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展望21世紀的化學(二) |
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暫無
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展望 世紀 化學 |
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| 所屬學科： |
高分子工程 |
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來源網(wǎng)絡 |
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七、納米化學 物質(zhì)顆粒尺寸大小與其性質(zhì)有一定關聯(lián)，這是人們早巳認識了的。一般把尺度在l～10 mm范圍的稱為微小型(Mini-)； l mm～l mm范圍的為微米級(Micro-)，1 nm～0.l mm范圍的為納米(Nano-)級。近年來，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)顆粒尺寸小到納米級時，其性質(zhì)發(fā)生突變，特別是許多納米級材料在電、光、磁、力學以至生物學等方面的性質(zhì)發(fā)生了突變，這種變異開拓了一門新興的交叉學科——納米化學。納米材料已成為高新技術的重要研究領域，納米科學技術將成為21世紀關鍵的高新技術之一。 1．納米化學合成 納米材料有兩大類：一是粒度在納米級的超細材料；一是具有納米孔、納米通道等納米相結構的材料。納米物質(zhì)的合成是納米化學首先所面臨的問題，要想合成超細的納米級粉料和有納米相結構的材料，在合成方法上則有別于一般化學合成方法。現(xiàn)有的納米粉料及納米結構材料合成方法可歸納為：氣相法、固相法、液相法和納米結構合成法。表8列示了這四類合成方法。 這些方法中，用氣相法、固相法、液相法雖然可以得到不同類型的納米微粒，但因納米微粒有巨大的比表面，彼此很容易凝結而成毫米級、微米級的超細粒子，因此無法采用簡單的混合和復合的方法將上述制備的粒子和其他物質(zhì)(如聚合物)混合來制備“納米材料”。如何防止制備的納米粒子團聚，是一個尚待解決的難題。 采用直接合成納米結構的方法是目前獲得合成納米材料的可行方法。這方面的工作有下述幾種。 (1)納米插層聚合 即聚合物單體滲入蒙脫土內(nèi)，再聚合成蒙脫土納米片晶分散在聚合物內(nèi)的納米材料。 (2)相分離嵌段聚合物 即選用極性不同、彼此不相容的聚合物鏈段，以嵌段形式聚合到一個高分子鏈上。這種嵌段高分子形成的聚合物將在連續(xù)相內(nèi)存在相分離的納米尺度鏈段，而形成納米材料。 (3)雜化材料 采用有機物、低聚物、高分子和金屬鹽、原硅酸酯等無機物一起通過溶膠—凝膠法共聚合，以合成有機高分子“接枝”無機物片斷的“雜化”分子。在這些“雜化”分子中，無機物片斷于有機聚合物中產(chǎn)生納米尺度相分離，而成納米材料；或在溶膠—凝膠法中，無機物經(jīng)還原析出，以納米尺度的金屬粒子分散在有機聚合物中，這也是一類納米材料。 (4)組裝合成納米相 即采用分子間弱相互作用，在結構設計基礎上，采取適當組裝方法，把不同性質(zhì)的分子一個個的有規(guī)則地組裝成二維、三維結構而成為特殊的納米材料。 除此之外，采取特殊的紡絲成纖技術，紡制直徑為納米尺度的合成纖維；采用特殊的聚合反應合成超支化或樹狀高分子，這類分子的結構在宏觀上是一個個的納米球團。這兩個方法也是值得研究的納米材料合成技術。當然各種新的納米化合物的合成方法還在不斷發(fā)現(xiàn)，特別是生物體內(nèi)組裝而成的具有納米相結構物質(zhì)，如象牙、貝殼、珍珠、骨等，雖都是羥基磷酸鈣和碳酸鈣等組成，但其強度、韌性都很特殊。因此探索仿生納米合成亦是納米化學研究中的新領域。2. 納米檢測技術納米化學合成了相應的納米顆粒和納米結構材料，必然要發(fā)展納米檢測技術，如納米粉體的粒度分布測定、孔徑測定、界面研究等。電子顯微鏡雖可觀測到納米尺度，但只是形態(tài)學手段，不能滿足進一步觀測結構和獲得更多信息的要求。為此近年宋發(fā)展了掃描探針顯微技術，如掃描探針顯微鏡(SPM)、原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯微鏡(MFM)、光學掃描隧道顯微鏡(PSTM)、彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)等。