化合物质数量已超1.5亿个，留给人类创造的空间还有多大？| 丁奎岭——科学讲坛

化学是什么？如果用非常通俗的话来解释，化学决定了人活着与死去的方式。这句话出自哈佛大学著名教授George M. Whitesides。我们所生活的这个世界，衣食住行都跟化学有着非常密切的关系。

嘉 宾 | 中国科学院院士、上海交通大学校长 丁奎岭教授

整 理 | 金烨

合成化学的地位

从定义和概念上来看，化学研究三个方面：物质组成、结构和性质变化的规律。它是现代科学的中心，许多学科和领域的发展都需要物质作为基础，同时，它又非常具有创造性和实用性。而合成化学在化学中占核心地位，因为它创造物质，提供物质基础，除非我们人类生活在真空里面，否则，只要生活在这个世界上，我们就离不开物质。

那么，合成化学研究的核心是什么呢？是化学键，化学键的活化、断裂和重组。它诠释化学转化的本质，聚焦合成过程的精准性、变革性和分子功能性。所以，合成化学是分子创制的核心和基础。事实上，分子或者物质合成与我们的生命健康、农业、材料、能源等诸多领域都有非常密切的关系，彻底改变了人类的生产生活方式。

因此，合成化学区别于其他学科最显著的特点在于其强大无比的创造力，不仅能够制造出世界上已经存在的物质，还能创造出具有理想功能和性质，但不存在于自然界中的新物质。此外，它可以与其他学科交叉、融合，产生越来越多的跨学科前沿交叉新领域。而后者的出现又能为合成化学的发展提供新机遇，在不同时空和尺度上，对合成化学提出更高的要求和更大的挑战。

综合来说，合成化学是一门创造性学科，因此要求非常高水平的科学创造力，以探索无限可能性。

合成化学为人类做出的贡献

我们所用的功能物质，除了来自天然之外，人工合成是非常重要的获取途径。合成化学可以追溯到古代炼金术和炼丹术。有机合成化学诞生于1828年，当时，德国化学家维勒（Friedrich Wöhler）用人工方法首次从无机物中合成了尿素，这一标志性工作宣告了有机合成化学的诞生。

时至今日，人类到底合成或者创造、认识了多少分子呢？现在根据CA登记在2021年5月8日公布的最新数据，化合物质数量已经有1.5亿个，说明人类到今天为止创造物质或者发现物质的能力越来越强。

那么，人类可以创造的空间到底有多大呢？根据化学空间理论来预测，从元素周期表里面常用的元素，按照药物研发500左右的分子量，通过排列组合，化合物数量可以达到1063，而两亿不过是108，我们人类所能触及的，或者已经合成或发现的物质不过是沧海一粟。因此，合成化学是创造力十分强大的学科：合成创造价值，分子影响改变世界。

这样的例子数不胜数：合成氨是二十世纪最伟大的发明之一；齐格勒-纳塔催化剂几乎影响着我们每个人的生活；还有液晶……所以，合成不仅可以创造价值，它所创造的分子还可以影响并改变世界。而诺贝尔奖的诞生也跟化学，或者说合成化学关系密切。诺贝尔发明了安全的硝化甘油炸药，使得人类有了征服自然的强大能力，随后他设立了诺贝尔奖。

如果我们从分子合成科学发展的历程来看，从无机到有机，从平面到立体，这些都是人类在认识不断深化过程中的一系列标志性事件，包括从小分子到大分子，再到今天的高分子材料，无处不在于我们每个人生活的环境和空间里面。另外，从简单合成到复杂合成，再到精准合成，这体现了人类不断挑战合成科学的难度，未来合成化学的发展趋势就是更精准、更高效的绿色合成。回顾一百多年历史的诺贝尔化学奖，其中差不多有一半关于物质创制与合成，特别自新世纪以来，与合成、分子发现或创造有着密切关系。

人类健康与合成化学的关系

二十世纪的人类社会发生了非常深刻的变化，过去一百多年里，特别是五十年代以后，人类平均寿命和健康水平得到了显著提高，这在很大程度上归功于合成药物的发展，其中最为重要的当属抗菌素和抗生素的开发。具体来说，在19世纪，如果人类得了炎症或传染病，比如脑炎、肺炎、败血症等等，当时大家都束手无策，对人类生命的威胁非常之大，甚至人们可能因为感冒、喉咙感染而死亡。然而，今天就不完全不存在这样的状况，这得益于磺胺的发现，是抗生素发展的重要里程碑。

