作者:赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2023/10/30 11:56:13
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中国科学院院士丁奎岭:“合成”创造未来

 

该怎样向你身边的人介绍化学?合成化学有哪些用途?

美国化学家、哈佛大学教授乔治·怀特塞兹(George Whitesides)这句话很好地描述了化学与人们生活的关系:“化学改变人们活着和死去的方式。”

这句话乍看有些难以理解,先读一个著名的化学小故事。

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丁奎岭 图片由本人提供

磺胺诞生的故事

1856年,英国有机化学家珀金(Perkin)偶然合成获得了苯胺类染料;19世纪后半叶,德国细菌学家科赫在苯胺类染料的基础上,创建了细菌染色法。在给细菌染色过程中,科学家观察到某些合成染料具有一定的杀菌作用。

1932年,德国I.G.染料工业研究所的病理学主任杜马克(Domagk)在试验过程中发现,一种被称为“百浪多息”(Prontosil)的红色偶氮类染料对于感染溶血性链球菌的小白鼠及兔、狗等都具有很好的疗效,并以此染料成功挽救了身患败血症的女儿。

这一发现是里程碑式的,开启了人工合成抗感染化学药物的新纪元。

后来的科学家研究发现,发挥作用的并非“百浪多息”,而是该染料在生物体内代谢后生成的中间分子——对氨基苯磺酰胺起到药物作用。相较于百浪多息,合成磺胺步骤更简单,其价格也更加便宜。后来,它成为二战前唯一有效的抗菌药物,挽救了无数人的生命。杜马克还因此获得了1939年诺贝尔生理学或医学奖。

磺胺的问世标志着合成药物时代的到来,也开创了今天广泛使用的抗生素领域。

这个故事,深刻诠释了乔治·怀特塞兹的那句“化学改变人们活着和死去的方式”;同时,也表明了合成化学的重要性。难怪2001年诺贝尔化学奖获得者野依良治说:“化学是现代科学的中心,而合成化学则是化学的中心。”


合成化学的“中心地位”

物质的获取除了来自自然界以外,人工合成是更为重要的途径。古代的炼金术和炼丹术其实也属于合成化学的范畴。不过,现代的合成化学被认为诞生于1828年,德国化学家维勒第一次用人工方法由无机物质合成出了有机物质尿素。

在化学中,主要涉及两个方面:创造合成物质、研究物质的结构与性质,所以其核心是分子或材料的创制,其根本问题是认识化学键的活化、断裂、重组规律,诠释化学转化的本质,未来的合成化学聚焦过程的精准性、变革性与分子功能的导向性。因此,分子合成与生命、健康、农业、材料、能源等许多领域密切相关,彻底改变了人类的生产生活方式。

换言之,化学就在我们身边,它可能不需要多么复杂的仪器,创造的分子就能影响甚至改变世界。

在学科相关的工业领域,只有化学有工业体系。然而,化学工业一个非常重要特点就是具有强大的创造力——它不仅能制造出自然界已存在的物质,还能创造出具有理想功能性质的、自然界中不存在的分子和物质。此外,它还可以通过与其他学科领域的交叉融合,产生更多跨学科的前沿交叉领域。

而这也对合成化学本身提出了更高的要求,带来了更多新的机遇。

目前,CA登记(类似于ID)的化合物已经超过1.5亿个,其中大部分是化学合成的。根据化学空间理论预测,化合物数量最多可达1063种,但目前我们人类已知的只有108种。因此,人类已经实现的合成空间还只是沧海一粟。

合成化学同时创造着巨大的社会经济价值。有估算称,基础化学工业每创造1元钱的直接价值,后续就可能带来4元钱的经济价值。可以轻松举例:化学制药领域,类似立普妥、索非布韦等药物分子,一个药物每年就能创造数以百亿美元的销售;青蒿素的发现,通过化学合成衍生出了多种的抗疟药物。其他领域也是如此,1888年发现第一个液晶分子、100多年前发现的合成氨,毫无疑问都彻底改变了人们的生活。

人类对合成化学的认知也经历过一个不断提升的过程:从认识分子结构到对分子功能的发现,从平面到立体、从小分子到大分子、从简单到复杂……人类不断突破认知,合成化学也继续朝着精准、功能、高效的方向发展。

众所周知,诺贝尔奖也被称为“炸药奖”,其中蕴含了对诺贝尔在炸药安全性改造方面的贡献——炸药起初并不安全,但诺贝尔将一种材料组合起来制成安全的硝化甘油炸药,使人类改造自然的能力大为提高。诺贝尔因此也获得了丰厚的回报,后来设立了影响科学界至今的诺贝尔奖。