這些顯微鏡利用探針與樣品的不同的相互作用，來探測表面和界面在納米尺度表現(xiàn)出來的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)。它們都為納米化學的研究提供了極為有用的工具。表8 四類納米粉料及納米結構材料合成的有關方法激光 蒸發(fā)、凝聚氣相法 等離子體 氣相化學反應電弧 氣相熱分解反應 液面蒸發(fā)法(VEROS)固相化學反應法低溫粉碎法、超聲波粉碎法熱分解法(有機鹽類熱分解)固相法 爆炸法（利用瞬間的高溫高壓）高能球磨法超聲空穴法直接沉淀法 非水溶劑洗滌共沉淀法 共沸蒸餾沉淀法 均相沉淀法 冷凍干燥絡合沉淀法 乳濁化化學還原法 水介質(zhì)中溶液中的還原法 BH4-還原 BEt3H還原 非水介質(zhì)中 堿金屬還原醇鹽水解法水解法 金屬鹽水解法鹵化物氣相水解法液相法 噴霧熱分解溶劑蒸發(fā)法 火焰干燥法冷凍干燥法熱煤油法反膠團技術 溶解萃取法水熱沉淀法水熱結晶法液熱法 水熱反應法非水溶解熱反應法溶膠-凝膠法(Sol-Gel)羰基法(液態(tài)羰基化合物熱分解)電解法；汞合法；溶膠法熔鹽熱解法 快速熱分解微乳液聚合電水錘法 插層聚合法相分離嵌乳共聚法納米相結構合成法 雜化材料法超分子組裝納米纖維超支化高分子 3．納米材料的異常行為及其用途 20世紀90年代發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯陶瓷在適當溫度下(即在其熔點的0.4～0.5之間)具有很大的塑性存在。不僅是納米的離子型化合物是如此，具有共價型的納米級氮化硅陶瓷在適當溫度下也是如此，且具有比微米級氮化硅陶瓷高出1倍以上的形變能力。在室溫下納米氧化鋯陶瓷具有的這種超塑性行為，引起了人們極大的興趣。陶瓷的缺點——脆性是否能在這種具異常性能的納米材料中找到改進的途徑?納米陶瓷所呈現(xiàn)的超塑性不但為陶瓷材料帶來子新的應用領域，同時還發(fā)現(xiàn)了許多其他納米材料的特殊性能：如材料晶粒尺寸達到納米尺度時，其硬度大幅度增加；納米Ni/ZrO2復合材料的比熱容行為出現(xiàn)異常；納米顆粒膜產(chǎn)生巨磁阻效應；A1203／TiO2和SiO2／Fe2O3納米復合體系具有紅外隱身和屏蔽效應；納米粒子的光譜特性常有“藍移”和“紅移”現(xiàn)象；還發(fā)現(xiàn)合成稀土ABO3型納米晶體的電阻率和導電活化能有異?，F(xiàn)象；納米級Si02，g-A12O3或稀土氧化物對緊湊節(jié)能燈的玻管作表面處理，可提高燈的光通維持率……等等。以上列舉的這些例子說明納米材料的異常行為拓展了它們在各種領域中的應用。納米陶瓷的超塑性為陶瓷的結晶成型提供了可能；納米的無機/有機復合材料開闊了合成材料的制備范圍；納米粉末在磁記錄、阻燃劑、橡膠添加劑、功能陶瓷、結構陶瓷、涂料、隱身材料、催化劑、服裝、化妝品、導電涂料、燃料電池等領域均可找到它的用途。4．納米化學研究動向與課題 鑒于納米化學的發(fā)展時間較短，而發(fā)現(xiàn)的異常行為較多，其應用前景廣闊，因此必須加強基礎研究，搞清楚納米材料異常行為的原因和內(nèi)在聯(lián)系。下列各方面均為值得研究的課題： ①納米粉粒和納米相結構的化學合成新方法的研究及其物理和化學問題； ②納米材料包括纖維、膜和體材料、多孔材料的制備技術； ③納米材料的特異性質(zhì)、尺寸效應及其機理，以及與顯微結構的關系； ④局域納米化學的研究； ⑤納米催化的研究； ⑥納米自組裝材料及其形成機理； ⑦納米無機／聚合物雜化材料，納米仿生材料； ⑧納米化學表征和檢測； ⑨納米材料的應用，工業(yè)化前景及批量生產(chǎn)納米材料的途徑。 納米材料研究和應用將成為21世紀的熱點研究領域，是材料科學最重要的研究方向之一。八、手性藥物和手性技術1．什么是手性藥物? 手性是人類賴以生存的自然界的本質(zhì)屬性之一。手性藥物研究是當前新藥研究的發(fā)展方向和熱點。手性藥物是指只含單一對映體的藥物。有手性因素的化合物，其化學組分相同，但可因空間立體結構不同而成對映的兩個異構體，稱為對映體，恰姐入的左右手。生物大分子如蛋白質(zhì)、多糖、核酸等全有手征性。除細菌等生物以外蛋白質(zhì)都是由左旋的L-氨基酸組成；多糖和核酸中的糖則是右旋的D-構型。它們在生物體內(nèi)造成手性環(huán)境。藥物在進人生物體內(nèi)后，其藥理作用多與它和體內(nèi)靶分子之間的手性匹配和分子識別能力有關。因此含手性的化學藥物，其不同對映體顯示了不同的藥理作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多藥物的手性異構體具有不同藥理作用，舉例列于表9。