得的在分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和多樣性上的成就極大地推動(dòng)了生命科學(xué)領(lǐng)域突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
蛋白質(zhì)（肽）、核酸和碳水化合物（多糖）是構(gòu)成生命過程的基礎(chǔ)物質(zhì)。化學(xué)在這些物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和合成上貢獻(xiàn)卓越。20世紀(jì)初，費(fèi)歇爾（H. E. Fischer）提出多肽是由氨基酸通過酰胺鍵連接而成，1903年，他首次報(bào)道了一種合成肽的方法。肽合成技術(shù)的不斷發(fā)展，使得人們在當(dāng)時(shí)就能夠合成人體內(nèi)的許多微量活性肽（如胰島素、催產(chǎn)素），促進(jìn)了生命科學(xué)在人體激素調(diào)控方面的研究。而肽合成技術(shù)的突破性進(jìn)展來自1963年美國人梅里菲爾德（R. B. Merrifield）提出的固相多肽合成技術(shù)（SPPS）（他因此獲得了1984年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）。這一突破性合成方法的發(fā)明無疑促進(jìn)了生命科學(xué)的發(fā)展，它不僅使得大多數(shù)肽的合成變成了可以通過自動(dòng)合成儀器實(shí)現(xiàn)的“按部就班”的工作，多肽合成的速度和質(zhì)量也大為提高，為生命科學(xué)提供了足量的用于研究的材料，也為醫(yī)藥事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)（圖2）。梅里菲爾德的方法同樣也促進(jìn)了寡核苷酸等的化學(xué)合成的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而推動(dòng)了生物工程的蓬勃發(fā)展。有機(jī)合成化學(xué)家對生理活性寡糖的模擬合成，不僅能驗(yàn)證天然存在寡糖?螄生物功能關(guān)系的重要結(jié)論，而且能為進(jìn)一步化學(xué)修飾，合成自然界不存在但具有強(qiáng)大生理功能的產(chǎn)物創(chuàng)造了條件。合成化學(xué)使得碳水化合物的大量制備成為可能，更為重要的是，人類可以根據(jù)需要任意設(shè)計(jì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，并通過化學(xué)合成使其從紙面上的結(jié)構(gòu)成為實(shí)實(shí)在在的有用物質(zhì)。因此，合成化學(xué)對于研究寡糖結(jié)構(gòu)—功能的關(guān)系是必不可少的方法。
圖2. 從人工全合成牛胰島素到固相多肽合成技術(shù)的發(fā)明—合成化學(xué)促進(jìn)了生命科學(xué)的發(fā)展
上世紀(jì)50年代以來，生命科學(xué)的研究尺度進(jìn)入分子水平，這為合成化學(xué)拓展了一個(gè)巨大的發(fā)展空間。隨著人類基因組草圖的繪制完成而引發(fā)的后基因組時(shí)代的到來，使蛋白質(zhì)組的研究成為生命科學(xué)的一個(gè)重要方向?？茖W(xué)家們不僅希望了解這樣一些體內(nèi)生物過程的機(jī)制，更需要具備調(diào)控這樣一種過程的能力，從而最終有能力控制、治愈疾病甚至延長壽命。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有些許能夠通過調(diào)控基因達(dá)到這一目的的方法，但是遺傳信息并不直接參與生命活動(dòng)，而是通過控制蛋白質(zhì)的形成間接地指導(dǎo)有機(jī)體的新陳代謝。也就是說，一個(gè)基因所含的遺傳信息，通過一系列復(fù)雜的反應(yīng)，最終導(dǎo)致了相應(yīng)蛋白質(zhì)的形成，蛋白質(zhì)再參與到生命的各種活動(dòng)中去。因此我們可以而且更容易從蛋白質(zhì)水平去進(jìn)行調(diào)控，通過合成一系列的有機(jī)小分子或者小肽進(jìn)行篩選，以調(diào)控某些生物過程。這一方法已經(jīng)成為現(xiàn)代藥物發(fā)現(xiàn)的主要途徑之一。單從數(shù)量上看，我們大約需要30萬個(gè)小分子來調(diào)控不同的基因及其下游的生物過程。由于一個(gè)合適的調(diào)控劑可能要從成百、上千乃至數(shù)萬個(gè)小分子中才能篩選得到，這就需要合成化學(xué)家提供300萬個(gè)甚至3億個(gè)候選的化合物，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，這也自然而然地導(dǎo)致了又一個(gè)交叉前沿學(xué)科——化學(xué)生物學(xué)的誕生[7]。
