生活中，人們常會(huì)問：“化學(xué)是干什么的？”哈佛大學(xué)George Whitesides教授的這句話比較恰當(dāng)?shù)鼗卮鹆诉@個(gè)問題：“化學(xué)決定了你活著和死去的方式。”

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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)的語言描述化學(xué)，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)律的一門科學(xué)，與我們身邊看得見摸得著的物質(zhì)相關(guān)。物質(zhì)是世界的基礎(chǔ)?；瘜W(xué)跟很多領(lǐng)域關(guān)系非常密切，包括材料、生命、信息、空間等各類學(xué)科，是一門核心、實(shí)用、富有創(chuàng)造性的科學(xué)，是人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然，提高人類的生活質(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(jiǎng)獲得者野依良治說：“化學(xué)是現(xiàn)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(guī)律，這是化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)；目標(biāo)是精準(zhǔn)，變革和新功能。

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分子合成徹底改變了人類的生產(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?yàn)榛瘜W(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(duì)合成化學(xué)本身提出了更高的要求，提供了新的機(jī)遇。下面我們從幾個(gè)方面來談一談化學(xué)對(duì)人類社會(huì)的貢獻(xiàn)。

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1828年，德國化學(xué)家威廉第一次用人工方法從無機(jī)物合成出有機(jī)物——尿素，這標(biāo)志著現(xiàn)代合成化學(xué)的誕生。截至2021年5月的數(shù)據(jù)，人類合成的分子現(xiàn)在已經(jīng)超過1.5億種，第1.5億種化學(xué)分子誕生在2021年的5月8號(hào)，是一個(gè)能夠治療癌癥和免疫疾病的分子。由此可見，合成化學(xué)為人類社會(huì)的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。按照化學(xué)空間理論，以分子量500為界限，對(duì)藥物設(shè)計(jì)常見的幾種元素進(jìn)行排列組合，能夠創(chuàng)造的化學(xué)分子種類是10⁶³，而我們已經(jīng)做出來只有1.5億個(gè)，只是滄海一粟。

分子合成能夠帶來的收益也是非常大的?；A(chǔ)化學(xué)工業(yè)的一塊錢投入，平均能帶來四塊錢的GDP，創(chuàng)造的價(jià)值是很可觀的。舉例來說，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(xiàn)，在青蒿素的基礎(chǔ)上衍生出來雙氫青蒿素、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(xiàn)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(xiàn)到獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)并且實(shí)現(xiàn)工業(yè)化只有不到10年時(shí)間。化學(xué)對(duì)人類的影響是很大的，就在我們身邊，不需要復(fù)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(jiǎng)的設(shè)立過程：最初的炸藥是不安全的，諾貝爾用復(fù)合材料做出安全炸藥，賺了很多錢，使得人類征服自然的能力提高了，于是設(shè)立了諾貝爾獎(jiǎng)。

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合成化學(xué)也是一個(gè)認(rèn)知不斷的提升的過程，沿著從平面到立體，從小分子到大分子，從簡單到復(fù)雜的方向發(fā)展。100多年來的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的歷史，半數(shù)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(jiǎng)也給了物理學(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，或者是將研究的過程推進(jìn)到分子水平。特別是2000年以后，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)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)為人類進(jìn)步做出了很大的貢獻(xiàn)。號(hào)稱20世紀(jì)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(dǎo)彈、激光技術(shù)和納米技術(shù)，如果沒有化學(xué)合成創(chuàng)造的物質(zhì)基礎(chǔ)，這些技術(shù)根本沒有辦法實(shí)現(xiàn)。退一步講，這六大技術(shù)不是人類生存所必需的。但是如果沒有合成氨，地球的糧食很難支撐地球上的80億人口；如果沒有抗生素和合成藥物的發(fā)明，人類的壽命不可能到今天的水平。

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抗生素、抗菌素在人類歷史中起的作用是非常大的。人類的平均壽命在上世紀(jì)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(duì)這些疾病和炎癥束手無策。而磺胺類藥物的發(fā)現(xiàn)完全改變了這一現(xiàn)象。

