美好生活從合成開始

丁奎嶺

回顧人類社會的發(fā)展進程，可以看到人工合成的物質(zhì)和材料在決定人類生活質(zhì)量方面起著十分重要的作用。從我們的衣食住行到航空航天，無不需要合成化學(xué)所創(chuàng)造的物質(zhì)與材料；從早期的染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥到石油利用，以及近期的芯片制造、高性能材料等，無一不與合成化學(xué)有關(guān)。

合成化學(xué)的發(fā)展史可以追溯至古代的煉金術(shù)和煉丹術(shù)。1828年，德國化學(xué)家維勒用人工方法成功合成了尿素，標(biāo)志著有機合成化學(xué)的誕生。中國科學(xué)院院士徐光憲曾列舉了20世紀(jì)六大發(fā)明與技術(shù)，包括信息技術(shù)、生物技術(shù)、核科學(xué)與核武器技術(shù)、航空航天與導(dǎo)彈技術(shù)、激光技術(shù)、納米技術(shù)，并指出這些領(lǐng)域的進步無一例外地需依靠化學(xué)手段來合成新的材料，如果沒有化學(xué)合成技術(shù)，上述六大發(fā)明與技術(shù)根本無法實現(xiàn)。進入21世紀(jì)以后，諾貝爾化學(xué)獎4次授予了合成化學(xué)，反映了這個學(xué)科的創(chuàng)造力和活力，以及對人類社會的貢獻。

生命源于合成

合成化學(xué)為探索生命科學(xué)規(guī)律提供了重要方法和物質(zhì)基礎(chǔ)。

蛋白質(zhì)、核酸和碳水化合物，在這三大物質(zhì)誕生生命的過程中，合成化學(xué)作出了巨大的貢獻。生命誕生的過程需要基因?qū)Φ鞍踪|(zhì)進行調(diào)控，蛋白質(zhì)擔(dān)負(fù)著新陳代謝的作用，這里面合成化學(xué)依然會發(fā)揮作用。隨著人類基因組草圖的完成，蛋白質(zhì)組的研究成為一個重要的方向。合成化學(xué)家可以通過有機小分子作為工具，解決生物學(xué)的問題，通過干擾和調(diào)節(jié)生物正常過程了解蛋白質(zhì)的功能。比如有一個基因是致癌的，如果用有機小分子來替代這樣的基因，就可以獲得皮膚的干細(xì)胞，為治療疾病提供一種新的可能。

而合成細(xì)胞的問世，使得人類在未來有可能通過這種合成的方法，產(chǎn)生人造生命。1965年，我國完全人工合成結(jié)晶牛胰島素，標(biāo)志著人工合成蛋白質(zhì)時代的開始。到了1981年，我國科學(xué)家又首次人工合成酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸。所以說，人類生命的誕生是合成化學(xué)、分子生物學(xué)，以及其他一系列學(xué)科共同作用的結(jié)果。

守護人類健康

除了幫助誕生生命，合成化學(xué)在人類健康方面的影響也是巨大的。

20世紀(jì)，人類社會發(fā)展發(fā)生了很大的變化，特別是從20世紀(jì)50年代以后，人類的壽命和健康水平得到了空前的提高，這與醫(yī)療儀器的進步有很大的關(guān)系，但是跟藥物的發(fā)展也是分不開的。

抗菌素就是一個很好的例子1932年，德國I.G.染料工業(yè)研究所病理學(xué)主任杜馬克在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，一種被稱為“百浪多息”的紅色的偶氮類染料對于感染溶血性鏈球菌的小白鼠以及兔、狗等都具有很好的療效，并以此染料挽救了身患鏈球菌敗血病的女兒，一個人工合成抗感染疾病化學(xué)治療藥物的新紀(jì)元由此開啟?？茖W(xué)家通過對這一藥物作用機理的進一步研究發(fā)現(xiàn)，“百浪多息”的殺菌作用實際上是由于其在體內(nèi)發(fā)生降解所生成的產(chǎn)物4-氨基苯磺酰胺（也就是我們熟知的磺胺）產(chǎn)生的，從而誕生了磺胺類藥物，并挽救了無數(shù)人的生命。由此可見，如果沒有合成化學(xué)，磺胺這樣非常平常的藥物是不可能被發(fā)現(xiàn)的，更不用說結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的其他合成藥物。

