生活中，人們常會(huì )問(wèn)：“化學(xué)是干什么的？”哈佛大學(xué)George Whitesides教授的這句話(huà)比較恰當地回答了這個(gè)問(wèn)題：“化學(xué)決定了你活著(zhù)和死去的方式。”

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化學(xué)和我們的生活密切相關(guān)。如果用學(xué)術(shù)的語(yǔ)言描述化學(xué)，化學(xué)是研究物質(zhì)的組成結構、性質(zhì)以及變化規律的一門(mén)科學(xué)，與我們身邊看得見(jiàn)摸得著(zhù)的物質(zhì)相關(guān)。物質(zhì)是世界的基礎?；瘜W(xué)跟很多領(lǐng)域關(guān)系非常密切，包括材料、生命、信息、空間等各類(lèi)學(xué)科，是一門(mén)核心、實(shí)用、富有創(chuàng )造性的科學(xué)，是人們認識自然、改造自然，提高人類(lèi)的生活質(zhì)量和健康水平的保證，同時(shí)又能促進(jìn)其他學(xué)科的發(fā)展，推動(dòng)社會(huì )的進(jìn)步。

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2001年的諾貝爾化學(xué)獎獲得者野依良治說(shuō)：“化學(xué)是現代科學(xué)的中心，而合成化學(xué)又是化學(xué)的中心。”化學(xué)最重要的兩個(gè)方面，一個(gè)是怎么創(chuàng )造物質(zhì)，一個(gè)是研究物質(zhì)的性質(zhì)。在這兩者中，核心是分子或者材料的創(chuàng )制，研究化學(xué)鍵活化、斷裂重組的規律，這是化學(xué)轉化的本質(zhì)；目標是精準，變革和新功能。

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分子合成徹底改變了人類(lèi)的生產(chǎn)生活方式。在自然科學(xué)各個(gè)學(xué)科中，只有化學(xué)是有工業(yè)體系的，因為化學(xué)不僅能夠制造、分離和純化出自然界已經(jīng)存在的物質(zhì)，還能夠創(chuàng )造出具有理想功能性質(zhì)的、自然界中不存在的物質(zhì)?；瘜W(xué)還可以通過(guò)跟其他學(xué)科的交叉融合，產(chǎn)生跨學(xué)科的前沿交叉領(lǐng)域，這些新的交叉學(xué)科領(lǐng)域又對合成化學(xué)本身提出了更高的要求，提供了新的機遇。下面我們從幾個(gè)方面來(lái)談一談化學(xué)對人類(lèi)社會(huì )的貢獻。

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1828年，德國化學(xué)家威廉第一次用人工方法從無(wú)機物合成出有機物——尿素，這標志著(zhù)現代合成化學(xué)的誕生。截至2021年5月的數據，人類(lèi)合成的分子現在已經(jīng)超過(guò)1.5億種，第1.5億種化學(xué)分子誕生在2021年的5月8號，是一個(gè)能夠治療癌癥和免疫疾病的分子。由此可見(jiàn)，合成化學(xué)為人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展做出了很大的貢獻。按照化學(xué)空間理論，以分子量500為界限，對藥物設計常見(jiàn)的幾種元素進(jìn)行排列組合，能夠創(chuàng )造的化學(xué)分子種類(lèi)是10⁶³，而我們已經(jīng)做出來(lái)只有1.5億個(gè)，只是滄海一粟。

分子合成能夠帶來(lái)的收益也是非常大的?；A化學(xué)工業(yè)的一塊錢(qián)投入，平均能帶來(lái)四塊錢(qián)的GDP，創(chuàng )造的價(jià)值是很可觀(guān)的。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)小小的藥物分子，一年能創(chuàng )造的價(jià)值是100多億美金。除此之外，分子合成還能創(chuàng )造社會(huì )價(jià)值，例如青蒿素的發(fā)現，在青蒿素的基礎上衍生出來(lái)雙氫青蒿素、蒿甲醚、蒿乙醚琥珀酸酯，這些抗瘧藥物的源頭——青蒿素是拯救上億人的神藥。

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除此之外，還有合成氨、液晶等100多年前發(fā)現的、到今天人人身邊都有用到的這些材料，以及聚烯烴的催化劑——從發(fā)現到獲得諾貝爾化學(xué)獎并且實(shí)現工業(yè)化只有不到10年時(shí)間?；瘜W(xué)對人類(lèi)的影響是很大的，就在我們身邊，不需要復雜的儀器，所創(chuàng )造的分子就有可能改變世界。