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最初，英國合成了苯胺類染料，生物學(xué)家用它來做細(xì)胞染色，這一過程中發(fā)現(xiàn)它可以殺死細(xì)菌。后來，德國的杜馬克發(fā)現(xiàn)一種名為百浪多息的染料分子，對(duì)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。后來的研究發(fā)現(xiàn)，這種分子到人體內(nèi)后，代謝出有活性的對(duì)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(zhàn)前唯一有效的抗細(xì)菌感染藥物，挽救了無數(shù)人的生命。杜馬克也獲得了1939年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

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磺胺藥物的問世標(biāo)志著合成藥物時(shí)代的到來，也開創(chuàng)了今天廣泛使用的抗生素領(lǐng)域。當(dāng)然，細(xì)菌也會(huì)產(chǎn)生抗藥性，所以科學(xué)家要不斷合成新的結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在在市場上還有幾十種磺胺類的藥物。從磺胺的發(fā)展歷程可以看出合成化學(xué)在新藥開發(fā)過程中所起的作用：科學(xué)家可以按照現(xiàn)有分子去不斷地設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的分子，讓它的性能更好。

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磺胺的發(fā)現(xiàn)看似偶然，但是在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程中，偶然的背后也蘊(yùn)含了必然。在抗擊新冠肺炎的過程中，我們做出來的藥物阿茲夫定，只需要每天服用5毫克，5天左右可以使病人轉(zhuǎn)陰。當(dāng)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(duì)方開出的高價(jià)。在這一方面，我國的合成化學(xué)家作出了重要的貢獻(xiàn)。

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

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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(xiàn)人工合成牛胰島素，標(biāo)志著人工合成蛋白質(zhì)時(shí)代的開始，我們是用經(jīng)典的人海戰(zhàn)術(shù)。而后來美國化學(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(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)化，獲得了1984年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，后來這項(xiàng)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、蛋白類藥物，都是通過化學(xué)和生物方法合成的。而多糖類的合成方面雖然也有一些方法，但是沒有根本的突破。多糖類物質(zhì)跟免疫和癌癥都有關(guān)系，在座的同學(xué)們未來可以去挑戰(zhàn)。

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上世紀(jì)50年代，生命科學(xué)的發(fā)展到了分子水平。后來，人類基因組草圖完成，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程的機(jī)制，還要知道怎么去調(diào)控這些過程。人體是平衡的，平衡的保持與治療疾病和延長壽命都有關(guān)系。

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生命的遺傳信息不直接參與生命活動(dòng)，而是通過控制蛋白的合成來調(diào)控新陳代謝。一個(gè)基因所含的遺傳因素，可以通過一系列的復(fù)雜的反應(yīng)，最終指導(dǎo)蛋白的合成，參與生命過程。代謝中的小分子可以調(diào)控蛋白的功能。找到起作用的蛋白，然后用小分子去調(diào)控它，這就是藥物設(shè)計(jì)中的靶點(diǎn)和藥物的關(guān)系。

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據(jù)測(cè)算，生命活動(dòng)中的蛋白調(diào)控大約需要30萬個(gè)分子?？紤]到篩選的命中率很低，我們可能需要對(duì)3,000萬個(gè)分子進(jìn)行篩選。用小分子作為調(diào)控工具來研究化學(xué)的生命過程中化學(xué)基礎(chǔ)，通過調(diào)控干擾，來了解蛋白質(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(xì)胞。正常的皮膚細(xì)胞通過基因改造可以變成干細(xì)胞，用于疾病治療。如果這些細(xì)胞有致癌基因，皮膚干細(xì)胞就有致癌風(fēng)險(xiǎn)。我們可以用化學(xué)小分子來替代基因改造，這樣做出來的皮膚干細(xì)胞就沒有風(fēng)險(xiǎn)了。

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后來，美國遺傳學(xué)家宣布第一個(gè)人工合成的細(xì)胞的問世。它的誕生也是合成化學(xué)、分子生物學(xué)交叉合作的結(jié)果，體現(xiàn)了人類改造自然的無限的能動(dòng)性。

