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生活中，人們常會問：“化學是干什么的？”哈佛大學George Whitesides教授的這句話比較恰當地回答了這個問題：“化學決定了你活著和死去的方式。”

化學和我們的生活密切相關。如果用學術的語言描述化學，化學是研究物質的組成結構、性質以及變化規律的一門科學，與我們身邊看得見摸得著的物質相關。物質是世界的基礎。化學跟很多領域關系非常密切，包括材料、生命、信息、空間等各類學科，是一門核心、實用、富有創造性的科學，是人們認識自然、改造自然，提高人類的生活質量和健康水平的保證，同時又能促進其他學科的發展，推動社會的進步。

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

分子合成徹底改變了人類的生產生活方式。在自然科學各個學科中，只有化學是有工業體系的，因為化學不僅能夠制造、分離和純化出自然界已經存在的物質，還能夠創造出具有理想功能性質的、自然界中不存在的物質。化學還可以通過跟其他學科的交叉融合，產生跨學科的前沿交叉領域，這些新的交叉學科領域又對合成化學本身提出了更高的要求，提供了新的機遇。下面我們從幾個方面來談一談化學對人類社會的貢獻。

1828年，德國化學家威廉第一次用人工方法從無機物合成出有機物——尿素，這標志著現代合成化學的誕生。截至2021年5月的數據，人類合成的分子現在已經超過1.5億種，第1.5億種化學分子誕生在2021年的5月8號，是一個能夠治療癌癥和免疫疾病的分子。由此可見，合成化學為人類社會的發展做出了很大的貢獻。按照化學空間理論，以分子量500為界限，對藥物設計常見的幾種元素進行排列組合，能夠創造的化學分子種類是10⁶³，而我們已經做出來只有1.5億個，只是滄海一粟。

分子合成能夠帶來的收益也是非常大的。基礎化學工業的一塊錢投入，平均能帶來四塊錢的GDP，創造的價值是很可觀的。舉例來說，一個小小的藥物分子，一年能創造的價值是100多億美金。除此之外，分子合成還能創造社會價值，例如青蒿素的發現，在青蒿素的基礎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。

除此之外，還有合成氨、液晶等100多年前發現的、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——從發現到獲得諾貝爾化學獎并且實現工業化只有不到10年時間。化學對人類的影響是很大的，就在我們身邊，不需要復雜的儀器，所創造的分子就有可能改變世界。

大家都知道諾貝爾獎的設立過程：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，使得人類征服自然的能力提高了，于是設立了諾貝爾獎。

合成化學也是一個認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，從簡單到復雜的方向發展。100多年來的諾貝爾化學獎的歷史，半數以上都與物質的合成或創制有關。有些諾貝爾化學獎也給了物理學家和生物學家，因為他們為化學研究提供了工具，或者是將研究的過程推進到分子水平。特別是2000年以后，諾貝爾化學獎獲獎都是跟化學合成或者分子創制有關的。

合成化學為人類進步做出了很大的貢獻。號稱20世紀的六大發明的信息技術、生物技術、核科學與核武器、航空航天導彈、激光技術和納米技術，如果沒有化學合成創造的物質基礎，這些技術根本沒有辦法實現。退一步講，這六大技術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明，人類的壽命不可能到今天的水平。

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策。而磺胺類藥物的發現完全改變了這一現象。

最初，英國合成了苯胺類染料，生物學家用它來做細胞染色，這一過程中發現它可以殺死細菌。后來，德國的杜馬克發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，他用這種物質挽救了他患敗血癥的女兒的生命。后來的研究發現，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，挽救了無數人的生命。杜馬克也獲得了1939年諾貝爾生理學醫學獎。

磺胺藥物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。當然，細菌也會產生抗藥性，所以科學家要不斷合成新的結構來應對挑戰。現在在市場上還有幾十種磺胺類的藥物。從磺胺的發展歷程可以看出合成化學在新藥開發過程中所起的作用：科學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。

磺胺的發現看似偶然，但是在科學發現的過程中，偶然的背后也蘊含了必然。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陰。當然，國外公司也有研發成功的藥物，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候也將失去籌碼，被迫接受對方開出的高價。在這一方面，我國的合成化學家作出了重要的貢獻。

其次，我想談一下合成化學和生命科學。生命的過程歸根到底是一系列化學變化過程。生物學和醫學的研究，都需要理解這些化學變化的過程，需要合成化學來提供物質基礎。

生物中有三大活性物質：蛋白、核酸、多糖。我國在1965年成功實現人工合成牛胰島素，標志著人工合成蛋白質時代的開始，我們是用經典的人海戰術。而后來美國化學家發明了固相多肽的合成技術，讓蛋白的合成實現機器的自動化，獲得了1984年諾貝爾化學獎，后來這項技術又用在核酸的合成。目前，蛋白和核酸的合成能力已經非常高，很多多肽、蛋白類藥物，都是通過化學和生物方法合成的。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。多糖類物質跟免疫和癌癥都有關系，在座的同學們未來可以去挑戰。