表9 手性藥物兩種不同對映體的不同藥理作用舉例藥物名稱藥物的治療作用有效對映體的構型與作用另一對映體的構型與作用反應停鎮(zhèn)靜S構型：鎮(zhèn)靜劑R構型：無鎮(zhèn)靜作用，致畸乙胺丁醇抗結核SS構型：抗結核菌，活性200×RRRR構型：導致失明普萘洛爾(心得安) propranolol心臟病S構型：b-受體阻斷劑，活性100×RR構型：影響或抑制性欲作用氯霉素抗菌RR構型：抗菌，活性50～100×SSSS構型：抗菌活性低萘必洛爾Nebivolol治療高血壓(+) ：b-受體阻斷劑(-)： 血管舒張酮基布洛芬Ketoprofen抗炎S構型：抗炎R構型：防治牙周病 * R型或S型表示單一對映體分子中所含手性因素的立體結構的本質(zhì)；(+)或(-)表示單一對映體整個分子的旋光表征。 過去手性藥物往往以消旋體形式(含有兩個等量對映體的混合物)出售。1961年出現(xiàn)了外消旋的鎮(zhèn)靜劑反應停(Thalidomide)被孕婦服用后產(chǎn)生畸胎事件，直到1965年人們才發(fā)現(xiàn)反應停的S-對映體為鎮(zhèn)靜劑，而另一種R-對映體非但沒有鎮(zhèn)靜作用，而且有致畸作用。以后的研究表明，這不是個別現(xiàn)象，很多手性藥物都有類似情況。表9的例子說明，應對每一個含手性因素的藥物進行對映體的藥理研究，不少藥物和毒物的差別僅為兩個不同立體構型的對映體。這就是要研究和發(fā)展手性藥物的重要性。2．手性藥物分類 手性藥物按其作用可分三類。 ①異構體具有完全不同的藥理作用，如S-構型是藥物，R-構型是毒物或另一種藥物。反應停就是一例；曲托喹酚(喘速寧，Tretoquin01)的S-異構體是支氣管擴張劑，只—異構體則有抑制血小板凝聚的作用。 ②異構體具有性質(zhì)類似的藥理作用，如異丙嗪(Promethazine)的兩個異構體具有相同的抗組織胺的活性和毒性。 ③異構體中一個有藥理活性，另一個則沒有活性：如抗炎鎮(zhèn)痛藥萘普生(Neproxen)其S-異構體的療效為R-異構體的28倍，后者可認為沒有活性。作為藥物，只—異構體相當于雜質(zhì)，而S-萘普生則作為商品藥物。 目前手性藥物的開發(fā)著重在①和③，特別是①類必須分為兩種單一對映體供藥。 推動手性藥物迅速發(fā)展的直接動力是藥品管理機構根據(jù)醫(yī)藥研究的結果而制定的新規(guī)定。1992年美國食品和藥品管理局(FDA)發(fā)布了手性藥物指導原則，要求所有在美國上市的消旋體類新藥均要說明藥物中所含的對映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果。這一規(guī)定促使對映純手性藥物研究迅速發(fā)展。手性藥物的世界銷售額從1994年以來每年以20％以上的速度增長，預期2000年的銷售額會到1000億美元。 市場銷售額的增長促進了手性藥物的研究和開發(fā)。世界各國的制藥公司投入大量人力和物力，紛紛開發(fā)手性藥物。目前提出新藥注冊申請和正在開發(fā)的新藥中，單一對映體占絕大多數(shù)。處于Ⅱ／Ⅲ期臨床試驗的化合物中，80％是手性藥物。據(jù)預測到2005年全球上市的化學合成新藥中約有60％為單一對映體的藥物。因此21世紀將是發(fā)展手性藥物大好時機。 3．如何制造手性藥物? 這是化學和生物學研究的重要領域——手性技術。手性技術包括手性合成和手性拆分兩個方面，均為手性藥物制造技術必不可少的方法和工具。表10概括了手性技術的研究領域。表10 手性技術的研究領域手性合成化學合成手性源誘導合成；手性源不對稱合成化學計量型；手性助劑，手性試劑催化計量型生物合成天然物提取酶催化發(fā)酵工程懸浮生長細胞固定化細胞工程懸浮酶固定化酶手性拆分結晶法拆分優(yōu)先結晶法分步結晶法動力學拆分包結拆分酶拆分色譜分離模擬移動床色譜 (1)手性合成 包括化學合成和生物合成。 在手性化學合成(或稱不對稱合成)方面，20世紀后半葉不對稱合成方法有了快速發(fā)展，它經(jīng)歷了四個階段(即四種方法)的進展。 ①手性源方法(chiral pool) 原料為手性化合物A*，經(jīng)不對稱反應，得到另一手性化合物B*，即手性原料轉化成反應產(chǎn)物。 A* ® B*