化學(xué)生物學(xué)是研究生命過程中化學(xué)基礎(chǔ)的科學(xué)，它主要是使用小分子作為工具解決生物學(xué)的問題或通過干擾/調(diào)節(jié)正常過程而了解蛋白質(zhì)的功能。顯然這為新世紀(jì)化學(xué)的發(fā)展，特別是充分發(fā)揮合成化學(xué)的創(chuàng)造力提供了更為廣闊的空間。最近，著名雜志Cell Stem Cell刊載了一篇利用化學(xué)小分子替代基因誘導(dǎo)“皮膚干細(xì)胞”（iPS細(xì)胞）的文章[8]。通常情況下，要將成人的皮膚細(xì)胞重編程轉(zhuǎn)化為胚胎干細(xì)胞（即皮膚干細(xì)胞）需要4個(gè)基因參與。研究人員利用一種合成的小分子化學(xué)物質(zhì)2-(3-(4-甲基吡啶-2-基)-1H-吡唑-4-基)-1,5-萘啶（RepSox）代替了其中的Sox2和cMyc基因的功能。由于cMyc基因能夠促進(jìn)腫瘤的發(fā)生，因此利用其轉(zhuǎn)化成的“皮膚干細(xì)胞”并不能用于人類疾病治療，那么利用RepSox取代cMyc基因產(chǎn)生iPS細(xì)胞的方法就具有了重要的生物學(xué)意義：這一化學(xué)物質(zhì)為某些需要做移植手術(shù)的患者產(chǎn)生更安全的干細(xì)胞提供了一種可能的有效途徑。更大的驚喜來自于2010年5月，美國遺傳學(xué)家文特爾（C. Venter）宣布第一個(gè)人造合成細(xì)胞問世[9]?？茖W(xué)家對絲狀支原體細(xì)菌進(jìn)行基因復(fù)制，產(chǎn)生合成基因組，然后移植給另一個(gè)活細(xì)菌山羊支原體，使其成為創(chuàng)造新生命的器皿。這一成果的出現(xiàn)使得人類在未來很可能能夠按照需要?jiǎng)?chuàng)造合成基因組，產(chǎn)生“人造生命”，用以制造生物燃料、藥物或其他化學(xué)品。這一“人造生命”的誕生正是合成化學(xué)、分子生物學(xué)和其他一系列學(xué)科共同作用的結(jié)果，體現(xiàn)了人類對改造自然的無限能動(dòng)性。
合成化學(xué)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)
合成化學(xué)為人類的生存發(fā)揮了不可替代的作用。19世紀(jì)以前，農(nóng)業(yè)上所需氮肥的來源主要是有機(jī)物的副產(chǎn)品，如糞類、種子餅及綠肥等，這顯然不能滿足當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)的需求。由于大氣中4/5都是氮?dú)?，因此如何將大氣中極其穩(wěn)定的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成可以被植物利用的物質(zhì)形式即所謂的“固氮”，一直是科學(xué)家關(guān)注的重大課題。
利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個(gè)挑戰(zhàn)性課題，從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，經(jīng)歷了150多年的時(shí)間。1909年哈勃（F. Haber）在600℃、 200個(gè)大氣壓下，用金屬鋨作催化劑，以6%的收率成功地在實(shí)驗(yàn)室中獲得合成氨，開啟了合成氨的新紀(jì)元。后來博施（C. Bosch）進(jìn)一步改進(jìn)了這一技術(shù)（以鐵為催化劑），成為著名的 “哈伯-博施法” 合成氨過程。合成氨的原料來自空氣、煤和水，是最經(jīng)濟(jì)的人工固氮方法。今天，合成氨已經(jīng)成為最為重要的化工產(chǎn)品之一，世界上每年合成氨產(chǎn)量超過2億噸，以合成氨為原料的尿素產(chǎn)量達(dá)到1.5億噸，在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有重要地位。合成氨的工業(yè)技術(shù)結(jié)束了人類完全依靠天然氮肥的歷史，農(nóng)業(yè)上使用的其它氮肥，例如硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以合成氨為原料，大大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。由于這項(xiàng)革命性的合成技術(shù)，哈勃和博施分別獲得1918年和1931年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。合成氨技術(shù)作為20世紀(jì)最重要的發(fā)明，顯然是當(dāng)之無愧的。
