該怎樣向身邊的人介紹化學？合成化學有哪些用途？
美國化學家、哈佛大學教授喬治•懷特塞茲有句話很好地描述了化學與人們生活的關系：“化學改變?nèi)藗兓钪退廊サ姆绞健?rdquo;
這句話乍看有些難以理解，讓我們先了解一個著名的化學小故事。
磺胺的誕生
1856年，英國有機化學家珀金偶然合成了苯胺類染料；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(chuàng)建了細菌染色法。在給細菌染色的過程中，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(yè)研究所病理學主任多馬克在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，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、狗等都有很好的療效，他憑借此染料成功挽救了身患敗血癥的女兒。
這一發(fā)現(xiàn)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，科學家們研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)揮作用的并非百浪多息，而是該染料在生物體內(nèi)代謝后生成的中間分子對氨基苯磺酰胺起了作用。相較于百浪多息，合成磺胺步驟更簡單，價格也更便宜。后來，磺胺成為第二次世界大戰(zhàn)前唯一有效的抗菌藥物，挽救了無數(shù)人的生命。多馬克還因此獲得1939年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。
磺胺的問世標志著合成藥物時代的到來，也開創(chuàng)了今天廣泛使用的抗生素領域。
這個故事深刻詮釋了“化學改變?nèi)藗兓钪退廊サ姆绞?rdquo;，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(xiàn)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(zhì)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都屬于合成化學的范疇。不過，現(xiàn)代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(zhì)合成出了有機物質(zhì)尿素。
化學主要涉及兩個方面：創(chuàng)造合成物質(zhì)以及研究物質(zhì)的結構與性質(zhì)。所以，化學的核心是分子或材料的創(chuàng)制，根本問題是認識化學鍵的活化、斷裂、重組規(guī)律，詮釋化學轉(zhuǎn)化的本質(zhì)。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(nóng)業(yè)、材料、能源等眾多領域密切相關，徹底改變了人類的生產(chǎn)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(chuàng)造的分子就能影響甚至改變世界。
在學科相關的工業(yè)領域，只有化學有工業(yè)體系。然而，化學工業(yè)一個非常重要的特點就是具有強大的創(chuàng)造力——它不僅能制造出自然界已存在的物質(zhì)，還能創(chuàng)造出具有理想功能性質(zhì)的、自然界中不存在的分子和物質(zhì)。此外，它還可以通過與其他學科領域的交叉融合，產(chǎn)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，《化學文摘》（CA）登記的化合物數(shù)量已經(jīng)超過1.5億個，其中大部分是化學合成的。根據(jù)化學空間理論預測，化合物數(shù)量最多可達1063種，但目前人類已知的只有108種。因此，人類已經(jīng)實現(xiàn)的合成空間還只是滄海一粟。
合成化學同時創(chuàng)造巨大的社會經(jīng)濟價值。有估算稱，基礎化學工業(yè)每創(chuàng)造1元錢的直接價值，后續(xù)就可能帶來4元錢的經(jīng)濟價值。例如，在化學制藥領域，類似立普妥、索非布韋等藥物分子，一種藥物每年就能創(chuàng)造百億美元的銷售額；青蒿素被發(fā)現(xiàn)后，通過化學合成衍生出多種抗瘧藥物。其他領域也是如此：1888年發(fā)現(xiàn)的液晶分子、100多年前發(fā)現(xiàn)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(jīng)歷了一個不斷提升的過程：從認識分子結構到發(fā)現(xiàn)分子功能，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，合成化學也朝著精準、功能、高效的方向不斷發(fā)展。
諾貝爾獎也被稱為“炸藥獎”，這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，從而大大提高了人類改造自然的能力。諾貝爾因此獲得了豐厚的回報，后來設立了影響科學界至今的諾貝爾獎。
縱覽諾貝爾化學獎100多年來的歷史，半數(shù)以上獎項與物質(zhì)的合成或創(chuàng)制有關，當然，其中一些諾貝爾化學獎也授予了物理學家和生物學家，因為他們?yōu)榛瘜W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年以來，許多諾貝爾化學獎獲得者的工作都與化學合成或分子創(chuàng)制有關，這也間接說明合成化學為人類進步作出了巨大貢獻。
國家最高科技獎獲得者、中國科學院院士徐光憲曾說，20世紀的六大發(fā)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(fā)明無不需要化學合成的新材料。如果沒有化學合成創(chuàng)造的物質(zhì)基礎，這些技術根本無法實現(xiàn)。
合成化學與生命科學
人類的健康、生命都與合成化學息息相關。
剛才講述的磺胺問世的故事其實還有后續(xù)。認識和學會使用磺胺，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。自磺胺問世以來，科學家需要不斷發(fā)明和合成新的、性能更優(yōu)、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。
合成化學也與生命科學緊密相關。
20世紀50年代，生命科學發(fā)展到分子水平。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(zhì)組時代。從那時起，科學家不僅想了解人體內(nèi)生物過程的機制，更希望能夠調(diào)控這些過程。因為人類健康的密碼就是“平衡”，調(diào)控則是必不可少的手段。
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獲得的。人類在合成蛋白質(zhì)和核酸方面都有著名的案例，如人工合成牛胰島素、人工合成核酸等�，F(xiàn)在人類還沒有很好地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(nèi)與免疫及許多疾病都有關聯(lián)，非常關鍵，其合成問題還需要一代代科學家們發(fā)起挑戰(zhàn)。
簡而言之，參與蛋白調(diào)控的小分子和肽是生命科學的焦點�？茖W家估算過，用來調(diào)控不同基因及其下游生物過程的小分子約有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(shù)字。合成化學就這樣又一次在生命科學領域大顯身手。
合成化學的未來機遇
法國作家雨果曾說過：“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。”這句話用來形容合成化學再合適不過。
進入新世紀以來，20年間已經(jīng)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(chuàng)造力和活力。而合成化學自身似乎也已經(jīng)達到空前成熟的水平。因為無論分子多復雜，經(jīng)過一段時間人們總是能順利合成出來。尤其是日本化學家岸義人合成海葵毒素，極大地鼓舞了全世界的化學家，合成化學家甚至產(chǎn)生了“沒有合成不出來的分子”的觀點。
但是，人們?nèi)孕栌涀∫耙懒贾蔚囊环挘?ldquo;未來的合成化學必須是經(jīng)濟的、安全的、環(huán)境友好的以及節(jié)省資源和能源的化學，化學家需要為實現(xiàn)‘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(chǎn)物而沒有廢物產(chǎn)生。要實現(xiàn)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，如何更有效地用它制備有用的材料？“白色污染”籠罩現(xiàn)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，能不能更溫和地人工固氮？DNA存儲了生命信息，能否存儲人類數(shù)字化的信息數(shù)據(jù)？
當這些問題被提出后，人們意識到，綠色化學（或稱環(huán)境友好化學）將是化學學科發(fā)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”——兩次獲得諾貝爾化學獎的美國化學家夏普萊斯提出了“點擊化學”的概念，深刻影響著合成化學的發(fā)展。點擊化學強調(diào)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，需要化學家以最高水平的科學創(chuàng)造力和洞察力，探索無限可能性。目前，我們?nèi)祟愃私獾淖匀缓褪澜缰皇菧婧Ｒ凰�，科技�?chuàng)新的前沿永無止境。我堅信，合成可以創(chuàng)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(chuàng)造價值，用我們創(chuàng)造的分子影響和改變世界�！�
（作者系中國科學院院士，記者趙廣立根據(jù)其在“科學與中國”再出發(fā)—— “千名院士·千場科普”首場報告會上的報告整理）