②手性助劑方法(chiral auxiliary) 利用手性助劑R*與原料A結合成AR*進行不對稱誘導反應，產(chǎn)生B*R*，收回R*，則可得到新的手性化合物B*。A AR* ® B*R* ® B* ③手性試劑方法(chiral reagent) 利用手性試劑，直接參與不對稱誘導反應，而產(chǎn)生新的手性化合物B*。A B* ④不對稱催化方法(asymmetric catalysis) 用手性催化劑C*參與不對稱催化反應，得到新的手性化合物。A B* 方法①、②、③是化學計量型的反應，而方法④是催化量的化學反應，具有手性增值的效應。如不對稱催化氫化反應，用好的手性催化劑可使手性增值效應高至10萬倍，即用1個手性催化劑分子可產(chǎn)生10萬個手性產(chǎn)物。因此近年來不對稱催化方法引人注目，吸引了世界上許多著名的有機化學研究室和各大制藥公司的研究開發(fā)部從事手性催化研究，其中既有創(chuàng)新性的基礎研究工作，又有具實際應用價值的手性藥物合成。不對稱催化合成已經(jīng)不是紙上談兵。表11列舉了不對稱催化反應的工業(yè)化實例。預期在21世紀不對稱催化的研究將會有突破性進展。表11 用于工業(yè)的不對稱催化反應公司名稱金屬反應類產(chǎn)物發(fā)明者Monsanto Monsanto Sumitomo Anic，Enichem T．T. Baker ARCO TakasagoMerckS. MerckTakasagORhRuCuRhTiTiRhBMnRu氫化氫化環(huán)丙烷化氫化環(huán)氧化環(huán)氧化重排羰基還原環(huán)氧化氫化L-多巴S-萘普生西司他丁(Cilastatin) L-苯丙氨酸Disuarlure縮水甘油l-薄荷醇MK-0417CremakatinCarbapenemKnowlesA．C．S. ChanAratani等Fiorini等SharplessSharplessNoyoriCorey JacobsonNoyori 在生物合成方面也有兩種方法。 ①發(fā)酵(懸浮生長細胞和固定化細胞)法。利用細胞發(fā)酵合成手性化合物，如用發(fā)酵生產(chǎn)L-氨基酸。 ②生物酶法。可將有潛手性的化合物和前體通過酶促反應轉化為單一對映體，可利用氧化還原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羥化酶、環(huán)氧化酶等，直接從前體化合物不對稱合成各種復雜的手性醇、酮、酸、酯、胺衍生物，以及含磷、硫、氮及金屬的手性化合物。酶法合成的特點是高對映體選擇性和產(chǎn)物光學純度高(100％e．e．)，收率高和副反應少，反應條件溫和，無環(huán)境污染等，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。特別是酶固定化技術，可使酶催化反應成為固定床連續(xù)生產(chǎn)流程，具有工業(yè)化價值。 近來英國Synopsys科學系統(tǒng)建立了一個由酶、微生物和催化抗體進行的生物轉化數(shù)據(jù)庫“Biocatalysm”。1995年收載了包括專利在內(nèi)的最近文獻中5000個反應，到1996年4月增加到15000個反應，數(shù)據(jù)庫現(xiàn)以光盤發(fā)布。另一個是制備開始階段的數(shù)據(jù)庫“UM-BBD”，該數(shù)據(jù)庫目的是幫助基因工程師查明在什么微生物中存在什么代謝途徑，以便找到合適的工程菌。目前“UM-BBD”庫存有120個反應，可在World Wide Web網(wǎng)上免費瀏覽此數(shù)據(jù)庫。 用生物技術合成手性藥物并使之工業(yè)化是一個熱點研究方向。 (2)手性拆分(Chiral resolution) 外消旋體轉化(racemlc switch)是研制手性藥物最省事和低成本的方法。據(jù)幾個大制藥公司的估算(美國的Merck、Sepracor，英國的Chioscience等)：將已經(jīng)批準以消旋體形式上市的手性藥物改成以單一活性對映體形式申請批準上市，這個過程平均只要化400萬美元左右即可完成，與研究一個新藥的投入(2億美元以上)相比，是便宜的捷徑。外消旋體轉化技術的關鍵是拆分。表10列舉了5種拆分方法：結晶法拆分、動力學拆分、包結拆分、酶拆分和色譜分離。在這些方法中已發(fā)展為較有商業(yè)規(guī)模的有以下幾種。 ①模擬移動床色譜(simulated moving bed chromatography， SMBC)。SMBC方法的研究始于1960年，美國UOP與ChiralTechnologies合作共同開發(fā)應用模擬移動床工藝拆分各種外消旋體。經(jīng)過30多年的努力和應用，SMBC方法在對映體選擇性分離中發(fā)揮了重要作用，現(xiàn)已發(fā)展成噸級手性藥物的制備工藝。這類手性色譜拆分可得到高光學純度的對映體，而且成本較低。在工藝上，SMBC將手性色譜柱的首尾兩端連接成為一個閉路循環(huán)，操作人員在整個循環(huán)過程中移動新鮮樣品與溶劑的注入點和混合組分的移出點。每個回路中還有8～10根手性色譜柱，柱與柱之間的連接點處有4個閥門，分別注入外消旋體及溶劑并取出產(chǎn)品。反復注入和取出均用微機軟件控制。