合成我們的未來(下)

　　
　　合成化學：材料科學的支柱
　　
　　從人類文明的早期開始，人們就懂得利用鐵礦石、銅礦石和木炭一起加熱制得鐵和銅，用來制造各式的鐵器和銅器。這些單質狀態的金屬在自然界是極少存在的，通常都需要化學反應進行制備，這大概便是合成化學的開端。
　　人類歷史上第一種完全人工合成的塑料是在1909年由美國科學家貝克蘭用苯酚和甲醛制造的酚醛樹脂，又稱貝克蘭塑料。1920年，德國化學家施陶丁格提出由簡單的結構單元以重復鏈接的方式形成高分子化合物的概念，這一創新性的研究為高分子合成材料的出現奠定了理論基礎，他也因此獲得了1953年的諾貝爾化學獎。1935年，以繭絲結構為基礎，美國化學家卡羅瑟斯首次成功地合成了尼龍66，這一發明促進了有機高分子合成化學的發展。20世紀40年代乙烯類單體的自由基的發現引發聚合合成反應迅速發展，實現了包括氯乙烯、聚苯乙烯和有機玻璃等的工業化生產，這是合成高分子蓬勃發展的時期。
　　在第一次世界大戰期間，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。1930年德國和前蘇聯以丁二烯作為單體，金屬鈉作為催化劑，合成了丁鈉橡膠。而丁二烯與苯乙烯共聚則可以得到丁苯橡膠，它的性質與天然橡膠相似。事實上，在第二次世界大戰期間，德國軍隊就是因為有丁苯橡膠，橡膠供應才沒有出現嚴重短缺。美國在戰后大力研究合成橡膠，首先合成了氯丁橡膠，氯原子使氯丁橡膠具有天然橡膠所不具備的一些抗腐蝕性能。
　　進入20世紀50年代，利用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明用金屬絡合催化劑合成低壓聚乙烯與聚丙烯的方法，兩者分別于1952年和1957年實現工業化，這是高分子合成化學的歷史性突破，他們因此獲得1963年度諾貝爾化學獎。
　　20世紀60年代，由于登月工程的需求驅動，導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合材料等耐高溫合成材料的誕生。杜邦公司20世紀40年代發明的特氟龍PTFE（聚四氟乙烯）是另一類性能優異的合成材料，具有耐酸堿、耐高溫、極低的摩擦系數、良好的耐磨性以及極好的化學穩定性，是原子能、國防、航天、電子、化工、紡織等領域不可取代的關鍵產品。科學家還合成了很多其他有機高分子材料，如涂料、黏合劑、離子交換樹脂等等，并制成了很多新的產品。在離子交換樹脂基礎上發展起來的離子交換膜，在淡化海水、人造腎、藥物的定時釋放等方面都起著很重要的作用。
　　無機合成化學為廣泛應用的新型無機材料，如耐高溫、耐高壓、耐低溫、光學、電學、磁性、超導、儲能與能量轉換以及納米材料的發展開辟了廣闊的天地，一些無機材料的發展還推動了催化領域（如石油煉制、精細化工等）的進步。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、航天技術的發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合材料而大大減輕了飛機重量。據統計，機身制造使用的碳纖維重量占波音787重量的61％，占全機80％體積的構件均為碳纖維復合材料；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％為碳纖維復合材料，使得A380每乘客百公里油耗不到3升，相當于一輛經濟型家用汽車的油耗。
　　當今最主要的三大合成材料—合成塑料、合成纖維和合成橡膠，它們均主要以石油、天然氣或煤等為原料，全球年產量已達數億噸。當然，今天倡導的可再生原料的應用也離不開合成化學。這些材料在工農業、國防以及人民生活等方面正發揮著巨大的作用。設想如果沒有這些材料，我們今天的生活顯然是無法想像的。事實上，這些合成材料的發明徹底改變了人類的生活方式。
　　
　　合成化學面臨的挑戰與機遇
　　
　　合成化學的主要任務是實現從小分子到大分子、從單分子基元到超分子體系的構筑，通過選擇性的控制，創造出具有理想性質和功能的新物質。進入21世紀以來，10年中已有4次諾貝爾化學獎授予合成化學領域的科學家，反映了這一領域的巨大創造力和活力以及對科學和人類社會的貢獻。盡管合成化學已經達到了空前的成熟水平，但基于當今人類面臨的諸如健康、糧食、資源、能源、材料、環境和氣候等重大問題的情況下，合成化學的發展前景將更為廣闊，并將繼續在諸多領域發揮不可替代的作用。
