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丁奎岭院士:人类为什么离不开化学?

所属分类:知识百科发布于 2024-03-10 16:07:23被阅读134

生活中,人们常会问:“化学是干什么的?”哈佛大学George Whitesides教授的这句话比较恰当地回答了这个问题:“化学决定了你活着和死去的方式

 

化学和我们的生活密切相关。如果用学术的语言描述化学,化学是研究物质的组成结构、性质以及变化规律的一门科学,与我们身边看得见摸得着的物质相关。物质是世界的基础。化学跟很多领域关系非常密切,包括材料、生命、信息、空间等各类学科,是一门核心、实用、富有创造性的科学,是人们认识自然、改造自然,提高人类的生活质量和健康水平的保证,同时又能促进其他学科的发展,推动社会的进步。

 

2001年的诺贝尔化学奖获得者野依良治说:“化学是现代科学的中心,而合成化学又是化学的中心。”化学最重要的两个方面,一个是怎么创造物质,一个是研究物质的性质。在这两者中,核心是分子或者材料的创制,研究化学键活化、断裂重组的规律,这是化学转化的本质;目标是精准,变革和新功能。

 

分子合成彻底改变了人类的生产生活方式。在自然科学各个学科中,只有化学是有工业体系的,因为化学不仅能够制造、分离和纯化出自然界已经存在的物质,还能够创造出具有理想功能性质的、自然界中不存在的物质。化学还可以通过跟其他学科的交叉融合,产生跨学科的前沿交叉领域,这些新的交叉学科领域又对合成化学本身提出了更高的要求,提供了新的机遇。下面我们从几个方面来谈一谈化学对人类社会的贡献。

 

合成化学的发展历史

 

1828年,德国化学家威廉第一次用人工方法从无机物合成出有机物——尿素,这标志着现代合成化学的诞生。截至2021年5月的数据,人类合成的分子现在已经超过1.5亿种,第1.5亿种化学分子诞生在2021年的5月8号,是一个能够治疗癌症和免疫疾病的分子。由此可见,合成化学为人类社会的发展做出了很大的贡献。按照化学空间理论,以分子量500为界限,对药物设计常见的几种元素进行排列组合,能够创造的化学分子种类是1063,而我们已经做出来只有1.5亿个,只是沧海一粟。

 

分子合成能够带来的收益也是非常大的。基础化学工业的一块钱投入,平均能带来四块钱的GDP,创造的价值是很可观的。举例来说,一个小小的药物分子,一年能创造的价值是100多亿美金。除此之外,分子合成还能创造社会价值,例如青蒿素的发现,在青蒿素的基础上衍生出来双氢青蒿素、蒿甲醚、蒿乙醚琥珀酸酯,这些抗疟药物的源头——青蒿素是拯救上亿人的神药。

 

除此之外,还有合成氨、液晶等100多年前发现的、到今天人人身边都有用到的这些材料,以及聚烯烃的催化剂——从发现到获得诺贝尔化学奖并且实现工业化只有不到10年时间。化学对人类的影响是很大的,就在我们身边,不需要复杂的仪器,所创造的分子就有可能改变世界。

 

大家都知道诺贝尔奖的设立过程:最初的炸药是不安全的,诺贝尔用复合材料做出安全炸药,赚了很多钱,使得人类征服自然的能力提高了,于是设立了诺贝尔奖。

 

合成化学也是一个认知不断的提升的过程,沿着从平面到立体,从小分子到大分子,从简单到复杂的方向发展。100多年来的诺贝尔化学奖的历史,半数以上都与物质的合成或创制有关。有些诺贝尔化学奖也给了物理学家和生物学家,因为他们为化学研究提供了工具,或者是将研究的过程推进到分子水平。特别是2000年以后,诺贝尔化学奖获奖都是跟化学合成或者分子创制有关的。

 

合成化学与我们的生活

 

合成化学为人类进步做出了很大的贡献。号称20世纪的六大发明的信息技术、生物技术、核科学与核武器、航空航天导弹、激光技术和纳米技术,如果没有化学合成创造的物质基础,这些技术根本没有办法实现。退一步讲,这六大技术不是人类生存所必需的。但是如果没有合成氨,地球的粮食很难支撑地球上的80亿人口;如果没有抗生素和合成药物的发明,人类的寿命不可能到今天的水平。

