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标  题:  化学迈向辉煌的新世纪(5)[转]
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标  题: 化学迈向辉煌的新世纪(5)
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5　化学的新发展
　　新科学和新技术的发展召唤着化学；而工业社会一个多世纪的发展留下了严重的环

境和能源问题也有待化学家去解决。化学学科本身从基础研究开始要有一个新的发展。

好在这个世界尤其下半叶化学科学已有了很好的积累，为下个世纪的飞跃作好了准备。


5.1　分子识别
　　随着化学进入了一个复杂体系尤其是生命体系后，化学就不仅仅涉及我们研究对象

分子的成键和断键，也即不仅是离子键和共价键那样的强作用力，而且也必须考虑这一

复杂体系中分子的弱相互作用力，如范德华力、库伦力、π-π堆集和氢键等等。虽然它

们的作用力较弱，但由此却组装成了分子聚集体、分子互补体系或通称的超分子体系。

此种体系具有全新的性质或可使通常无法进行的反应得以进行。在生物体中最著名的DN

A的双螺旋结构就是由源自氢键的碱基配对而形成的。高效的酶催化反应和信息的传递也

是通过分子聚集体进行的。这样一个分子间互补、组装的过程也就是通称的分子识别的

过程。
　　化学家的传统，总是试图尽可能设计出一个单纯的体系，甚至是一个孤立体系，再

进而深入探索其中的分子及其反应。但当面临复杂体系挑战时，我们必须举起分子识别

的旗帜，深入研究控制分子的各种作用力，研究它们的本质以及了解分子有识别这一过

程。由此看来，进入新世纪的化学在其基础理论上有很多工作要做。充实，提高和普及

分子识别这一观念可能是当前最迫切的任务。
5.2　分子工程
　　最近在几个不同场合讨论化学与生物学时，有多人提到了化学与生物学是有着不同

的文化背景的看法。Doyle和Coray(Chemistry & Biology 1998,5(7):157～160)提到“

生物学家致力于阐明自然(生命)的过程，而化学家则习惯于如何去调控这一过程。”用

我们的话或许可以说成：生物学家注意认识世界，而化学家则想改造世界。二年前诺贝

尔医学奖获得者Kornberg则写道(Chemistry & Biology 1996,3(1):3～5)“化学家看起

来比较审慎，善于分析并较多地在本学科内独善其身。他们将注意力集中在分子上面。

他们醉心于一个具有多手性的中心。具备很大合成难度的分子带来的挑战，并且力图用

最短的路线和最高的产率来得到目标分子。通过用相对较少但巧妙的技术以获得精确的

资料。对他们来讲注重蛋白质和核酸的化学更甚于它们的生理重要性。另一方面，生物

学家似乎较具艺术性、调和性和主要用右脑思考。他们喜欢使用种类繁多却不太精密的

技术来研究细胞和器官内的复杂现象。他们欢迎神秘和复杂。当面纱揭去，显露出分子

本质时，他们中有些人则会感到失望。”
　　引用这一观点，只是想说明生物和化学的分离是当今的国际现象。但是科学的发展

却必须将不同学科扬长避短地组合起来，尽管他们的文化背景有多大的不同。我们很同

意对化学家创新精神的赞扬，但是也很同意对化学家过多自我完善的批评。化学家创造

、合成分子时确实经常地追求难度和技巧，而较少注意他们的功能。
　　因此在21世纪来临之际，要求化学家更好地发扬他们的创新精神，用分子识别的观

点设计、合成、组装新的而且期望有各种功能的分子和分子聚合集体。
　　对生命科学来讲，化学家要合成出前面提到的调控80000条人基因的小分子，这是一

个与其功能密切结合的工作。当然这是要与生物学家密切合作才能完成的任务。需要在

十分明确其功能的基础上循序进行。此外对于一些其它动植物基因的调控上也还有许多

合成工作需要进行。从近期来讲，化学家已经从各种动植物出发制造出一大批天然药物

(包括农药)。在我国，从得天独厚的中草药中已经分离、鉴定了许多天然产物。在逐步

揭示它们的作用机制的过程中以及今后都会提出许多与其治疗作用密切相关的合成工作

。这时，合成的目标分子已不再仅是具有独特结构的天然产物分子，而更着重具有独特

功能的结构。
　　通过合成来理解和最终获取有各种生物功能的分子，这已是一个大的趋势。从另一

方面来看，翻阅当今国际上所有有名的涉及合成化学的杂志，在复杂分子的合成文章的

开宗明义处，都会提及目标分子的生物功能或它在生物学上的意义。那种纯化学观点出

发的天然产物合成，除确实新奇的结构外，已很难在高水平的杂志上出现。今后这样的

课题恐怕也很难获得科学基金的资助。
　　化学合成进入新材料(这里主要指功能材料)是相对较近期的趋势。人工晶体、沸石

和超导材料等是近年无机合成的成功例子。从合成设计和控制讲来，无机合成较有机合

成要困难得多，但一旦突破则将前途无量。
　　有机功能材料(包括功能高分子)也是最近发展得较快的领域。有机功能材料的优点

是较易从功能出发进行设计，也较易合成。但是它的致命弱点是有机化合物的稳定性问

题。因此在工作条件不很苛刻时，有机材料将是十分优越的。液晶材料的成功就是很好

的例子。近年一些奇特的套环分子(Catenane,Rotaxane)等的合成以及DNA芯片的制备，

都显示了有机材料在作为微电子学材料方面的前景。
　　此外，有机无机复合以至金属掺合的材料，则更是显示出广阔的应用天地。
　　富勒烯家族的发现和制备，由富勒烯出发合成得到越来越多的衍生物，是近年来化

