該怎樣向你身邊的人介紹化學？合成化學有哪些用途？

美國化學家、哈佛大學教授喬治·懷特塞茲（George Whitesides）這句話很好地描述了化學與人們生活的關系：“化學改變人們活著和死去的方式。”

這句話乍看有些難以理解，先讀一個著名的化學小故事。

丁奎嶺 圖片由本人提供
 

磺胺誕生的故事

1856年，英國有機化學家珀金（Perkin）偶然合成獲得了苯胺類染料；19世紀后半葉，德國細菌學家科赫在苯胺類染料的基礎上，創建了細菌染色法。在給細菌染色過程中，科學家觀察到某些合成染料具有一定的殺菌作用。

1932年，德國I.G.染料工業研究所的病理學主任杜馬克（Domagk）在試驗過程中發現，一種被稱為“百浪多息”（Prontosil）的紅色偶氮類染料對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。

這一發現是里程碑式的，開啟了人工合成抗感染化學藥物的新紀元。

后來的科學家研究發現，發揮作用的并非“百浪多息”，而是該染料在生物體內代謝后生成的中間分子——對氨基苯磺酰胺起到藥物作用。相較于百浪多息，合成磺胺步驟更簡單，其價格也更加便宜。后來，它成為二戰前唯一有效的抗菌藥物，挽救了無數人的生命。杜馬克還因此獲得了1939年諾貝爾生理學或醫學獎。

磺胺的問世標志著合成藥物時代的到來，也開創了今天廣泛使用的抗生素領域。

這個故事，深刻詮釋了喬治·懷特塞茲的那句“化學改變人們活著和死去的方式”；同時，也表明了合成化學的重要性。難怪2001年諾貝爾化學獎獲得者野依良治說：“化學是現代科學的中心，而合成化學則是化學的中心。”

合成化學的“中心地位”

物質的獲取除了來自自然界以外，人工合成是更為重要的途徑。古代的煉金術和煉丹術其實也屬于合成化學的范疇。不過，現代的合成化學被認為誕生于1828年，德國化學家維勒第一次用人工方法由無機物質合成出了有機物質尿素。

在化學中，主要涉及兩個方面：創造合成物質、研究物質的結構與性質，所以其核心是分子或材料的創制，其根本問題是認識化學鍵的活化、斷裂、重組規律，詮釋化學轉化的本質，未來的合成化學聚焦過程的精準性、變革性與分子功能的導向性。因此，分子合成與生命、健康、農業、材料、能源等許多領域密切相關，徹底改變了人類的生產生活方式。

換言之，化學就在我們身邊，它可能不需要多么復雜的儀器，創造的分子就能影響甚至改變世界。

在學科相關的工業領域，只有化學有工業體系。然而，化學工業一個非常重要特點就是具有強大的創造力——它不僅能制造出自然界已存在的物質，還能創造出具有理想功能性質的、自然界中不存在的分子和物質。此外，它還可以通過與其他學科領域的交叉融合，產生更多跨學科的前沿交叉領域。

而這也對合成化學本身提出了更高的要求，帶來了更多新的機遇。

目前，CA登記（類似于ID）的化合物已經超過1.5億個，其中大部分是化學合成的。根據化學空間理論預測，化合物數量最多可達1063種，但目前我們人類已知的只有108種。因此，人類已經實現的合成空間還只是滄海一粟。

合成化學同時創造著巨大的社會經濟價值。有估算稱，基礎化學工業每創造1元錢的直接價值，后續就可能帶來4元錢的經濟價值。可以輕松舉例：化學制藥領域，類似立普妥、索非布韋等藥物分子，一個藥物每年就能創造數以百億美元的銷售；青蒿素的發現，通過化學合成衍生出了多種的抗瘧藥物。其他領域也是如此，1888年發現第一個液晶分子、100多年前發現的合成氨，毫無疑問都徹底改變了人們的生活。

人類對合成化學的認知也經歷過一個不斷提升的過程：從認識分子結構到對分子功能的發現，從平面到立體、從小分子到大分子、從簡單到復雜……人類不斷突破認知，合成化學也繼續朝著精準、功能、高效的方向發展。

眾所周知，諾貝爾獎也被稱為“炸藥獎”，其中蘊含了對諾貝爾在炸藥安全性改造方面的貢獻——炸藥起初并不安全，但諾貝爾將一種材料組合起來制成安全的硝化甘油炸藥，使人類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，后來設立了影響科學界至今的諾貝爾獎。

縱覽100多年的諾貝爾化學獎歷史，半數以上與物質的合成或創制有關，當然其中一些諾貝爾化學獎也給予了物理學家和生物學家，因為他們為化學研究提供了工具，或者是將對生命過程的理解推進到了分子水平。