這種裝置再配以液相色譜手性分離數(shù)據(jù)庫(chirbase)，就可以做外消旋體分離成光學純的手性藥物了。 ②酶拆分。利用水解酶如脂肪酶、蛋白酶、酰胺酶、腈水合酶、?；傅葘ν庀衔镞M行不對稱水解，以拆分制備光學純手性藥物。對于各種外消旋體，均需制成一個能水解的前體，并試驗各種水解酶的立體專一性拆分，這也要做大量的基礎性研究。 ③包結拆分。這是化學拆分中較新的一種方法。其原理是用非共價鍵體系的相互作用而使消旋體與手性拆分劑發(fā)生包結作用。它不象常規(guī)拆分中那樣受酸、堿等基團的影響，可在分子-分子體系層次上進行手性匹配和選擇，并通過結晶方法將兩個對映體分開。如抗消化道潰瘍藥物Omeprazole(見28頁圖3)其分子結構的手性特征是S型，用一般化學拆分、酶拆分均不能成功，但用包結法卻能成功地將其拆分，得到S-Omeprazole，預期這個手性藥物即將上市。 在手性拆分研究方面將會出現(xiàn)研究熱潮，再配合拆分技術和建立數(shù)據(jù)庫，可為手性藥物的大發(fā)展提出高選擇性和低成本的方法和具有商業(yè)價值的工藝路線?？傊鶕?jù)社會的需求，在日益增長的市場推動下，21世紀將成為手性藥物和手性技術大發(fā)展的世紀。第四章 化學工業(yè)與國民經(jīng)濟的關系一、農(nóng)業(yè) 1999年世界人口已達60億，預期2025年將達到68億。中國人口已于1995年2月15日達到12億，據(jù)預期2000年中國人口將突破13.5億?？渴裁磥眇B(yǎng)活這么多的人?增加食物生產(chǎn)除依靠改良品種、擴大耕種面積以外，要提高單位面積產(chǎn)量及食物質(zhì)量更重要的是依靠科學，如肥料、農(nóng)藥、土壤結構和肥力的保持等，這中間都有化學問題有待研究。1. 肥料 氮、磷、鉀及某些微量元素是糧食和農(nóng)作物必不可少的肥料。20世紀解決了一個大問題，合成氨的研制成功和大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)使氮肥滿足了農(nóng)作物的生長需要。為此兩屆諾貝爾化學獎授于合成氨的發(fā)明者和改進者，1918年F．Haber和1931年C．Bosch，表彰他們?yōu)槿祟愒黾蛹Z食生產(chǎn)中的肥料問題作出的貢獻。現(xiàn)在合成氨大型裝置的生產(chǎn)規(guī)?？蛇_50萬t／a。我國的合成氨產(chǎn)量已達2000萬t／a，居世界第二位。合成氨的原料是氮氣和氫氣，它們可分別從煤、石油或天然氣轉化成N：H為1：3的混合氣，在鐵系催化劑作用下合成氨。已有各種不同壓力下的合成方法，見表12。 在肥料中除氮肥外，磷、鉀肥料也是很重要的。目前正在發(fā)展復合肥料，以植物生長所需的最佳配比來研制肥料是增產(chǎn)糧食的有效途徑。另外近年來，在肥料中添加稀土元素增產(chǎn)糧食取得初步成效?？傊?，在肥料這一領域里根據(jù)植物生長的內(nèi)在需要，尋求各種組分的復合肥料是大幅度增產(chǎn)農(nóng)作物的關鍵問題，有待21世紀的研究和開發(fā)。表12 氨合成方法名稱合成壓力／MPa年份開發(fā)國家哈伯-博施法克勞德法卡塞萊法佛瑟法蒙特·塞尼斯-伍德法氮氣工程公司法20.3101.370.9～81.130．410.1～15.230．4191319171920192119211921德國法國意大利意大利德國美國2．農(nóng)藥 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，自然界的病蟲害帶來的危害是十分嚴重的，常?？稍斐梢粋€地區(qū)顆粒不收的局面。人們對付病蟲害有兩種手段：化學防治和生物防治?；瘜W防治就要使用農(nóng)藥，包括殺蟲劑、除草劑和殺真菌劑等來控制病蟲害。殺死害蟲的化學品較多，根據(jù)高效、低毒和安全的目標，農(nóng)藥的品種不斷更新?lián)Q代，如早期使用的滴滴涕、六六六等有機氯殺蟲劑，由于高毒性和環(huán)境污染問題，現(xiàn)已淘汰，禁止使用。有機磷殺蟲劑如馬拉硫磷、敵百蟲、殺螟硫磷、甲基對硫磷等品種較多，具有強烈殺蟲作用且對人畜毒性較低，所以在農(nóng)田中廣泛使用。有機硫殺蟲劑代森鋅、有機砷殺菌劑、有機汞殺菌劑等現(xiàn)已逐漸被擬除蟲菊酯殺蟲劑(氯甲氰菊酯，甲氰菊酯，溴氰菊酯等)，高效內(nèi)吸性殺菌劑(萎銹靈、苯菌靈、硫菌靈等)和農(nóng)用抗生素等新品種所取代。人們期望創(chuàng)制出一代又一代的新農(nóng)藥為增加糧食做出更大的貢獻。3. 植物激素及生長調(diào)節(jié)劑 植物體內(nèi)具有調(diào)節(jié)作用的內(nèi)源性物質(zhì)稱為植物激素。