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對(duì)于農(nóng)業(yè)來說，合成氨作為肥料很重要。古時(shí)候農(nóng)作物的產(chǎn)量，例如小麥，風(fēng)調(diào)雨順的條件下，畝產(chǎn)最多200斤，而現(xiàn)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(xiàn)了氮?dú)鈿浠^程，但是反應(yīng)條件非?？量?，600攝氏度200個(gè)大氣壓，并且使用有毒的催化劑。后來經(jīng)過改進(jìn)，用鐵做催化劑就可以。哈勃合成氨法到今天依然在應(yīng)用，合成氨的年產(chǎn)量超過2億噸。合成氨工業(yè)結(jié)束了人類完全依靠天然氮肥的歷史。如果沒有合成氨，就無法解決今天80億人的糧食的問題。因此有人說，合成氨技術(shù)是20世紀(jì)最重要的發(fā)明。除此之外，跟農(nóng)業(yè)相關(guān)的農(nóng)膜，農(nóng)藥等等，都需要化學(xué)。

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在這當(dāng)中，農(nóng)藥曾經(jīng)產(chǎn)生了很多副作用，比如DDT殘留在鳥的體內(nèi)，會(huì)使鳥的蛋殼軟化，不能孵化。未來農(nóng)藥是朝著綠色、環(huán)保高效發(fā)展的，從早期的高毒廣譜轉(zhuǎn)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(xiàn)。

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我們?cè)僬勔幌虏牧匣瘜W(xué)。三大合成材料的創(chuàng)造徹底改變了人類生活，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(jī)發(fā)生了爆炸，是因?yàn)槎鞙囟冉档?，其中的一個(gè)O形圈發(fā)生了收縮，導(dǎo)致其中的可燃液體爆炸。后來換了含氟的材料就解決了這個(gè)問題。第二個(gè)例子，無論是波音還是空客，這些飛機(jī)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(jī)使用的合成材料占比不到20%，這是會(huì)影響到最終的運(yùn)營成本的。雖然我們現(xiàn)在解決了大飛機(jī)從無到有的問題，但是合成材料的效果要好很多，我們?cè)谶@一方面還有不足。

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那么，合成化學(xué)未來的機(jī)遇是什么，還有沒有活力呢？

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從大的方面來說，21世紀(jì)以來，已經(jīng)有6個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)，就能做出來。未來，合成化學(xué)的方向?qū)⑴c生物能源材料有關(guān)，與綠色健康智能有關(guān)，未來的合成化學(xué)一定是更加經(jīng)濟(jì)的、安全的、環(huán)境友好的、節(jié)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(jiǎng)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到上海有機(jī)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(nèi)的很多領(lǐng)域。不過“點(diǎn)擊化學(xué)”這個(gè)譯名是錯(cuò)誤的，這里的click不是鼠標(biāo)點(diǎn)擊，而是類似于安全帶扣好時(shí)的“咔噠”聲。夏普萊斯認(rèn)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年就開始了。到了上海有機(jī)所以后，2019年發(fā)表的論文加快了他第二次獲諾獎(jiǎng)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(shè)計(jì)的速度。他希望通過最好最快的科學(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；液體陽光——甲醇的利用與轉(zhuǎn)化也需要化學(xué)來支撐；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(zhuǎn)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)想著在更溫和的條件下把氮?dú)庾兂砂薄?/p>

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在材料方面，通過改變催化劑來改變材料性能的研究前景也很可觀。

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在生物技術(shù)方面，通過合成化學(xué)，我們可以用DNA來存儲(chǔ)電子數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合。有人做過測(cè)算，全世界目前的數(shù)據(jù)只需214公斤的DNA就能完整記錄，這背后的物質(zhì)基礎(chǔ)，合成化學(xué)可以提供。

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未來的合成化學(xué)從原料到過程到產(chǎn)品一定是綠色的，這是可持續(xù)發(fā)展的重要理念。與有待創(chuàng)造的東西相比，已經(jīng)創(chuàng)造出來的東西是微不足道的。人類所理解的僅僅是滄海一粟，科技創(chuàng)新的前沿永無止境，合成可以創(chuàng)造未來，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 千場科普”首場報(bào)告會(huì)上的報(bào)告，報(bào)告題目為《合成創(chuàng)造未來》，科學(xué)大院根據(jù)現(xiàn)場實(shí)況整理，經(jīng)作者審閱發(fā)布）

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