 

抗生素、抗菌素在人类历史中起的作用是非常大的。人类的平均寿命在上世纪50年代有比较大的提高。在这之前,一次感冒、一次感染就是致命的,我们对这些疾病和炎症束手无策。而磺胺类药物的发现完全改变了这一现象。

 

最初,英国合成了苯胺类染料,生物学家用它来做细胞染色,这一过程中发现它可以杀死细菌。后来,德国的杜马克发现一种名为百浪多息的染料分子,对溶血性链球菌有很好的疗效,他用这种物质挽救了他患败血症的女儿的生命。后来的研究发现,这种分子到人体内后,代谢出有活性的对氨基苯磺酰胺药物分子。它的合成有比百浪多息要容易得多,而且价格更加便宜,这种药物也是二战前唯一有效的抗细菌感染药物,挽救了无数人的生命。杜马克也获得了1939年诺贝尔生理学医学奖。

 

磺胺药物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。当然,细菌也会产生抗药性,所以科学家要不断合成新的结构来应对挑战。现在在市场上还有几十种磺胺类的药物。从磺胺的发展历程可以看出合成化学在新药开发过程中所起的作用:科学家可以按照现有分子去不断地设计新结构的分子,让它的性能更好。

 

磺胺的发现看似偶然,但是在科学发现的过程中,偶然的背后也蕴含了必然。在抗击新冠肺炎的过程中,我们做出来的药物阿兹夫定,只需要每天服用5毫克,5天左右可以使病人转阴。当然,国外公司也有研发成功的药物,例如美国的辉瑞,日本的盐野义等。如果自己没有特效药,那么我国在与辉瑞公司谈判的时候也将失去筹码,被迫接受对方开出的高价。在这一方面,我国的合成化学家作出了重要的贡献。

 

其次,我想谈一下合成化学和生命科学。生命的过程归根到底是一系列化学变化过程。生物学和医学的研究,都需要理解这些化学变化的过程,需要合成化学来提供物质基础。

 

生物中有三大活性物质:蛋白、核酸、多糖。我国在1965年成功实现人工合成牛胰岛素,标志着人工合成蛋白质时代的开始,我们是用经典的人海战术。而后来美国化学家发明了固相多肽的合成技术,让蛋白的合成实现机器的自动化,获得了1984年诺贝尔化学奖,后来这项技术又用在核酸的合成。目前,蛋白和核酸的合成能力已经非常高,很多多肽、蛋白类药物,都是通过化学和生物方法合成的。而多糖类的合成方面虽然也有一些方法,但是没有根本的突破。多糖类物质跟免疫和癌症都有关系,在座的同学们未来可以去挑战。

 

上世纪50年代,生命科学的发展到了分子水平。后来,人类基因组草图完成,蛋白质成为重要的研究方向。科学家不仅要了解这些生物过程的机制,还要知道怎么去调控这些过程。人体是平衡的,平衡的保持与治疗疾病和延长寿命都有关系。

 

生命的遗传信息不直接参与生命活动,而是通过控制蛋白的合成来调控新陈代谢。一个基因所含的遗传因素,可以通过一系列的复杂的反应,最终指导蛋白的合成,参与生命过程。代谢中的小分子可以调控蛋白的功能。找到起作用的蛋白,然后用小分子去调控它,这就是药物设计中的靶点和药物的关系。

 

据测算,生命活动中的蛋白调控大约需要30万个分子。考虑到筛选的命中率很低,我们可能需要对3,000万个分子进行筛选。用小分子作为调控工具来研究化学的生命过程中化学基础,通过调控干扰,来了解蛋白质的功能,一个新的学科就这样诞生了。

 

另外一个例子是干细胞。正常的皮肤细胞通过基因改造可以变成干细胞,用于疾病治疗。如果这些细胞有致癌基因,皮肤干细胞就有致癌风险。我们可以用化学小分子来替代基因改造,这样做出来的皮肤干细胞就没有风险了。

 

后来,美国遗传学家宣布第一个人工合成的细胞的问世。它的诞生也是合成化学、分子生物学交叉合作的结果,体现了人类改造自然的无限的能动性。

 