纵览100多年的诺贝尔化学奖历史,半数以上与物质的合成或创制有关,当然其中一些诺贝尔化学奖也给予了物理学家和生物学家,因为他们为化学研究提供了工具,或者是将对生命过程的理解推进到了分子水平。

自2000年以后,许多诺贝尔化学奖获奖者都与化学合成或分子创制有关。这也间接说明合成化学为人类进步持续作出巨大贡献。

2008年国家最高科技奖获得者、中国科学院学部委员(院士)徐光宪先生曾说:“20世纪的6大发明,包括信息技术、生物技术、核科学、航空航天与导弹技术、激光技术、纳米技术等这些发明,无不需要化学合成的新材料,如果没有化学合成创造的物质基础,这些技术根本无法实现。”

 

合成化学与生命科学息息相关

人类的健康、长寿都与合成化学息息相关。

前文磺胺问世的故事,其实还有后续。人们认识和使用磺胺后,大大提升了人类的平均寿命。但是,细菌的抗药性也越来越强,自磺胺以来,科学家需要不断发明、合成新的、性能更优、副作用更小的分子,来对付具有抗药性的细菌。目前,市场上已有几十种磺胺类药物。

合成化学与生命科学也紧密相关。

20世纪50年代,生命科学达到了分子水平。随着人类基因组计划的成功实施,生命科学从基因组时代迈向蛋白质组时代。从那时起,科学家不仅想要了解体内生物过程的机制,更希望能够调控这些过程,因为人类健康的密码就是“平衡”,调控是必不可少的手段。而调控就是对蛋白分子相关的一系列复杂的生物化学反应的过程。

许多多肽或者蛋白、小分子和大分子药物都是通过化学合成或生物合成来获得。比如,人类在合成蛋白质和核酸方面都有著名的案例,包括人工合成牛胰岛素、人工合成核酸等。当然,现在人类还没有很好解决人工合成多糖的问题。虽然有了一些探索,但尚未取得根本性突破。糖在生物体内与免疫和许多疾病都有关联,非常关键,糖的合成问题还需要一代又一代的科学家们去挑战。

简而言之,参与蛋白调控的小分子和肽,是生命科学的焦点。科学家估算过,用来调控不同基因及其下游的生物过程的小分子的数量约为30万个。但是,要得到这30万个小分子,大概需要从3000万个小分子中筛选。这是一个天文数字,合成化学大显身手的时代就这样又一次出现在了生命科学领域。


合成化学的未来机遇

法国大文学家雨果曾说过:“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。”这句话,形容合成化学恰如其分。

进入新世纪以来,20年间已经有6次诺贝尔化学奖授予合成化学领域的科学家,反映了这一领域巨大的创造力和活力。而合成化学自身,好像也已经到了空前成熟的水平。因为,无论分子多复杂,经过一段时间人们总是能够通过摸索顺利合成出来。尤其是1992年,日本化学家岸义人合成出了海葵毒素,极大地鼓舞了全世界的化学家,合成化学家甚至产生了“没有合成不出来的分子”的观点。

但是,2001年诺贝尔化学奖得主野依良治的一番话,仍旧需要人们记住。他说:“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。要实现上述目标,与其说是技术的进步,不如归结为基本的科学问题的解决。”

那么,“基本的科学问题”解决了吗?并没有——

二氧化碳作为巨大的碳源,如何更有效地加以利用,用它制备有用的材料?

“白色污染”笼罩现代社会,聚乙烯废塑料能不能温和可控降解?

合成氨耗费掉了全球2%的能源,人类能不能更温和地人工固氮?

DNA存储了生命信息,能不能存储人类数字化的信息数据?

……当这些问题被提出后,人们意识到,绿色化学(或称“环境友好化学”)将是化学学科发展的重要方向,也应是未来合成化学的核心理念及不可或缺的原则。

合成化学领域的“科学老顽童”——2001年、2022年两获诺贝尔化学奖得主夏普莱斯,提出了“点击化学”的概念,也深刻影响着合成化学的发展。点击化学强调快速、高效、反应温和、生物相容的化学合成,这无疑将深刻影响材料科学、生命科学、药学等领域。

如今的合成化学,需要最高水平的科学创造力和洞察力,以探索无限的可能性。目前,我们人类所了解的自然和世界只是沧海一粟,科技创新的前沿永无止境。我坚信,合成可以创造未来,希望大家、尤其是年轻人积极加入这个领域,通过合成创造价值,用我们创造的分子来影响和改变世界。

(本文系中国科学院院士丁奎岭在“千名院士 千场科普”首场报告会上的报告,《中国科学报》记者赵广立整理,受权发布)

 

 
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