植物激素包括生長因子(如植物生長素、赤霉素和細胞分裂素類)和生長抑制劑(如脫落酸和乙烯)。這類生長調(diào)節(jié)物質(zhì)對植物發(fā)育的每一個時期均有影響。雖然現(xiàn)已知道一些植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)的分子結構，但對其產(chǎn)生活性的生物—化學過程和作用了解甚少。因此研究植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)及其作用機制是有待深入探索的領域。如果能搞清楚它們的作用機制，人們就能提出調(diào)控植物的生長和死亡的辦法，對農(nóng)作物增產(chǎn)將起到重要的作用。 已知的植物生長調(diào)節(jié)劑有數(shù)百種，如吲哚乙酸(IAA，促進植物生長)，赤霉酸(GA，誘發(fā)花芽的形成)，細胞分裂素(促進種子萌發(fā)、抑制衰老)，乙烯(促進果實成熟)，獨腳金酮(誘發(fā)寄生植物種子萌發(fā))，G2因子或N-甲基煙酸內(nèi)酯(影響固氮作用)，Glycinoeclepin A(促進蠕蟲卵孵化)等，這些化合物的結構是多種多樣的，它們的衍生物及其生物活性有待進一步研究。利用各種植物生長調(diào)節(jié)劑促進農(nóng)作物生長，并適時調(diào)控，以提高糧食產(chǎn)量是完全有可能的，也是一個值得研究的方向。4．光合作用和固氮 (1)光合作用 植物生長依靠光合作用把二氧化碳和水轉變成可供植物細胞使用的原料。通過這個過程，綠色植物、藻類和光合細菌利用太陽能驅(qū)動體內(nèi)的化學反應，從而合成糖類，放出氧，并進一步合成其他生物分子而使植物生長。有機化學家M．Calvin由于找到了二氧化碳通過光合作用轉化為糖和其他重要化合物如氨基酸等的變化序列，獲得1961年諾貝爾化學獎。在光合作用中，葉綠素是核心化合物。它吸收能量后，一個電子躍遷到高能級，這個電子再轉移到光合作用中心的另一個分子上去。在電子轉移過程中無機磷酸根參與合成三磷酸腺苷(ATP)，形成高能鍵。ATP是推動很多生化過程的化學能源。光合作用中電子的傳遞終止于一種由煙酸衍生而成的輔酶，并用于完成其他的生物化學過程。失去電子的葉綠素最后從水中拿回電子，水則轉化為氧氣。這是Calvin的工作成果；而葉綠素的結構則是由H．Michel，J．Diesenhofer和R．Huber用X-射線單晶測定結構技術建立的。他們還證明在葉綠體中有序地排列著某些蛋白質(zhì)和葉綠素組裝成的葉綠素聚集體或葉綠素—蛋白質(zhì)聚集體，并因這個開創(chuàng)性的研究獲得了1988年諾貝爾化學獎。 每年地球上的光合作用可把10nt的碳轉變成有機化合物太陽能變成化學能。這是非常吸引人的問題。若能闡明其機理，就有可能人工模擬光合作用以制造農(nóng)產(chǎn)品。但光合作用的機理還遠沒有搞清楚。 (2)固氮 植物生長除了靠光合作用外，還要靠從土壤中吸收含氮的化合物。雖然空氣中的氮氣占80％，但單質(zhì)氮不是所有生物都可吸收利用的。因此要把空氣中的氮氣轉化為氮化合物，這個固氮過程十分重要。自然界有些細菌和藻類可把空氣中的氮還原成氨。如豆科植物，包括大豆、三葉草和紫花苜蓿等根瘤菌的固氮菌株具有這種固氮作用。固氮作用與固氮酶有關。單質(zhì)氮轉化為氮化合物的過程涉及固氮酶及其復合物的作用。已知固氮酶由兩種蛋白質(zhì)組成：一種蛋白質(zhì)(二氮酶)的相對分子質(zhì)量約為220000，含2個鉬原子、32個鐵原子和32個活性硫原子；另一種蛋白質(zhì)(二氮還原酶)是由2個相對分子質(zhì)量為29000的相同亞基構成的，每個亞基含4個鐵原子和4個硫原子。要全部搞清楚固氮酶的結構和作用機制是一項甚為復雜的研究工作，但固氮酶的蛋白質(zhì)及其固氮活性中心的結構信息可啟發(fā)化學模擬固氮的催化研究。蛋白質(zhì)與鉬和鐵的配合物及鉬、鐵、硫的原子簇化合物均被認為是可以模擬固氮酶的活性部位。無論是生物固氮或是化學模擬固氮，將都是21世紀的熱點研究領域。5．優(yōu)良品種和基因工程農(nóng)作物的優(yōu)良品種的培育是一個長期而艱巨的研究過程，但也是增產(chǎn)糧食的重要研究領域。近年來基因工程的進展促使優(yōu)良品種的培育采用基因工程方式來進行，研究把高產(chǎn)植物的基因轉人糧食作物的種子中。目前已有一些研究成果，如抗病高產(chǎn)小麥，害蟲不吃的棉花、低芥酸的油菜等等。這是一個新興的研究領域，亦是解決人類食物的最有成效的途徑之一。二、能源 經(jīng)濟增長與能源消費增長是緊密聯(lián)系的，目前人類利用的能源有：煤、天然氣、石油、核能、水力、太陽能、生物原料等。