　　2001年度諾貝爾化學獎得主野依良治教授指出：未來的合成化學必須是經濟的、安全的、環境友好的以及節省資源和能源的化學，化學家需要為實現“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物而沒有廢物產生。因此，如何通過對化學鍵的選擇性活化、斷裂與可控性重組，通過弱相互作用的調節精確組裝功能超分子體系，實現以100％產率和100％選擇性對特定功能物質和結構體系低耗、安全、經濟與綠色合成，是合成化學領域的主要挑戰。
　　無論現在還是未來，合成化學的另一明確方向是不斷與其他領域交叉與融合，以產生更多的跨學科新領域，從這個角度而言，合成化學需要極高水平的科學創造力和洞察力，以探索其無限的可能性。2001年度另一位諾貝爾化學獎得主、美國人夏普萊斯提出了“點擊化學”（Click Chemistry）的概念，強調合成反應必須具有高產率、高選擇性以及對各種官能團和反應條件優異的耐受性，這一概念的提出為生命科學、材料科學領域提供了全新的理念、方法和物質基礎，已經被廣泛應用于藥物、新材料開發和分子生物學、化學生物學等諸多研究領域，成為目前最實用和引人注目的合成理念之一。
　　未來的合成化學將針對合成對象和合成過程的可控、高效、低能耗、低排放、高選擇性等要求，面向生命科學、材料科學、信息科學、能源科學和環境科學等領域對新物質、新材料和新器件的需求，研究功能導向新物質的設計理論、反應過程、合成與組裝方法學；探討合成反應和物質轉化過程的機理與本質規律；借鑒生命體系的生物合成和演化過程，結合物理、材料科學等學科的研究手段和技術，發展新的合成策略，以滿足在分子設計指導下定向合成各種特定結構和特定功能化合物及其組裝體的需求。
　　
　　合成化學：讓未來更美好
　　
　　在過去的100多年里，合成化學為人類社會的進步做出了巨大貢獻：合成化學為現代農業的發展、解決70億人生存問題發揮了不可替代的作用；合成化學制造的藥物使人類的健康水平得到空前提高；合成化學創造的各種新材料徹底改變了人類的生活方式；合成化學還為探索生命科學的奧秘提供了重要方法和物質基礎。合成化學家不斷創造出的合成新方法、對于化學機理的不斷明晰使人類可以“馳騁”在整個元素周期系中，不斷創造出新的物質，這一過程大大增加了人類在認識自然和改造自然中的能動性，并創造出了新的生產、生活方式。我們現在已經可以很好地利用自然界諸如石油和煤這樣簡單、豐富的天然資源，創造出一系列復雜的、更具價值的物質。在不久的將來，我們將能設計、制造出更多具備各種性能、滿足人類需求的物質。
　　當今，人們在享受化學為社會帶來的物質財富和豐富多彩的生活時，很少會想到化學所發揮的作用，甚至在公眾的心目中，化學反而站在了“綠色”、“環保”的對立面，傳媒所注重的也常常是一些化學所產生的危害。對此，科學界一方面要加強科普力度，消除公眾對化學科學的誤解，另一方面，也要極大地關注科學發展的“雙刃劍”效應，將合成化學發展與社會效益緊密地聯系在一起。
　　綠色化學已經成為未來合成化學的核心理念，其宗旨在于從根本和源頭上最大限度地減少對人類造成的危害，這種“綠色化學”的理念在為經濟帶來繁榮的同時也承擔了社會責任。綠色化學并不是一個單純的口號，它是合成化學研究不可或缺的原則。基于這樣的目標，合成反應的原子經濟性應予以高度重視，催化劑應使反應過程更加經濟、節能和環境友好，應更強調資源的3R（即減量、回收和再利用）。要實現這樣的目標，除了需要建立和不斷完善相關法律、法規，加大宣傳和執法力度，提高全民、全社會的環境保護意識外，合成化學家承擔著更重大的責任。“解鈴還需系鈴人”，由化學而產生的問題應該由化學來解決。要解決這些問題，既要重視技術的改良與進步，更要重視解決基本科學問題，提出新的概念、發現新的方法，并靈活運用其基本原理。我們必須認識到化學在未來世界中的重要作用，重視化學這一基礎學科。要創造一個潔凈的世界、一個可持續發展的社會，在很大程度上要靠全社會共同努力來實現。相信合成化學一定能夠為我們明天更美好的生活發揮其無限的創造力，做出新的、更大的貢獻！
　　【責任編輯】龐 云