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大家都知道諾貝爾獎的設立過(guò)程：最初的炸藥是不安全的，諾貝爾用復合材料做出安全炸藥，賺了很多錢(qián)，使得人類(lèi)征服自然的能力提高了，于是設立了諾貝爾獎。

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合成化學(xué)也是一個(gè)認知不斷的提升的過(guò)程，沿著(zhù)從平面到立體，從小分子到大分子，從簡(jiǎn)單到復雜的方向發(fā)展。100多年來(lái)的諾貝爾化學(xué)獎的歷史，半數以上都與物質(zhì)的合成或創(chuàng )制有關(guān)。有些諾貝爾化學(xué)獎也給了物理學(xué)家和生物學(xué)家，因為他們?yōu)榛瘜W(xué)研究提供了工具，或者是將研究的過(guò)程推進(jìn)到分子水平。特別是2000年以后，諾貝爾化學(xué)獎獲獎都是跟化學(xué)合成或者分子創(chuàng )制有關(guān)的。

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合成化學(xué)為人類(lèi)進(jìn)步做出了很大的貢獻。號稱(chēng)20世紀的六大發(fā)明的信息技術(shù)、生物技術(shù)、核科學(xué)與核武器、航空航天導彈、激光技術(shù)和納米技術(shù)，如果沒(méi)有化學(xué)合成創(chuàng )造的物質(zhì)基礎，這些技術(shù)根本沒(méi)有辦法實(shí)現。退一步講，這六大技術(shù)不是人類(lèi)生存所必需的。但是如果沒(méi)有合成氨，地球的糧食很難支撐地球上的80億人口；如果沒(méi)有抗生素和合成藥物的發(fā)明，人類(lèi)的壽命不可能到今天的水平。

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抗生素、抗菌素在人類(lèi)歷史中起的作用是非常大的。人類(lèi)的平均壽命在上世紀50年代有比較大的提高。在這之前，一次感冒、一次感染就是致命的，我們對這些疾病和炎癥束手無(wú)策。而磺胺類(lèi)藥物的發(fā)現完全改變了這一現象。

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最初，英國合成了苯胺類(lèi)染料，生物學(xué)家用它來(lái)做細胞染色，這一過(guò)程中發(fā)現它可以殺死細菌。后來(lái)，德國的杜馬克發(fā)現一種名為百浪多息的染料分子，對溶血性鏈球菌有很好的療效，他用這種物質(zhì)挽救了他患敗血癥的女兒的生命。后來(lái)的研究發(fā)現，這種分子到人體內后，代謝出有活性的對氨基苯磺酰胺藥物分子。它的合成有比百浪多息要容易得多，而且價(jià)格更加便宜，這種藥物也是二戰前唯一有效的抗細菌感染藥物，挽救了無(wú)數人的生命。杜馬克也獲得了1939年諾貝爾生理學(xué)醫學(xué)獎。

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磺胺藥物的問(wèn)世標志著(zhù)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。當然，細菌也會(huì )產(chǎn)生抗藥性，所以科學(xué)家要不斷合成新的結構來(lái)應對挑戰?，F在在市場(chǎng)上還有幾十種磺胺類(lèi)的藥物。從磺胺的發(fā)展歷程可以看出合成化學(xué)在新藥開(kāi)發(fā)過(guò)程中所起的作用：科學(xué)家可以按照現有分子去不斷地設計新結構的分子，讓它的性能更好。

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磺胺的發(fā)現看似偶然，但是在科學(xué)發(fā)現的過(guò)程中，偶然的背后也蘊含了必然。在抗擊新冠肺炎的過(guò)程中，我們做出來(lái)的藥物阿茲夫定，只需要每天服用5毫克，5天左右可以使病人轉陰。當然，國外公司也有研發(fā)成功的藥物，例如美國的輝瑞，日本的鹽野義等。如果自己沒(méi)有特效藥，那么我國在與輝瑞公司談判的時(shí)候也將失去籌碼，被迫接受對方開(kāi)出的高價(jià)。在這一方面，我國的合成化學(xué)家作出了重要的貢獻。

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其次，我想談一下合成化學(xué)和生命科學(xué)。生命的過(guò)程歸根到底是一系列化學(xué)變化過(guò)程。生物學(xué)和醫學(xué)的研究，都需要理解這些化學(xué)變化的過(guò)程，需要合成化學(xué)來(lái)提供物質(zhì)基礎。