磺胺药物的问世标志着合成药物时代的到来，开创了今天更加广泛的抗生素领域。在磺胺的启发下，化学家们又合成了无数类似结构，并研究结构与性能之间的关系，从中又找到更多效果更好、更为广谱的抗菌药物。到现在为止，市场上还销售着二十多种磺胺药物。所以，从磺胺的发现到后来各种各样磺胺类药物的出现，说明通过合成创造全新的结构可以不断改变药物的性能，而合成化学在其中发挥着关键作用。

第二方面是合成化学与生命科学之间的关系。毫无疑问，生命科学是二十一世纪重要的前沿科学领域。著名化学生物学家Stuart L. Schreiber说，生命过程最根本、最底层的逻辑就是生物体内一系列的化学变化。无论是物理学、生物还是医学，化学都是理解这些学科的基础，因为它提供生命所必须的三大物质：蛋白质、核酸和碳水化合物。

而合成化学与生命化学更大的惊喜在于能够合成生命，2010年的一个重要研究成果就是合成细胞，这一复杂的工程的成功使得我们在未来能够按照需求来创造、合成基因组，产生人造生命。当然，我们也需要符合科研伦理，不能合成怪物，但可以合成能够为人类服务的人造生命。例如，制造生物燃料、药物或者其他有用的化学品。人造生命的诞生，实际上，是合成化学、分子生物学和其他系列学科共同协作的结果，体现了人类对改造自然的无限能动性。

接下来的第三方面是合成化学与农业。过去，我们靠天吃饭，肥料也要依靠天然肥料，而合成氨的发现，又称“固氮”，是科学家始终关注的重大课题。1909年哈勃（F. Haber）在600℃、200个大气压的条件下，通过净化氮气，最终合成氨，开启了合成氨的新纪元。

如今，全球合成氨的产量超过2亿多，每年由合成氨产生的尿素以及其他物质结束了人类完全依靠天然氮肥的历史，极大促进了农业发展。其他农业还包括农用薄膜、农药等等，对农业发展都至关重要，这些都需要合成化学来支撑。

未来的合成化学

合成化学的发展已经相当成熟，而未来的合成应该更加绿色、健康、智能，尤其是如今人工智能的发展将会帮助科学家达成目标。

所以，解决最基本的科学问题也十分重要，即如何实现化学键的活化、断裂和重组。这里有一个特别有意思的例子，能体现合成化学需要非常高水平的科研创造力和洞察力。夏普莱斯（Karl Barry Sharpless）同时是诺奖发奖人和诺奖获奖人，他提出了点击化学。他表示合成化学的本质就是两件事：一件事情是连接（connection），另一件事就是功能。他想要让连接简单到如果我们系安全带一样，“咔咔”（click）一下就连上了。虽然click中文翻译为“点击”，是为误译，但点击化学也很形象。让合成变得简单就是合成药进入简约主义、功能主义的时代。

2001年，Sharpless第一次获得诺贝尔奖就改变了自己的研究方法，钻研点击化学。只有你的合成非常容易，能在一天之内合成出成千上万的分子，那么药物的发现也才会更加容易。这是他到了上海有机所之后和董佳家教授共同合作的研究，他们一人一个小时就可以做出一千多个新的叠氮分子。如果观察药物研发，里面有一些是生物大分子，但绝大部分还是有机小分子，所以未来发展空间相当广阔。

最后，从资源和环境这个角度来看，现在的可再生能源能有效地跟二氧化碳结合，让它再变成可用资源，甲醇经济就是一个很好的实例。此外，还有聚合物材料、白色污染的问题，它们也是很好的碳材料，如何变废为宝，如何打断其中的分子链；还有人工固氮能不能在常温常压条件下实现高通量地生产，科学家们都在不懈地钻研中。

从未来发展趋势来看，合成化学药创造更美好的未来世界，绿色将是其中最核心的理念，它要求从源头到过程，到最后的产品，都是绿色。所以未来的合成，一定是绿色、环保、节省资源和能源的，是可持续的合成化学。

雨果曾说过：“与有待创造的东西相比，已经创造出来的东西是微不足道的。”所以，未来合成化学的创造空间是无穷无尽的，通过合成，我们可以创造价值，影响改变世界。

本文转载自《墨子沙龙》微信公众号

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