学界的大事。富勒烯家族和它们的衍生物不仅为材料科学开辟了新领域，同时也为生命

科学提供了全新的工具分子。如作为DNA顺序专一性切断的试剂。
　　化学是一门从分子水平上认识世界和改造世界的科学。由于化学中化学合成这一最

能动领域的发展，我们看到化学正在从“认识”更多地转向“改造”和“创新”，创造

更多的新的有各种功能的分子。因此有人说20世纪化学是天然产物时代。21世纪将是非

天然产物的时代。根据功能设计分子在新药研制中也称合理设计。但是目前对结构-功能

的关系的认识大多还在探索之中。因此，这是一个设计\|合成\|功能测定\|再设计的过

程。通常一个满足要求的功能分子要经历多次反复的长时期研究。对此近年出现了一个

称为组合化学的方法。其要点是一次能获得一大批系列的化合物，以加快筛选的速度。

组合化学制备的化合物的类型跨度不能很大，另外也受到合成反应和功能筛选方法的限

制。因此较适宜于探索特殊的功能分子和研究结构较小改变对功能的影响。
　　设计\|合成\|再设计和组合化学归根结底还要在反应器内由原料经过一系列合成反

应来进行。E.J.Corey对此系统地提出了合成设计或反合成分析的概念和方法，这是他1

990年获诺贝尔奖的主要贡献。从分子工程学的观点来看，合成设计是工程的施工计划。

合成设计及其实施取决于所合成分子的结构。随着各种新功能分子的合成需求，合成设

计也必须有新的发展。尤其是对各种功能性分子聚集体的制备，更需要研究过去化学家

较为陌生的组装问题。
5.3　绿色技术
　　迄今化学家已经拥有(主要通过合成)超过1800万个化合物(据美国《化学文摘》(CA

)登记数)。90年代以来每年新增的化合物约为60多万个。上节提到进入21世纪的化学家

则更面临着巨大的分子工程任务，不仅在工程的数量上，而且在这些工程追求分子的功

能上，要求我们在合成技术上有新的进步。我们还要改造现在正在使用的化学过程。总

的一点，新世纪的化学本身必须在绿色技术方面有重大的发展。
　　绿色技术或化学是一个界限不清，内容广泛的概念。我们这儿主要指合成化学中合

理的反应设计、高效、高选择的合成反应和节约及尽可能少的三废排放。
　　一个好的合成路线的出发点是好的合成反应。据统计，我们目前已有众多的有机反

应，其中常用的人名和非人名的命名反应约有500个。但是还是不能满足好的合成的需求

。尤其是从绿色技术的观点来看，有机合成应该是原料和试剂易得；原料和试剂在反应

中的充分利用(原子经济性)；尽量少的副产物和无法循环使用的溶剂；低能耗的反应条

件。
　　反应选择性的控制和上面提及的合成设计是70年代后有机化学的前沿和热点。反应

选择性包括化学、区域和立体选择性。绿色反应中减少副产物的基础，就是要发展高选

择性的反应。选择性反应中，近年最注重的，是立体选择中的对映选择，也称作不对称

合成或手性合成控制。目标是将目前生成消旋体的反应控制为只生成其中一个有用的对