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生物中有三大活性物質(zhì)：蛋白、核酸、多糖。我國在1965年成功實(shí)現人工合成牛胰島素，標志著(zhù)人工合成蛋白質(zhì)時(shí)代的開(kāi)始，我們是用經(jīng)典的人海戰術(shù)。而后來(lái)美國化學(xué)家發(fā)明了固相多肽的合成技術(shù)，讓蛋白的合成實(shí)現機器的自動(dòng)化，獲得了1984年諾貝爾化學(xué)獎，后來(lái)這項技術(shù)又用在核酸的合成。目前，蛋白和核酸的合成能力已經(jīng)非常高，很多多肽、蛋白類(lèi)藥物，都是通過(guò)化學(xué)和生物方法合成的。而多糖類(lèi)的合成方面雖然也有一些方法，但是沒(méi)有根本的突破。多糖類(lèi)物質(zhì)跟免疫和癌癥都有關(guān)系，在座的同學(xué)們未來(lái)可以去挑戰。

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上世紀50年代，生命科學(xué)的發(fā)展到了分子水平。后來(lái)，人類(lèi)基因組草圖完成，蛋白質(zhì)成為重要的研究方向?？茖W(xué)家不僅要了解這些生物過(guò)程的機制，還要知道怎么去調控這些過(guò)程。人體是平衡的，平衡的保持與治療疾病和延長(cháng)壽命都有關(guān)系。

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生命的遺傳信息不直接參與生命活動(dòng)，而是通過(guò)控制蛋白的合成來(lái)調控新陳代謝。一個(gè)基因所含的遺傳因素，可以通過(guò)一系列的復雜的反應，最終指導蛋白的合成，參與生命過(guò)程。代謝中的小分子可以調控蛋白的功能。找到起作用的蛋白，然后用小分子去調控它，這就是藥物設計中的靶點(diǎn)和藥物的關(guān)系。

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據測算，生命活動(dòng)中的蛋白調控大約需要30萬(wàn)個(gè)分子?？紤]到篩選的命中率很低，我們可能需要對3,000萬(wàn)個(gè)分子進(jìn)行篩選。用小分子作為調控工具來(lái)研究化學(xué)的生命過(guò)程中化學(xué)基礎，通過(guò)調控干擾，來(lái)了解蛋白質(zhì)的功能，一個(gè)新的學(xué)科就這樣誕生了。

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另外一個(gè)例子是干細胞。正常的皮膚細胞通過(guò)基因改造可以變成干細胞，用于疾病治療。如果這些細胞有致癌基因，皮膚干細胞就有致癌風(fēng)險。我們可以用化學(xué)小分子來(lái)替代基因改造，這樣做出來(lái)的皮膚干細胞就沒(méi)有風(fēng)險了。

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后來(lái)，美國遺傳學(xué)家宣布第一個(gè)人工合成的細胞的問(wèn)世。它的誕生也是合成化學(xué)、分子生物學(xué)交叉合作的結果，體現了人類(lèi)改造自然的無(wú)限的能動(dòng)性。

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對于農業(yè)來(lái)說(shuō)，合成氨作為肥料很重要。古時(shí)候農作物的產(chǎn)量，例如小麥，風(fēng)調雨順的條件下，畝產(chǎn)最多200斤，而現在畝產(chǎn)800斤，這與合成氨的發(fā)展關(guān)系很大。哈勃在1909年發(fā)現了氮氣氫化過(guò)程，但是反應條件非?？量?，600攝氏度200個(gè)大氣壓，并且使用有毒的催化劑。后來(lái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，用鐵做催化劑就可以。哈勃合成氨法到今天依然在應用，合成氨的年產(chǎn)量超過(guò)2億噸。合成氨工業(yè)結束了人類(lèi)完全依靠天然氮肥的歷史。如果沒(méi)有合成氨，就無(wú)法解決今天80億人的糧食的問(wèn)題。因此有人說(shuō)，合成氨技術(shù)是20世紀最重要的發(fā)明。除此之外，跟農業(yè)相關(guān)的農膜，農藥等等，都需要化學(xué)。

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在這當中，農藥曾經(jīng)產(chǎn)生了很多副作用，比如DDT殘留在鳥(niǎo)的體內，會(huì )使鳥(niǎo)的蛋殼軟化，不能孵化。未來(lái)農藥是朝著(zhù)綠色、環(huán)保高效發(fā)展的，從早期的高毒廣譜轉變?yōu)榈投?、選擇性。這需要合成化學(xué)和其他學(xué)科交叉實(shí)現。

