合成我们的未来(下)

合成化学：材料科学的支柱

从人类文明的早期开始，人们就懂得利用铁矿石、铜矿石和木炭一起加热制得铁和铜，用来制造各式的铁器和铜器。这些单质状态的金属在自然界是极少存在的，通常都需要化学反应进行制备，这大概便是合成化学的开端。

人类历史上第一种完全人工合成的塑料是在1909年由美国科学家贝克兰用苯酚和甲醛制造的酚醛树脂，又称贝克兰塑料。1920年，德国化学家施陶丁格提出由简单的结构单元以重复链接的方式形成高分子化合物的概念，这一创新性的研究为高分子合成材料的出现奠定了理论基础，他也因此获得了1953年的诺贝尔化学奖。1935年，以茧丝结构为基础，美国化学家卡罗瑟斯首次成功地合成了尼龙66，这一发明促进了有机高分子合成化学的发展。20世纪40年代乙烯类单体的自由基的发现引发聚合合成反应迅速发展，实现了包括氯乙烯、聚苯乙烯和有机玻璃等的工业化生产，这是合成高分子蓬勃发展的时期。

在第一次世界大战期间，迫于橡胶缺乏，德国人采用二甲基丁二烯聚合合成了甲基橡胶。1930年德国和前苏联以丁二烯作为单体，金属钠作为催化剂，合成了丁钠橡胶。而丁二烯与苯乙烯共聚则可以得到丁苯橡胶，它的性质与天然橡胶相似。事实上，在第二次世界大战期间，德国军队就是因为有丁苯橡胶，橡胶供应才没有出现严重短缺。美国在战后大力研究合成橡胶，首先合成了氯丁橡胶，氯原子使氯丁橡胶具有天然橡胶所不具备的一些抗腐蚀性能。

进入20世纪50年代，利用从石油裂解而得到的烯烃（主要包括乙烯与丙烯），德国人齐格勒与意大利人纳塔分别发明用金属络合催化剂合成低压聚乙烯与聚丙烯的方法，两者分别于1952年和1957年实现工业化，这是高分子合成化学的历史性突破，他们因此获得1963年度诺贝尔化学奖。

20世纪60年代，由于登月工程的需求驱动，导致了可作为太空服原材料、航天飞机高温黏合剂以及超音速飞机的复合材料等耐高温合成材料的诞生。杜邦公司20世纪40年代发明的特氟龙PTFE（聚四氟乙烯）是另一类性能优异的合成材料，具有耐酸碱、耐高温、极低的摩擦系数、良好的耐磨性以及极好的化学稳定性，是原子能、国防、航天、电子、化工、纺织等领域不可取代的关键产品。科学家还合成了很多其他有机高分子材料，如涂料、黏合剂、离子交换树脂等等，并制成了很多新的产品。在离子交换树脂基础上发展起来的离子交换膜，在淡化海水、人造肾、药物的定时释放等方面都起着很重要的作用。

无机合成化学为广泛应用的新型无机材料，如耐高温、耐高压、耐低温、光学、电学、磁性、超导、储能与能量转换以及纳米材料的发展开辟了广阔的天地，一些无机材料的发展还推动了催化领域（如石油炼制、精细化工等）的进步。近几十年来，一系列重量轻、强度高、耐热性能好的无机纤维，如硼纤维、碳纤维等，以及氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等耐高温材料的成功合成，为航空、航天技术的发展起到了重要推动作用。例如在波音787梦幻飞机上，由于大面积使用了碳纤维复合材料而大大减轻了飞机重量。据统计，机身制造使用的碳纤维重量占波音787重量的61％，占全机80％体积的构件均为碳纤维复合材料；同样，在空客A380的制造中，也大量使用了合成材料，飞机约25％由高级减重材料制造，其中22％为碳纤维复合材料，使得A380每乘客百公里油耗不到3升，相当于一辆经济型家用汽车的油耗。

当今最主要的三大合成材料—合成塑料、合成纤维和合成橡胶，它们均主要以石油、天然气或煤等为原料，全球年产量已达数亿吨。当然，今天倡导的可再生原料的应用也离不开合成化学。这些材料在工农业、国防以及人民生活等方面正发挥着巨大的作用。设想如果没有这些材料，我们今天的生活显然是无法想像的。事实上，这些合成材料的发明彻底改变了人类的生活方式。

合成化学面临的挑战与机遇

合成化学的主要任务是实现从小分子到大分子、从单分子基元到超分子体系的构筑，通过选择性的控制，创造出具有理想性质和功能的新物质。进入21世纪以来，10年中已有4次诺贝尔化学奖授予合成化学领域的科学家，反映了这一领域的巨大创造力和活力以及对科学和人类社会的贡献。尽管合成化学已经达到了空前的成熟水平，但基于当今人类面临的诸如健康、粮食、资源、能源、材料、环境和气候等重大问题的情况下，合成化学的发展前景将更为广阔，并将继续在诸多领域发挥不可替代的作用。