世界能源結構比例列于表13中。表13 世界能源結構分析(％)范圍年代煤石油天然氣水力、核能國際195019832020(預計)61.532.2～3027.041.520.09.822.0451.74.2-國內(nèi)198779.617.71.61.1其總的趨勢要看資源情況。國際上以石油為主，而我國仍以煤為主。再過20～30年，天然氣將逐漸成為能源的主力，石油將退居第三位，因此在煤、天然氣、石油三大能源支柱中，化學在滿足國家能源需求方面，將仍起中心科學的作用。 我國能源資源探明的儲量：煤6000億t、石油34億t、天然氣2萬億m3。目前年產(chǎn)量：煤12億t、石油1．5億t、天然氣150億m3。按此速度開發(fā)石油，只有23年左右的可供開采資源。因此在能源開發(fā)和利用上，要實施近期和遠期開發(fā)相結合的策略，及早做好準備。一方面尋找新資源；一方面尋找新能源；另一方面則是合理使用現(xiàn)有資源。 1. 煤的高效和清潔化燃燒目前煤是主要能源，特別是在發(fā)電能源方面76％靠煤炭，應向高效率和潔凈化燃燒的方向研究和發(fā)展。若提高效率5％一10％，則每年就能節(jié)煤0.5～1億t，相當于幾個大型煤礦的煤產(chǎn)量。燃燒過程是包括流體流動、傳質(zhì)過程、傳熱過程及化學動力學在內(nèi)的一種系統(tǒng)工程，要綜合考慮。既要高效燃燒，又能清潔而不污染環(huán)境。如圖14所示，以分區(qū)脫硫、分級送風解耦等方法，使煤燃燒后排放的是N2、O2、H20和CaS04，而不再污染環(huán)境。一次空氣脫硫劑(CaO) 熱原煤 半焦 (CO2、NOx、CaSO4) (C、H、N、S) (C、N、S) 加熱（無氧） 揮發(fā)物 潔凈燃燒：(NH3、HCN、CO、CH4) 二次空氣 NH3 + NO ® N2 + H20N20 ® N2 + 02S02 + CaO ® CaS04圖14 煤的潔凈燃燒2. 天然氣的開發(fā)和利用 從我國天然氣的儲量及可開采量來看，可開發(fā)130年之久，為石油的6倍以上。因此要大力推廣使用天然氣能源。特別是作為家用燃料，天然氣優(yōu)于煤和石油。天然氣中甲烷的燃燒值和發(fā)熱量高，再加上管道傳輸方便，宜于家家戶戶使用。關鍵是在天然氣產(chǎn)地要先做好脫硫和去除一些含氮雜質(zhì)。3．石油的開采、精煉和燃燒 石油開采中，初級開采如靠天然壓力，只能開采10～20％；二級注水、氣等開采，可開采出35％。二者相加，只能開采出儲量的50％左右。近年來用化學方法進三次采油，即利用表面活性劑和高聚物溶液進行強化采油，以期又可得到另一半儲量的石油(當然不可能全部開采)。這是石油開采急待解決的重大問題，經(jīng)濟意義很大。 汽油的燃燒效率用辛烷值表示。從石油制造的汽油，其碳鏈數(shù)和異構化程度均有一定的幅度。現(xiàn)已有的催化裂解和重整煉油技術，可使得到的汽油碳鏈長較為整齊(8個碳)，異構化程度高(異辛烷成分高)。這樣得到的汽油其辛烷值高，汽車使用時可大量節(jié)約用油。因此催化研究是至關重要的，所以石油作為能源仍有許多化學問題有待研究和解決。4．核能利用 核能在20世紀發(fā)展很快。發(fā)達國家已建立了核電廠，核電在整個能源結構中占5～10％。核能在經(jīng)濟上與煤、石油、天然氣是可以競爭的。我國的核電工業(yè)開發(fā)不久，目前只有大亞灣和秦山兩個核電廠，在能源結構中比例甚小。但從發(fā)展來看，我國的核電工業(yè)將會在21世紀有較大發(fā)展。 核能作為能源是應該發(fā)展的，它是人類利用自然資源的一個重要方面。但安全和放射性廢物問題給核電工業(yè)蒙上了一層陰影。要想減少核電工業(yè)帶來的風險，很大程度上取決于化學和化學工程師們的智慧和能力。核化學研究涉及到核能生產(chǎn)的各方面，從鈾礦勘探，核燃料的提煉、濃縮，裂變產(chǎn)物的分離，核堆安全棒的制造，直到放射性廢物的處理。綜合分析世界上核電工業(yè)的安全事故，并不是核電工業(yè)本身的技術安全問題，而是核電工業(yè)中的人為事故。所以發(fā)展核電工業(yè)必須加強人材培訓和安全制度，使人為事故消滅在發(fā)生之前。 核能中另一個重要的研究領域是可控熱核反應，即核聚變反應。兩個較輕的原子核聚變成一個較重的原子核，同時釋放出巨大的能量。氫彈爆炸就屬于這種核反應。不過這一過程是在極短的瞬時完成的，目前人們尚無法控制。這在物理學、核工程和材料科學方面需要有深入研究和創(chuàng)新突破。使超高溫下產(chǎn)生的熱核反應在聚變反應器中成為可控和能量可利用，21世紀可望在可控核聚變領域有新的進展。 其他能量如太陽能、氫能源、過氧化氫能源、生物質(zhì)能源等均應加強基礎研究和應用開發(fā)，為21世紀大規(guī)模利用新能源開辟新途徑。