另一個典型例子是對青霉素的改造。青霉素作為自然界里發(fā)現(xiàn)的一類抗生素藥物挽救了無數(shù)人的生命，但是隨著微生物對抗生素耐藥性的增加，抗生素使用的壽命越來越短。而且，由于細(xì)菌抗藥性的發(fā)展，現(xiàn)在青霉素的給藥劑量已經(jīng)比60年前增加了數(shù)十萬倍。然而，從天然來源發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)類型、效果更好的抗生素越來越困難。但合成化學(xué)家運用化學(xué)合成方法，在青霉素的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)修飾創(chuàng)造出了更多的、效果更好的抗生素系列，比如我們熟知的阿莫西林這樣一類“西林”類的抗生素，有效地解決了這一問題。

此外，維生素B12、海葵毒素等藥物的出現(xiàn)都是合成化學(xué)的功勞。2009年，全世界銷售最高的200例藥物里面，超過140種都是化學(xué)合成類藥物?？梢哉f，沒有合成化學(xué)，人類的健康就不能達(dá)到現(xiàn)在的水平。而從藥物的角度講，雖然我們解決了一些問題，但是很多重大的疾病還沒有解決，科學(xué)家需要朝著藥物合成的方向繼續(xù)努力，在相當(dāng)長的時間里，化學(xué)合成的藥物仍然是當(dāng)代新藥研發(fā)的主題。所以說，合成化學(xué)是藥物制造工業(yè)技術(shù)進步的源頭。

解決人類口糧

合成化學(xué)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用，合成氨就是一個例子。

19世紀(jì)以前，農(nóng)業(yè)上所需氮肥的來源主要是有機物的副產(chǎn)品，如糞類、種子餅及綠肥等，這顯然不能滿足當(dāng)時農(nóng)業(yè)的需求。德國化學(xué)家哈伯從1902年開始研究由氮氣和氫氣直接合成氨。1909年，他改進了合成方法，氨的轉(zhuǎn)化率得到提升。合成氨技術(shù)被評為20世紀(jì)最重要的發(fā)明，因為沒有合成氨，全人類的糧食就會出現(xiàn)很大問題。

大量事實表明，農(nóng)用薄膜、滴灌管材、合成農(nóng)藥等同樣為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作出了巨大貢獻。如果不施用農(nóng)藥，世界糧食產(chǎn)量將因受病、蟲、草害的影響而損失1/3。如果不用除草劑，人工除草不僅會大大增加農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，土壤流失的風(fēng)險也將急劇增加。如果不用殺菌劑，不僅花生的產(chǎn)量將下降60%多，由病菌產(chǎn)生的天然毒素（毒性可能強于某些農(nóng)藥）的量也可能會急劇增加，對人類的健康產(chǎn)生威脅。而隨著世界越來越開放，外來生物的入侵愈演愈烈，如果一個外來生物入侵，不用化學(xué)農(nóng)藥應(yīng)急處理，而使用生物方法則很難在短期內(nèi)實現(xiàn)完全控制。