上世紀50年代，生命科學的發展到了分子水平。后來，人類基因組草圖完成，蛋白質成為重要的研究方向。科學家不僅要了解這些生物過程的機制，還要知道怎么去調控這些過程。人體是平衡的，平衡的保持與治療疾病和延長壽命都有關系。

生命的遺傳信息不直接參與生命活動，而是通過控制蛋白的合成來調控新陳代謝。一個基因所含的遺傳因素，可以通過一系列的復雜的反應，最終指導蛋白的合成，參與生命過程。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和藥物的關系。

據測算，生命活動中的蛋白調控大約需要30萬個分子。考慮到篩選的命中率很低，我們可能需要對3,000萬個分子進行篩選。用小分子作為調控工具來研究化學的生命過程中化學基礎，通過調控干擾，來了解蛋白質的功能，一個新的學科就這樣誕生了。

另外一個例子是干細胞。正常的皮膚細胞通過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險。我們可以用化學小分子來替代基因改造，這樣做出來的皮膚干細胞就沒有風險了。

后來，美國遺傳學家宣布第一個人工合成的細胞的問世。它的誕生也是合成化學、分子生物學交叉合作的結果，體現了人類改造自然的無限的能動性。

對于農業來說，合成氨作為肥料很重要。古時候農作物的產量，例如小麥，風調雨順的條件下，畝產最多200斤，而現在畝產800斤，這與合成氨的發展關系很大。哈勃在1909年發現了氮氣氫化過程，但是反應條件非常苛刻，600攝氏度200個大氣壓，并且使用有毒的催化劑。后來經過改進，用鐵做催化劑就可以。哈勃合成氨法到今天依然在應用，合成氨的年產量超過2億噸。合成氨工業結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，合成氨技術是20世紀最重要的發明。除此之外，跟農業相關的農膜，農藥等等，都需要化學。

在這當中，農藥曾經產生了很多副作用，比如DDT殘留在鳥的體內，會使鳥的蛋殼軟化，不能孵化。未來農藥是朝著綠色、環保高效發展的，從早期的高毒廣譜轉變為低毒、選擇性。這需要合成化學和其他學科交叉實現。

我們再談一下材料化學。三大合成材料的創造徹底改變了人類生活，這里舉兩個例子。

第一個例子，1986年時，美國的航天飛機發生了爆炸，是因為冬天溫度降低，其中的一個O形圈發生了收縮，導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問題。第二個例子，無論是波音還是空客，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%，這是會影響到最終的運營成本的。雖然我們現在解決了大飛機從無到有的問題，但是合成材料的效果要好很多，我們在這一方面還有不足。

那么，合成化學未來的機遇是什么，還有沒有活力呢？

從大的方面來說，21世紀以來，已經有6個諾貝爾化學獎與合成化學有關。合成化學的成果得到空前發展，如今，只要能設計出的結構，就能做出來。未來，合成化學的方向將與生物能源材料有關，與綠色健康智能有關，未來的合成化學一定是更加經濟的、安全的、環境友好的、節省能源與資源的化學。

合成化學家需要更高水平的科學創造力和洞察力，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獎的科學家夏普萊斯，他也是我的好朋友，2016年以特聘教授身份來到上海有機所工作。

他提出了“點擊化學”（click chemistry）的概念，改變了包括材料、生命科學、藥物在內的很多領域。不過“點擊化學”這個譯名是錯誤的，這里的click不是鼠標點擊，而是類似于安全帶扣好時的“咔噠”聲。夏普萊斯認為，化學的核心有兩個，一是連接，二是功能。他關于“點擊化學”的工作在1998年就開始了。到了上海有機所以后，2019年發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做1000多個分子，極大地加快了分子設計的速度。他希望通過最好最快的科學，為老百姓做出便宜的有效的藥物。

另一方面，合成化學與資源環境的未來也密切相關。例如。光伏發電需要合成化學提供光伏材料；液體陽光——甲醇的利用與轉化也需要化學來支撐；白色污染變成清潔的燃油，也是一個有前景的研究方向。

另外，化學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，而科學家一直夢想著在更溫和的條件下把氮氣變成氨。

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。

在生物技術方面，通過合成化學，我們可以用DNA來存儲電子數據，實現生物技術與信息技術的融合。有人做過測算，全世界目前的數據只需214公斤的DNA就能完整記錄，這背后的物質基礎，合成化學可以提供。

未來的合成化學從原料到過程到產品一定是綠色的，這是可持續發展的重要理念。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。人類所理解的僅僅是滄海一粟，科技創新的前沿永無止境，合成可以創造未來，合成可以創造價值，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，報告題目為《合成創造未來》，科學大院根據現場實況整理，經作者審閱發布）