合成氨和合成尿素的發(fā)展為農(nóng)作物的生長提供了充足的養(yǎng)料，而合成化學(xué)對農(nóng)業(yè)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不止于此。大量事實(shí)表明，合成材料如農(nóng)用薄膜、滴灌管材、合成農(nóng)藥等同樣為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。如果不施用農(nóng)藥，世界糧食產(chǎn)量將因受病、蟲、草害的影響而損失1/3。舉例來說，在美國，如果不使用農(nóng)藥，農(nóng)作物和畜產(chǎn)品將減產(chǎn)30%，而農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格將增長50%—70%；由于美國是最大的糧食出口國，這個(gè)幅度的下降，會(huì)造成世界性的饑荒。不止如此，如果要彌補(bǔ)單產(chǎn)下降引起的糧食供給就必須開墾大量的土地，這必然會(huì)造成自然環(huán)境的破壞，更多的天然雨林或者森林植被要被用來進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。如果不用除草劑，人工除草不僅會(huì)大大增加農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，土壤流失的風(fēng)險(xiǎn)也將急劇增加；如果不用殺菌劑，不僅花生的產(chǎn)量將下降60%多，由病菌產(chǎn)生的天然毒素（毒性可能強(qiáng)于某些農(nóng)藥）的量也可能會(huì)急劇增加，對人類的健康產(chǎn)生威脅；隨著世界越來越開放，外來生物的入侵愈演愈烈，如果一個(gè)外來生物入侵，不用化學(xué)農(nóng)藥應(yīng)急處理，而使用生物方法則很難在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全控制。除了依靠改良品種、提高栽培技術(shù)、應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)以及使用農(nóng)機(jī)、化肥等措施以外，使用農(nóng)藥這一不可或缺的生產(chǎn)資料來防治病蟲草害對農(nóng)作物的肆虐，是提高農(nóng)作物單產(chǎn)的一個(gè)十分重要的手段。我國糧食作物由于使用化學(xué)農(nóng)藥，每年挽回的糧食損失達(dá)5 800萬噸。對于我國這樣一個(gè)人口眾多、耕地緊張的大國，農(nóng)藥在緩解人口與糧食的矛盾中發(fā)揮了極其重要的作用（圖3）。
圖3.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)離不開合成化肥和農(nóng)藥—合成化學(xué)為人類的生存發(fā)揮了不可替代的作用
但不可否認(rèn)的是，農(nóng)藥的長期大量使用，對環(huán)境、生物安全和人體健康都可能產(chǎn)生較大的不利影響。上世紀(jì)曾一度廣泛使用的農(nóng)藥滴滴涕（DDT）就是一個(gè)典型的例子, 這給科學(xué)家們提出了一個(gè)不容回避的現(xiàn)實(shí)問題：在充分肯定農(nóng)藥的有利作用的同時(shí)，如何充分認(rèn)識(shí)農(nóng)藥對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生的危害以及如何防治農(nóng)藥對環(huán)境的污染危害。這既是一個(gè)挑戰(zhàn)，但同時(shí)也為合成化學(xué)提供了一個(gè)更為重要的舞臺(tái)?？v觀農(nóng)藥的發(fā)展歷史，從所謂的第一代農(nóng)藥到第五代農(nóng)藥，特別是第三代的昆蟲生長控制劑、第四代的昆蟲行為控制劑和第五代的昆蟲心理控制劑，由過去的殺生、高度、廣譜到現(xiàn)在的控制、低毒、選擇性農(nóng)藥，這是合成化學(xué)與其它科學(xué)共同相互協(xié)作、相互促進(jìn)的結(jié)果。
同時(shí)我們也應(yīng)該看到，近些年來提倡的“回歸天然”、“有機(jī)食品”等概念已經(jīng)深入人心，使得農(nóng)藥似乎成了一個(gè)公眾敏感的詞匯，尤其是在當(dāng)今食品安全堪憂的語境下，兼以不斷涌現(xiàn)在公眾面前的晦澀的化學(xué)名詞，如“三聚氰胺”、“化學(xué)火鍋”等等，更是將化學(xué)推向了“妖魔化”的境地。于是有人建議：人們不要食用任何一種連它的化學(xué)名字都讀不出來的東西。若真的遵循這樣的規(guī)則，恐怕沒有一個(gè)人能存活下去，因?yàn)榫瓦B我們平日食用的白砂糖都不是所有人都能讀得出它的化學(xué)名稱。將一些化學(xué)物質(zhì)用于食品領(lǐng)域并不是化學(xué)學(xué)科的錯(cuò)誤，這不僅需要執(zhí)法機(jī)關(guān)的嚴(yán)格篩查，也需要化學(xué)家的科普宣傳，以減少公眾對化學(xué)的誤解和負(fù)面印象。