2001年度诺贝尔化学奖得主野依良治教授指出：未来的合成化学必须是经济的、安全的、环境友好的以及节省资源和能源的化学，化学家需要为实现“完美的反应化学”而努力，即以100％的选择性和100％的收率只生成需要的产物而没有废物产生。因此，如何通过对化学键的选择性活化、断裂与可控性重组，通过弱相互作用的调节精确组装功能超分子体系，实现以100％产率和100％选择性对特定功能物质和结构体系低耗、安全、经济与绿色合成，是合成化学领域的主要挑战。

无论现在还是未来，合成化学的另一明确方向是不断与其他领域交叉与融合，以产生更多的跨学科新领域，从这个角度而言，合成化学需要极高水平的科学创造力和洞察力，以探索其无限的可能性。2001年度另一位诺贝尔化学奖得主、美国人夏普莱斯提出了“点击化学”（Click Chemistry）的概念，强调合成反应必须具有高产率、高选择性以及对各种官能团和反应条件优异的耐受性，这一概念的提出为生命科学、材料科学领域提供了全新的理念、方法和物质基础，已经被广泛应用于药物、新材料开发和分子生物学、化学生物学等诸多研究领域，成为目前最实用和引人注目的合成理念之一。

未来的合成化学将针对合成对象和合成过程的可控、高效、低能耗、低排放、高选择性等要求，面向生命科学、材料科学、信息科学、能源科学和环境科学等领域对新物质、新材料和新器件的需求，研究功能导向新物质的设计理论、反应过程、合成与组装方法学；探讨合成反应和物质转化过程的机理与本质规律；借鉴生命体系的生物合成和演化过程，结合物理、材料科学等学科的研究手段和技术，发展新的合成策略，以满足在分子设计指导下定向合成各种特定结构和特定功能化合物及其组装体的需求。

合成化学：让未来更美好

在过去的100多年里，合成化学为人类社会的进步做出了巨大贡献：合成化学为现代农业的发展、解决70亿人生存问题发挥了不可替代的作用；合成化学制造的药物使人类的健康水平得到空前提高；合成化学创造的各种新材料彻底改变了人类的生活方式；合成化学还为探索生命科学的奥秘提供了重要方法和物质基础。合成化学家不断创造出的合成新方法、对于化学机理的不断明晰使人类可以“驰骋”在整个元素周期系中，不断创造出新的物质，这一过程大大增加了人类在认识自然和改造自然中的能动性，并创造出了新的生产、生活方式。我们现在已经可以很好地利用自然界诸如石油和煤这样简单、丰富的天然资源，创造出一系列复杂的、更具价值的物质。在不久的将来，我们将能设计、制造出更多具备各种性能、满足人类需求的物质。

当今，人们在享受化学为社会带来的物质财富和丰富多彩的生活时，很少会想到化学所发挥的作用，甚至在公众的心目中，化学反而站在了“绿色”、“环保”的对立面，传媒所注重的也常常是一些化学所产生的危害。对此，科学界一方面要加强科普力度，消除公众对化学科学的误解，另一方面，也要极大地关注科学发展的“双刃剑”效应，将合成化学发展与社会效益紧密地联系在一起。

绿色化学已经成为未来合成化学的核心理念，其宗旨在于从根本和源头上最大限度地减少对人类造成的危害，这种“绿色化学”的理念在为经济带来繁荣的同时也承担了社会责任。绿色化学并不是一个单纯的口号，它是合成化学研究不可或缺的原则。基于这样的目标，合成反应的原子经济性应予以高度重视，催化剂应使反应过程更加经济、节能和环境友好，应更强调资源的3R（即减量、回收和再利用）。要实现这样的目标，除了需要建立和不断完善相关法律、法规，加大宣传和执法力度，提高全民、全社会的环境保护意识外，合成化学家承担着更重大的责任。“解铃还需系铃人”，由化学而产生的问题应该由化学来解决。要解决这些问题，既要重视技术的改良与进步，更要重视解决基本科学问题，提出新的概念、发现新的方法，并灵活运用其基本原理。我们必须认识到化学在未来世界中的重要作用，重视化学这一基础学科。要创造一个洁净的世界、一个可持续发展的社会，在很大程度上要靠全社会共同努力来实现。相信合成化学一定能够为我们明天更美好的生活发挥其无限的创造力，做出新的、更大的贡献！

【责任编辑】庞 云