自2000年以后，許多諾貝爾化學獎獲獎者都與化學合成或分子創制有關。這也間接說明合成化學為人類進步持續作出巨大貢獻。

2008年國家最高科技獎獲得者、中國科學院學部委員（院士）徐光憲先生曾說：“20世紀的6大發明，包括信息技術、生物技術、核科學、航空航天與導彈技術、激光技術、納米技術等這些發明，無不需要化學合成的新材料，如果沒有化學合成創造的物質基礎，這些技術根本無法實現。”

合成化學與生命科學息息相關

人類的健康、長壽都與合成化學息息相關。

前文磺胺問世的故事，其實還有后續。人們認識和使用磺胺后，大大提升了人類的平均壽命。但是，細菌的抗藥性也越來越強，自磺胺以來，科學家需要不斷發明、合成新的、性能更優、副作用更小的分子，來對付具有抗藥性的細菌。目前，市場上已有幾十種磺胺類藥物。

合成化學與生命科學也緊密相關。

20世紀50年代，生命科學達到了分子水平。隨著人類基因組計劃的成功實施，生命科學從基因組時代邁向蛋白質組時代。從那時起，科學家不僅想要了解體內生物過程的機制，更希望能夠調控這些過程，因為人類健康的密碼就是“平衡”，調控是必不可少的手段。而調控就是對蛋白分子相關的一系列復雜的生物化學反應的過程。

許多多肽或者蛋白、小分子和大分子藥物都是通過化學合成或生物合成來獲得。比如，人類在合成蛋白質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。當然，現在人類還沒有很好解決人工合成多糖的問題。雖然有了一些探索，但尚未取得根本性突破。糖在生物體內與免疫和許多疾病都有關聯，非常關鍵，糖的合成問題還需要一代又一代的科學家們去挑戰。

簡而言之，參與蛋白調控的小分子和肽，是生命科學的焦點。科學家估算過，用來調控不同基因及其下游的生物過程的小分子的數量約為30萬個。但是，要得到這30萬個小分子，大概需要從3000萬個小分子中篩選。這是一個天文數字，合成化學大顯身手的時代就這樣又一次出現在了生命科學領域。

合成化學的未來機遇

法國大文學家雨果曾說過：“與有待創造的東西相比，已經創造出來的東西是微不足道的。”這句話，形容合成化學恰如其分。

進入新世紀以來，20年間已經有6次諾貝爾化學獎授予合成化學領域的科學家，反映了這一領域巨大的創造力和活力。而合成化學自身，好像也已經到了空前成熟的水平。因為，無論分子多復雜，經過一段時間人們總是能夠通過摸索順利合成出來。尤其是1992年，日本化學家岸義人合成出了海葵毒素，極大地鼓舞了全世界的化學家，合成化學家甚至產生了“沒有合成不出來的分子”的觀點。

但是，2001年諾貝爾化學獎得主野依良治的一番話，仍舊需要人們記住。他說：“未來的合成化學必須是經濟的、安全的、環境友好的以及節省資源和能源的化學，化學家需要為實現‘完美的反應化學’而努力，即以100%的選擇性和100%的收率只生成需要的產物而沒有廢物產生。要實現上述目標，與其說是技術的進步，不如歸結為基本的科學問題的解決。”

那么，“基本的科學問題”解決了嗎？并沒有——

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”籠罩現代社會，聚乙烯廢塑料能不能溫和可控降解？

合成氨耗費掉了全球2%的能源，人類能不能更溫和地人工固氮？

DNA存儲了生命信息，能不能存儲人類數字化的信息數據？

……當這些問題被提出后，人們意識到，綠色化學（或稱“環境友好化學”）將是化學學科發展的重要方向，也應是未來合成化學的核心理念及不可或缺的原則。

合成化學領域的“科學老頑童”——2001年、2022年兩獲諾貝爾化學獎得主夏普萊斯，提出了“點擊化學”的概念，也深刻影響著合成化學的發展。點擊化學強調快速、高效、反應溫和、生物相容的化學合成，這無疑將深刻影響材料科學、生命科學、藥學等領域。

如今的合成化學，需要最高水平的科學創造力和洞察力，以探索無限的可能性。目前，我們人類所了解的自然和世界只是滄海一粟，科技創新的前沿永無止境。我堅信，合成可以創造未來，希望大家、尤其是年輕人積極加入這個領域，通過合成創造價值，用我們創造的分子來影響和改變世界。

（本文系中國科學院院士丁奎嶺在“千名院士 千場科普”首場報告會上的報告，《中國科學報》記者趙廣立整理，受權發布）