对于农业来说,合成氨作为肥料很重要。古时候农作物的产量,例如小麦,风调雨顺的条件下,亩产最多200斤,而现在亩产800斤,这与合成氨的发展关系很大。哈勃在1909年发现了氮气氢化过程,但是反应条件非常苛刻,600摄氏度200个大气压,并且使用有毒的催化剂。后来经过改进,用铁做催化剂就可以。哈勃合成氨法到今天依然在应用,合成氨的年产量超过2亿吨。合成氨工业结束了人类完全依靠天然氮肥的历史。如果没有合成氨,就无法解决今天80亿人的粮食的问题。因此有人说,合成氨技术是20世纪最重要的发明。除此之外,跟农业相关的农膜,农药等等,都需要化学。

 

在这当中,农药曾经产生了很多副作用,比如DDT残留在鸟的体内,会使鸟的蛋壳软化,不能孵化。未来农药是朝着绿色、环保高效发展的,从早期的高毒广谱转变为低毒、选择性。这需要合成化学和其他学科交叉实现。

 

我们再谈一下材料化学。三大合成材料的创造彻底改变了人类生活,这里举两个例子。

 

第一个例子,1986年时,美国的航天飞机发生了爆炸,是因为冬天温度降低,其中的一个O形圈发生了收缩,导致其中的可燃液体爆炸。后来换了含氟的材料就解决了这个问题。第二个例子,无论是波音还是空客,这些飞机里大量地使用了合成材料,占了体积的80%左右。目前,我国的的大飞机使用的合成材料占比不到20%,这是会影响到最终的运营成本的。虽然我们现在解决了大飞机从无到有的问题,但是合成材料的效果要好很多,我们在这一方面还有不足。

 

合成化学与未来

 

那么,合成化学未来的机遇是什么,还有没有活力呢?

 

从大的方面来说,21世纪以来,已经有6个诺贝尔化学奖与合成化学有关。合成化学的成果得到空前发展,如今,只要能设计出的结构,就能做出来。未来,合成化学的方向将与生物能源材料有关,与绿色健康智能有关,未来的合成化学一定是更加经济的、安全的、环境友好的、节省能源与资源的化学。

 

合成化学家需要更高水平的科学创造力和洞察力,探索无限的可能性。在这里给大家介绍一位两度获得诺贝尔化学奖的科学家夏普莱斯,他也是我的好朋友,2016年以特聘教授身份来到上海有机所工作。

 

他提出了“点击化学”(click chemistry)的概念,改变了包括材料、生命科学、药物在内的很多领域。不过“点击化学”这个译名是错误的,这里的click不是鼠标点击,而是类似于安全带扣好时的“咔哒”声。夏普莱斯认为,化学的核心有两个,一是连接,二是功能。他关于“点击化学”的工作在1998年就开始了。到了上海有机所以后,2019年发表的论文加快了他第二次获诺奖的速度。他的方法可以让单人每小时做1000多个分子,极大地加快了分子设计的速度。他希望通过最好最快的科学,为老百姓做出便宜的有效的药物。

 

另一方面,合成化学与资源环境的未来也密切相关。例如。光伏发电需要合成化学提供光伏材料;液体阳光——甲醇的利用与转化也需要化学来支撑;白色污染变成清洁的燃油,也是一个有前景的研究方向。

 

另外,化学转化的绿色低能耗也很值得研究。例如,合成氨耗掉了全球2%的能源,而科学家一直梦想着在更温和的条件下把氮气变成氨。

 

在材料方面,通过改变催化剂来改变材料性能的研究前景也很可观。

 

在生物技术方面,通过合成化学,我们可以用DNA来存储电子数据,实现生物技术与信息技术的融合。有人做过测算,全世界目前的数据只需214公斤的DNA就能完整记录,这背后的物质基础,合成化学可以提供。

 

未来的合成化学从原料到过程到产品一定是绿色的,这是可持续发展的重要理念。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。人类所理解的仅仅是沧海一粟,科技创新的前沿永无止境,合成可以创造未来,合成可以创造价值,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,报告题目为《合成创造未来》,科学大院根据现场实况整理,经作者审阅发布)

文章转至;科学大院

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