美好生活從合成開始

丁奎嶺

回顧人類社會的發展進程，可以看到人工合成的物質和材料在決定人類生活質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，無不需要合成化學所創造的物質與材料；從早期的染料、醫藥、農藥到石油利用，以及近期的芯片制造、高性能材料等，無一不與合成化學有關。

合成化學的發展史可以追溯至古代的煉金術和煉丹術。1828年，德國化學家維勒用人工方法成功合成了尿素，標志著有機合成化學的誕生。中國科學院院士徐光憲曾列舉了20世紀六大發明與技術，包括信息技術、生物技術、核科學與核武器技術、航空航天與導彈技術、激光技術、納米技術，并指出這些領域的進步無一例外地需依靠化學手段來合成新的材料，如果沒有化學合成技術，上述六大發明與技術根本無法實現。進入21世紀以后，諾貝爾化學獎4次授予了合成化學，反映了這個學科的創造力和活力，以及對人類社會的貢獻。

生命源于合成

合成化學為探索生命科學規律提供了重要方法和物質基礎。

蛋白質、核酸和碳水化合物，在這三大物質誕生生命的過程中，合成化學作出了巨大的貢獻。生命誕生的過程需要基因對蛋白質進行調控，蛋白質擔負著新陳代謝的作用，這里面合成化學依然會發揮作用。隨著人類基因組草圖的完成，蛋白質組的研究成為一個重要的方向。合成化學家可以通過有機小分子作為工具，解決生物學的問題，通過干擾和調節生物正常過程了解蛋白質的功能。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胞，為治療疾病提供一種新的可能。

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

守護人類健康

除了幫助誕生生命，合成化學在人類健康方面的影響也是巨大的。

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

抗菌素就是一個很好的例子1932年，德國I.G.染料工業研究所病理學主任杜馬克在試驗過程中發現，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治療藥物的新紀元由此開啟。科學家通過對這一藥物作用機理的進一步研究發現，“百浪多息”的殺菌作用實際上是由于其在體內發生降解所生成的產物4-氨基苯磺酰胺（也就是我們熟知的磺胺）產生的，從而誕生了磺胺類藥物，并挽救了無數人的生命。由此可見，如果沒有合成化學，磺胺這樣非常平常的藥物是不可能被發現的，更不用說結構更加復雜的其他合成藥物。

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現的一類抗生素藥物挽救了無數人的生命，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，由于細菌抗藥性的發展，現在青霉素的給藥劑量已經比60年前增加了數十萬倍。然而，從天然來源發現新結構類型、效果更好的抗生素越來越困難。但合成化學家運用化學合成方法，在青霉素的基礎上，通過結構修飾創造出了更多的、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都是合成化學的功勞。2009年，全世界銷售最高的200例藥物里面，超過140種都是化學合成類藥物。可以說，沒有合成化學，人類的健康就不能達到現在的水平。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，科學家需要朝著藥物合成的方向繼續努力，在相當長的時間里，化學合成的藥物仍然是當代新藥研發的主題。所以說，合成化學是藥物制造工業技術進步的源頭。

解決人類口糧

合成化學在現代農業中發揮著非常重要的作用，合成氨就是一個例子。

19世紀以前，農業上所需氮肥的來源主要是有機物的副產品，如糞類、種子餅及綠肥等，這顯然不能滿足當時農業的需求。德國化學家哈伯從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，氨的轉化率得到提升。合成氨技術被評為20世紀最重要的發明，因為沒有合成氨，全人類的糧食就會出現很大問題。

大量事實表明，農用薄膜、滴灌管材、合成農藥等同樣為現代農業作出了巨大貢獻。如果不施用農藥，世界糧食產量將因受病、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產品的生產成本，土壤流失的風險也將急劇增加。如果不用殺菌劑，不僅花生的產量將下降60%多，由病菌產生的天然毒素（毒性可能強于某些農藥）的量也可能會急劇增加，對人類的健康產生威脅。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，不用化學農藥應急處理，而使用生物方法則很難在短期內實現完全控制。

當然，農藥、化肥的不合理使用，會帶來一些環境問題，DDT發生在上世紀的例子就是一個很大的教訓。但是出現這樣的問題，合成化學家沒有選擇回避，而是勇于迎接挑戰，用技術來實現農資產品的環保安全。從所謂的第一代農藥到第五代農藥，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、廣譜到現在的控制、低毒、選擇性農藥，這是合成化學與其他科學共同相互協作、相互促進的結果。 同時我們也應該看到，近些年來提倡的“回歸天然”“有機食品”等概念已經深入人心，使得農藥似乎成了一個公眾敏感的詞匯，尤其是在當今食品安全堪憂的語境下，兼以不斷涌現在公眾面前的晦澀的化學名詞，更是將化學推向了“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名字都讀不出來的東西。若真的遵循這樣的規則，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名稱。將一些化學物質用于食品領域并不是化學學科的錯誤，這不僅需要執法機關的嚴格篩查，也需要化學家的科普宣傳，以減少公眾對化學的誤解和負面印象。

改變生活方式

合成化學與材料科學的交叉融合，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材料沒有關系的東西。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，以繭絲結構為基礎，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引發聚合迅速發展，實現了包括氯乙烯、聚苯乙烯和有機玻璃等的工業化生產。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。進入20世紀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明用金屬絡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。科學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每乘客百千米油耗不到3升，相當于一輛經濟型家用汽車的油耗。

（摘自《中國化工報》）