合成化學(xué)與材料科學(xué)
合成化學(xué)徹底改變了人類的生活方式。從人類文明的早期開始，人們就懂得利用鐵礦石、銅礦石和木炭一起加熱制得鐵和銅用來制造各式的鐵器和銅器。這些單質(zhì)狀態(tài)的金屬在自然界是極少存在的，通常都需要化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行制備，這大概是合成化學(xué)的開端。人類歷史上第一種完全人工合成的塑料是在1909年由貝克蘭（L. Baekeland）用苯酚和甲醛制造的酚醛樹脂，又稱貝克蘭塑料。1935年，以繭絲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，卡羅瑟斯（W. H. Carothers)首次成功地合成了尼龍66，這一發(fā)明，促進(jìn)了有機(jī)高分子合成化學(xué)的發(fā)展。20世紀(jì)40年代乙烯類單體的自由基引發(fā)聚合迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了包括氯乙烯、聚苯乙烯和有機(jī)玻璃等的工業(yè)化生產(chǎn)，這是合成高分子蓬勃發(fā)展的時(shí)期。在第一次世界大戰(zhàn)期間，迫于橡膠缺乏，德國人采用二甲基丁二烯聚合合成了甲基橡膠。1930年德國和前蘇聯(lián)以丁二烯作為單體，金屬鈉作為催化劑，合成了丁鈉橡膠。而丁二烯與苯乙烯共聚則可以得到丁苯橡膠，它的性質(zhì)與天然橡膠相似。事實(shí)上，在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國軍隊(duì)就是因?yàn)橛卸”较鹉z，橡膠供應(yīng)才沒有出現(xiàn)嚴(yán)重短缺，蘇聯(lián)也用了同樣的方法。美國在戰(zhàn)后大力研究合成橡膠，首先合成了氯丁橡膠，氯原子使氯丁橡膠具有天然橡膠所不具備的一些抗腐蝕性能。進(jìn)入50年代，從石油裂解而得到的烯烴主要包括乙烯與丙烯，德國人齊格勒（K. Ziegler）與意大利人納塔（G. Natta）分別發(fā)明用金屬絡(luò)合催化劑合成低壓聚乙烯與聚丙烯的方法，兩者分別于1952年和1957年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，這是高分子合成化學(xué)的歷史性突破，他們因此獲得1963年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。60年代，由于登月工程的需求驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致了可作為太空服原材料、航天飛機(jī)高溫粘合劑以及超音速飛機(jī)的復(fù)合材料等耐高溫合成材料的誕生。被杜邦公司上世紀(jì)40年代發(fā)明的特氟龍PTFE（聚四氟乙烯）是另一類性能優(yōu)異的合成材料，具有耐酸堿、耐高溫、極低的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性以及極好的化學(xué)穩(wěn)定性，是原子能、國防、航天、電子、化工、紡織等領(lǐng)域不可取代的關(guān)鍵產(chǎn)品?？茖W(xué)家還合成了很多其他有機(jī)高分子材料，如涂料、粘結(jié)劑、離子交換樹脂等等，并制成了很多新的產(chǎn)品。在離子交換樹脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來的離子交換膜，在淡化海水、人造腎、藥物的定時(shí)釋放等方面都起著很重要的作用。
無機(jī)合成化學(xué)為廣泛應(yīng)用的新型無機(jī)材料, 如耐高溫、耐高壓、耐低溫、光學(xué)、電學(xué)、磁性、超導(dǎo)、儲(chǔ)能與能量轉(zhuǎn)換以及納米材料等的發(fā)展開辟了廣闊的天地，一些無機(jī)材料的發(fā)展還推動(dòng)了催化領(lǐng)域（如石油煉制、精細(xì)化工等）的進(jìn)步。近幾十年來，一系列重量輕、強(qiáng)度高、耐熱性能好的無機(jī)纖維，如硼纖維、碳纖維等，以及氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等耐高溫材料的成功合成，為航空、航天技術(shù)的發(fā)展起到了重要推動(dòng)作用。例如在波音787夢幻飛機(jī)上，由于大面積使用了碳纖維復(fù)合材料而大大減輕了飛機(jī)重量，據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)身制造使用的碳纖維重量占波音787重量的61%，占全機(jī)80%體積的構(gòu)件均為碳纖維復(fù)合材料；同樣，在空客A380的制造中，也大量使用了合成材料，飛機(jī)約25%由高級減重材料制造，其中22%為碳纖維復(fù)合材料，使得A380每乘客百公里油耗不到3升，相當(dāng)于一輛經(jīng)濟(jì)型家用汽車的油耗（圖4）。