當(dāng)然，農(nóng)藥、化肥的不合理使用，會帶來一些環(huán)境問題，DDT發(fā)生在上世紀(jì)的例子就是一個很大的教訓(xùn)。但是出現(xiàn)這樣的問題，合成化學(xué)家沒有選擇回避，而是勇于迎接挑戰(zhàn)，用技術(shù)來實現(xiàn)農(nóng)資產(chǎn)品的環(huán)保安全。從所謂的第一代農(nóng)藥到第五代農(nóng)藥，特別是第三代的昆蟲生長控制劑、第四代的昆蟲行為控制劑和第五代的昆蟲心理控制劑，由過去的殺生、高毒、廣譜到現(xiàn)在的控制、低毒、選擇性農(nóng)藥，這是合成化學(xué)與其他科學(xué)共同相互協(xié)作、相互促進的結(jié)果。 同時我們也應(yīng)該看到，近些年來提倡的“回歸天然”“有機食品”等概念已經(jīng)深入人心，使得農(nóng)藥似乎成了一個公眾敏感的詞匯，尤其是在當(dāng)今食品安全堪憂的語境下，兼以不斷涌現(xiàn)在公眾面前的晦澀的化學(xué)名詞，更是將化學(xué)推向了“妖魔化”的境地。于是有人建議：人們不要食用任何一種連它的化學(xué)名字都讀不出來的東西。若真的遵循這樣的規(guī)則，恐怕沒有一個人能存活下去，因為就連我們平日食用的白砂糖都不是所有人能讀得出它的化學(xué)名稱。將一些化學(xué)物質(zhì)用于食品領(lǐng)域并不是化學(xué)學(xué)科的錯誤，這不僅需要執(zhí)法機關(guān)的嚴(yán)格篩查，也需要化學(xué)家的科普宣傳，以減少公眾對化學(xué)的誤解和負(fù)面印象。

改變生活方式

合成化學(xué)與材料科學(xué)的交叉融合，則徹底改變了人類的生活方式。我們在廚房中幾乎找不到什么和合成化學(xué)材料沒有關(guān)系的東西。從塑料到纖維，再到合成橡膠，這些都屬于合成材料。

人類歷史上第一種完全人工合成的塑料是在1909年由貝克蘭用苯酚和甲醛制造的酚醛樹脂，又稱貝克蘭塑料。1935年，以繭絲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，卡羅瑟斯首次成功地合成了尼龍66。這一發(fā)明促進了有機高分子合成化學(xué)的發(fā)展。20世紀(jì)40年代，乙烯類單體的自由基引發(fā)聚合迅速發(fā)展，實現(xiàn)了包括氯乙烯、聚苯乙烯和有機玻璃等的工業(yè)化生產(chǎn)。在第一次世界大戰(zhàn)期間，迫于橡膠缺乏，德國人采用二甲基丁二烯聚合合成了甲基橡膠。進入20世紀(jì)50年代，從石油裂解而得到的烯烴主要包括乙烯與丙烯，德國人齊格勒與意大利人納塔分別發(fā)明用金屬絡(luò)合催化劑合成低壓聚乙烯與聚丙烯的方法，并分別于1952年和1957年實現(xiàn)工業(yè)化，這是高分子合成化學(xué)的歷史性突破，他們因此獲得1963年度諾貝爾化學(xué)獎。20世紀(jì)60年代，由于登月工程的需求驅(qū)動，導(dǎo)致了可作為太空服原材料、航天飛機高溫黏合劑以及超音速飛機的復(fù)合材料等耐高溫合成材料的誕生。科學(xué)家還合成了很多其他有機高分子材料，如涂料、離子交換樹脂等，并制成了很多新的產(chǎn)品。

近幾十年來，一系列重量輕、強度高、耐熱性能好的無機纖維，如硼纖維、碳纖維等，以及氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等耐高溫材料的成功合成，為航空、航天技術(shù)的發(fā)展起到了重要推動作用。例如在波音787夢幻飛機上，由于大面積使用了碳纖維復(fù)合材料而大大減輕了飛機重量。據(jù)統(tǒng)計，機身制造使用的碳纖維重量占波音787重量的61%，占全機80%體積的構(gòu)件均為碳纖維復(fù)合材料。同樣，在空客A380的制造中，也大量使用了合成材料，飛機約25%由高級減重材料制造，其中22%為碳纖維復(fù)合材料，使得A380每乘客百千米油耗不到3升，相當(dāng)于一輛經(jīng)濟型家用汽車的油耗。

（摘自《中國化工報》）