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我們再談一下材料化學(xué)。三大合成材料的創(chuàng )造徹底改變了人類(lèi)生活，這里舉兩個(gè)例子。

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第一個(gè)例子，1986年時(shí)，美國的航天飛機發(fā)生了爆炸，是因為冬天溫度降低，其中的一個(gè)O形圈發(fā)生了收縮，導致其中的可燃液體爆炸。后來(lái)?yè)Q了含氟的材料就解決了這個(gè)問(wèn)題。第二個(gè)例子，無(wú)論是波音還是空客，這些飛機里大量地使用了合成材料，占了體積的80%左右。目前，我國的的大飛機使用的合成材料占比不到20%，這是會(huì )影響到最終的運營(yíng)成本的。雖然我們現在解決了大飛機從無(wú)到有的問(wèn)題，但是合成材料的效果要好很多，我們在這一方面還有不足。

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那么，合成化學(xué)未來(lái)的機遇是什么，還有沒(méi)有活力呢？

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從大的方面來(lái)說(shuō)，21世紀以來(lái)，已經(jīng)有6個(gè)諾貝爾化學(xué)獎與合成化學(xué)有關(guān)。合成化學(xué)的成果得到空前發(fā)展，如今，只要能設計出的結構，就能做出來(lái)。未來(lái)，合成化學(xué)的方向將與生物能源材料有關(guān)，與綠色健康智能有關(guān)，未來(lái)的合成化學(xué)一定是更加經(jīng)濟的、安全的、環(huán)境友好的、節省能源與資源的化學(xué)。

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合成化學(xué)家需要更高水平的科學(xué)創(chuàng )造力和洞察力，探索無(wú)限的可能性。在這里給大家介紹一位兩度獲得諾貝爾化學(xué)獎的科學(xué)家夏普萊斯，他也是我的好朋友，2016年以特聘教授身份來(lái)到上海有機所工作。

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他提出了“點(diǎn)擊化學(xué)”（click chemistry）的概念，改變了包括材料、生命科學(xué)、藥物在內的很多領(lǐng)域。不過(guò)“點(diǎn)擊化學(xué)”這個(gè)譯名是錯誤的，這里的click不是鼠標點(diǎn)擊，而是類(lèi)似于安全帶扣好時(shí)的“咔噠”聲。夏普萊斯認為，化學(xué)的核心有兩個(gè)，一是連接，二是功能。他關(guān)于“點(diǎn)擊化學(xué)”的工作在1998年就開(kāi)始了。到了上海有機所以后，2019年發(fā)表的論文加快了他第二次獲諾獎的速度。他的方法可以讓單人每小時(shí)做1000多個(gè)分子，極大地加快了分子設計的速度。他希望通過(guò)最好最快的科學(xué)，為老百姓做出便宜的有效的藥物。

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另一方面，合成化學(xué)與資源環(huán)境的未來(lái)也密切相關(guān)。例如。光伏發(fā)電需要合成化學(xué)提供光伏材料；液體陽(yáng)光——甲醇的利用與轉化也需要化學(xué)來(lái)支撐；白色污染變成清潔的燃油，也是一個(gè)有前景的研究方向。

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另外，化學(xué)轉化的綠色低能耗也很值得研究。例如，合成氨耗掉了全球2%的能源，而科學(xué)家一直夢(mèng)想著(zhù)在更溫和的條件下把氮氣變成氨。

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在材料方面，通過(guò)改變催化劑來(lái)改變材料性能的研究前景也很可觀(guān)。

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在生物技術(shù)方面，通過(guò)合成化學(xué)，我們可以用DNA來(lái)存儲電子數據，實(shí)現生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合。有人做過(guò)測算，全世界目前的數據只需214公斤的DNA就能完整記錄，這背后的物質(zhì)基礎，合成化學(xué)可以提供。

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未來(lái)的合成化學(xué)從原料到過(guò)程到產(chǎn)品一定是綠色的，這是可持續發(fā)展的重要理念。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。人類(lèi)所理解的僅僅是滄海一粟，科技創(chuàng )新的前沿永無(wú)止境，合成可以創(chuàng )造未來(lái)，合成可以創(chuàng )造價(jià)值，影響和改變世界。

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（本文系中國科學(xué)院院士丁奎嶺在“千名院士 千場(chǎng)科普”首場(chǎng)報告會(huì )上的報告，報告題目為《合成創(chuàng )造未來(lái)》，科學(xué)大院根據現場(chǎng)實(shí)況整理，經(jīng)作者審閱發(fā)布）

文章轉至;科學(xué)大院