圖4. 合成化學(xué)徹底改變了人類的生活方式—人工合成的高性能材料廣泛應(yīng)用于航空、航天
當(dāng)今最主要的3大合成材料——合成塑料、合成纖維和合成橡膠，它們均主要以石油、天然氣或煤等為原料，全球年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)億噸，當(dāng)然，今天倡導(dǎo)的可再生原料的應(yīng)用也離不開合成化學(xué)。這些材料在工農(nóng)業(yè)、國防以及人民生活等方面正發(fā)揮著巨大的作用。設(shè)想如果沒有這些材料，我們今天的生活顯然是無法想像的。事實(shí)上，這些合成材料的發(fā)明徹底改變了人類的生活方式。
合成化學(xué)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
合成化學(xué)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)從小分子到大分子、從單分子基元到超分子體系的構(gòu)筑，實(shí)現(xiàn)化學(xué)、區(qū)域和立體選擇性的控制，同時(shí)創(chuàng)造出具有理想性質(zhì)和功能的新物質(zhì)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，十年中已有4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)域的巨大創(chuàng)造力和活力以及對科學(xué)和人類社會(huì)的貢獻(xiàn)。盡管合成化學(xué)已經(jīng)達(dá)到了空前的成熟水平，但基于當(dāng)今人類面臨的諸如健康、糧食、資源、能源、材料、環(huán)境和氣候等重大問題的情況下，合成化學(xué)的發(fā)展前景將更為廣闊，并將繼續(xù)在諸多領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。2001年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主野依良治教授指出：未來的合成化學(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)物而沒有廢物產(chǎn)生[3]。因此，如何通過對化學(xué)鍵的選擇性活化、斷裂與可控性重組，通過弱相互作用的調(diào)節(jié)精確組裝功能超分子體系，實(shí)現(xiàn)以100%產(chǎn)率和100%選擇性對特定功能物質(zhì)和結(jié)構(gòu)體系低耗、安全、經(jīng)濟(jì)與綠色合成，是合成化學(xué)領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)。
無論現(xiàn)在還是未來，合成化學(xué)的另一明確方向是不斷與其他領(lǐng)域交叉與融合，以產(chǎn)生更多的跨學(xué)科新領(lǐng)域，從這個(gè)角度而言，合成化學(xué)需要極高水平的科學(xué)創(chuàng)造力和洞察力，以探索其無限的可能性。2001年度另一位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主夏普萊斯（K. B. Sharpless）教授提出了點(diǎn)擊化學(xué)（click chemistry）的概念，強(qiáng)調(diào)合成反應(yīng)必須具有高產(chǎn)率、高選擇性以及對各種官能團(tuán)和反應(yīng)條件優(yōu)異的耐受性，這一概念的提出為生命科學(xué)、材料科學(xué)領(lǐng)域提供了全新的理念、方法和物質(zhì)基礎(chǔ)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于藥物、新材料開發(fā)和分子生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)等諸多研究領(lǐng)域，成為目前最實(shí)用和引人注目的合成理念之一。
未來的合成化學(xué)將繼續(xù)發(fā)揮創(chuàng)造力，不斷深化學(xué)科內(nèi)涵并拓展其與其他學(xué)科的交叉與融合。針對合成對象和合成過程的可控、高效、低能耗、低排放、高選擇性等要求，面向生命科學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域?qū)π挛镔|(zhì)、新材料和新器件的需求，研究功能導(dǎo)向新物質(zhì)的設(shè)計(jì)理論、反應(yīng)過程、合成與組裝方法學(xué)；探討合成反應(yīng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的機(jī)理與本質(zhì)規(guī)律；借鑒生命體系的生物合成和演化過程，結(jié)合物理、材料科學(xué)等學(xué)科的研究手段和技術(shù)，發(fā)展新的合成策略，以滿足在分子設(shè)計(jì)指導(dǎo)下定向合成各種特定結(jié)構(gòu)和特定功能化合物及其組裝體的需求。