映体。60年代“不对称合成”这一词汇正式使用以来，这方面取得的进步是极大的。但

是也可以看到这是一个仍在不断发展的领域，一个充满挑战的领域。
　　从绿色技术来讲，将化学反应从化学剂量的反应转化为催化反应，这总是一个最理

想的前景。催化在化学中不是一个新的领域。许多化工生产过程中尤其是石油化工中催

化反应正在广泛使用。相对而言，在精细化工行业则较少使用催化反应。由此也造成在

此二个行业中产物与副产物之比可以从一万比一到一比一万。从这个方面我们也可以看

出催化反应在绿色化学中的重要作用。由于催化体系和过程的复杂性，新的高效催化剂

的发明远非易事。这多少有点象新药研制一样。还没有脱离经验筛选的范畴。但是随着

社会可持续发展的要求和化学家对复杂体系中对反应本质认识的深入，可以预期下世纪

催化反应将会有极大的发展。与此同时人们逐步认识到生命过程中的物质代谢也都是通

过一系列的催化反应，而且是高效率的专一的催化反应，这就提供了一个很好的典范来

发展化学催化科学。
　　绿色技术总结起来可以归结到一点，也就是要发展新的反应。我们翻开化学的发展

史，可以看到过去新的反应的出现较多是由于化学家在实验室中的发现，具有一定的偶

然性。黄鸣龙先生的Wolff\|Kishner反应的重大改进，正是由一个偶然发现开始的。当

然没有黄先生严格的科学态度也是不可能有这样的发现。但是随着对化学反应本质的理

解，尤其是分子识别概念的引入，也即进一步综合考虑反应分子间各种作用力所起的作

用，化学家就有可能设计新的反应，发明创造新的反应，尤其在不对称合成反应和催化

反应的发明创造方面。这是世纪之交时化学从发现到发明这一转化过程中的一个重要内

容。
　　在绿色化学的发展中，化学反应介质的改变，超临界二氧化碳的利用，固相反应以

及非化学试剂的应用包括电化学反应的新应用以及光、声等进行反应的新途径。这些在

今后可能也是大有发展前景的领域。
5.4　计算机技术
　　对化学家讲来，计算机技术的发展，尤其是分子结构与性能的计算机数据库建立以

及分子模建技术的发展，使得化学中的分子设计、合成设计以及进一步的反应设计有了

很好的助手和工具。诚然新的药物和功能材料的获得，新的反应和反应路线的发明最终

还得在实验台、通风橱中实现。
　　计算机记忆力惊人，反应敏捷，但是缺乏思维。我们期待着给计算机灌输更多的化

学知识，编写更多的化学软件。化学，尤其合成化学是一门实验的科学，但是计算机的

实验模拟，实验设计以至实验的控制则应该不是遥远的现实。这将为化学在新世纪迅速

发展插翅添翼。
　　总之，化学正面临着21世纪社会持续发展的广泛需求，同时21世纪，尤其是下半叶

的发展也为这一挑战作好了准备。我们有理由相信21世纪的化学将更加繁荣兴旺。


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