合成化學(xué)將創(chuàng)造更美好的未來世界
在過去的100多年里，合成化學(xué)為人類社會(huì)的進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)：合成化學(xué)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展、解決60億人生存問題發(fā)揮了不可替代的作用；合成化學(xué)制造的藥物使人類的健康水平得到空前提高；合成化學(xué)創(chuàng)造的各種新材料徹底改變了人類的生活方式；合成化學(xué)還為探索生命科學(xué)的奧秘提供了的重要方法和物質(zhì)基礎(chǔ)。合成化學(xué)家不斷創(chuàng)造出的合成新方法、對于化學(xué)機(jī)理的不斷明晰使人類可以“馳騁”在整個(gè)元素周期系中，不斷創(chuàng)造出新的物質(zhì)，這一過程大大增加了人類在認(rèn)識(shí)自然和改造自然界中的能動(dòng)性，并創(chuàng)造出了新的生產(chǎn)、生活方式。我們現(xiàn)在已經(jīng)可以很好地利用自然界諸如石油和煤這樣簡單、豐富的天然資源，創(chuàng)造出一系列復(fù)雜的、更具價(jià)值的物質(zhì)。在不久的未來，我們將能設(shè)計(jì)、制造出更多具備各種性能、滿足人類需求的物質(zhì)。
當(dāng)今，人們在享受化學(xué)為社會(huì)帶來的物質(zhì)財(cái)富和豐富多彩的生活時(shí)，很少會(huì)想到化學(xué)所發(fā)揮的作用，甚至在公眾的心目中，化學(xué)反而似乎站在了“綠色”、“環(huán)?！钡膶α⒚?，傳媒所注重的也常常是一些化學(xué)所產(chǎn)生的危害。對此，科學(xué)界一方面要加強(qiáng)科普力度，消除公眾對化學(xué)科學(xué)的誤解，另一方面，也要極大地關(guān)注科學(xué)發(fā)展的“雙刃劍”效應(yīng)，將合成化學(xué)發(fā)展與社會(huì)效益緊密地聯(lián)系在一起。
綠色化學(xué)已經(jīng)成為未來合成化學(xué)的核心理念，其宗旨在于從根本和源頭上最大限度地減少對人類造成的危害，這種“綠色化學(xué)”的理念在為經(jīng)濟(jì)帶來繁榮的同時(shí)也承擔(dān)了社會(huì)責(zé)任。綠色化學(xué)并不是一個(gè)單純的口號，它是合成化學(xué)研究不可或缺的原則?；谶@樣的目標(biāo)，合成反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性應(yīng)予以高度重視，催化劑應(yīng)使反應(yīng)過程更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)境友好，應(yīng)更強(qiáng)調(diào)資源的3R（即減量、回收和再利用）[3]。要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，需要科學(xué)界、政府、工業(yè)界等社會(huì)各界的共同努力。除了建立和不斷完善相關(guān)法律、法規(guī)，加大宣傳和執(zhí)法力度，提高全民、全社會(huì)的環(huán)境保護(hù)意識(shí)外，合成化學(xué)家承擔(dān)著更重大的責(zé)任，因?yàn)榻忖忂€需系鈴人，由化學(xué)而產(chǎn)生的問題應(yīng)該由化學(xué)來解決。要解決這些問題，既要重視技術(shù)的改良與進(jìn)步，更要重視解決基本科學(xué)問題，提出新的概念、發(fā)現(xiàn)新的方法，并靈活運(yùn)用其基本原理。我們必須認(rèn)識(shí)到化學(xué)在未來世界中的重要作用，重視化學(xué)這一基礎(chǔ)學(xué)科。要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)潔凈的世界、一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)，在很大程度上要靠全社會(huì)共同努力來實(shí)現(xiàn)。相信合成化學(xué)一定能夠?yàn)槲覀兠魈旄篮玫纳畎l(fā)揮其無限的創(chuàng)造力，做出新的、更大的貢獻(xiàn)！
致謝 衷心感謝戴立信院士為本文提出的寶貴意見和建議。
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