三、石油化工、天然氣化工和煤化工 20世紀作為化工產(chǎn)品的源頭，石油、天然氣、煤的化學工業(yè)得到了很大的發(fā)展。特別是石油化工，由于市場經(jīng)濟和技術競爭因素，促使其發(fā)展更加快速和廣泛。 1．石油化工 21世紀石油化工產(chǎn)品仍為化工產(chǎn)品的主流。石油資源在21世紀尚能供給人類消費的需求，但作為石油資源開采和利用方面，三次采油技術和相關化學品的研制將是一個重要的研究領域。石油化工方面將出現(xiàn)兩個重要傾向。一個是石油化工裝置的大型化，國際各大化學公司相繼建立大型煉油裝置和深加工的化工裝置。這是資源利用和經(jīng)濟成本所驅(qū)動的。另一個是綠色化工方向，要研究和開發(fā)新的化學反應過程，以原子經(jīng)濟性為前提，設計新流程和改進原有的化工裝置，以增加石油化工原料的利用率，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益，同時減少和根治環(huán)境污染問題。2．天然氣化工 世界天然氣儲量較石油更為豐富，在能源結構上，天然氣在21世紀將逐漸替代石油成為能源的主力。但在化工利用方面，由于石油化工產(chǎn)品的經(jīng)濟成本低于天然氣化工產(chǎn)品，因此長期以來，天然氣化工只在合成氨工業(yè)和甲醇工業(yè)中占主導地位。這也很容易從化學原理來解釋，石油是多碳烷烴，在加工時是將高碳烷烴裂解成低碳烷烴和烯烴；而天然氣是以甲烷為主的，其化學加工是將一個碳的甲烷轉化成兩個或三個碳及以上的烷烴和烯烴。用一個比喻來講，石油加工是拆房子；而天然氣化工是建房子。所以從能量角度來講對生產(chǎn)同一種產(chǎn)品，石油化工的成本要比天然氣化工低一些。一般C-H鍵平均鍵能為99 kcal／mol，而甲烷中CH3-H的離解能高達104 kcal／mol。因此如何對甲烷進行有效的化學轉化，并且要能與石油化工產(chǎn)品相競爭，一直是化學家們的難題。關鍵問題在于高選擇性和高催化活性的新型催化劑的研究。20世紀70年代兩次石油危機導致了天然氣化工發(fā)展。尤其在尋找替代能源，即以天然氣或煤轉化為液體燃料和化工產(chǎn)品以替代石油資源方面，已經(jīng)開發(fā)出一些有工業(yè)前景的新化工過程。 天然氣化學轉化主要有兩個途徑：一是直接化學轉化，如氧化偶聯(lián)、選擇性氧化等可制成烯烴、甲醇、二甲醚等，進而合成液體燃料；另一途徑是由天然氣制造合成氣(一氧化碳和氫氣)，在不同配比情況下可合成氨和各種含氧有機化合物(醇、醛和醚類化合物)。 甲烷轉化的其他方法如甲烷生物氧化、甲烷電催化氧化、甲烷芳構化直接合成芳烴等也正在開發(fā)中。天然氣化學轉化的方法不少，但是達到工業(yè)化水平并在經(jīng)濟上有競爭力的化學反應過程并不多。因此21世紀對天然氣化工的發(fā)展帶來了很好的機遇，同時亦帶來了對科學技術難題的挑戰(zhàn)。 3．煤化工 煤多油少是我國能源資源的現(xiàn)狀。中國煤炭地質(zhì)儲量約占世界總量的20％，可開采儲量1400億t，年產(chǎn)量達12億t，占世界產(chǎn)量的25％左右。煤炭占一次能源總消耗量的74.9％，它提供了76％的發(fā)電能源和75％的工業(yè)燃料和動力。但在煤化工利用方面，由十段不和經(jīng)濟尚不如石油化工和天然氣化工，所以相對來講發(fā)展較慢，只有一些煤焦油化工，而且規(guī)模不大，在化工領域所占份額很小。 煤化工主要應從以下兩個方面開發(fā)： (1)煤的拔頭工藝生產(chǎn)液體燃料 在較年輕的煤種中具有較高的揮發(fā)性組分，一般可從中提出20％左右的氣體和液體產(chǎn)物，而其中2％為汽油，10％為柴油，15％為高熱值煤氣和化工原料，剩下的半焦仍可作固體燃料。若我國將10億t煤采用拔頭工藝生產(chǎn)，將可得到2億t氣體和液體燃料，其中400萬t為汽油，2000萬t柴油，這是一個不小的數(shù)字，將可解決我國一部分液體能源問題。煤拔頭提抽技術正在開發(fā)，快速裂解和快速冷凝技術是拔頭工藝的關鍵。此工藝不僅可得到可觀的液體燃料，還可得到潔凈半焦。后者用作固體燃料可進行潔凈燃燒，有利于環(huán)境保護。這一領域的研究對我國能源利用十分重要，在21世紀將大有發(fā)展前景。 (2)煤制合成氣(CO+H2) 其工藝和天然氣化工中制合成氣工藝相似，由制成的合成氣也可合成液體燃料和化工產(chǎn)品。目前，由于煤化學轉化為合成氣的工藝過程所需設備投資太大，技術經(jīng)濟尚不如石油化工和天然氣化工，所以難于大規(guī)模生產(chǎn)；只有小規(guī)模的生產(chǎn)合成氨和甲醇的裝置。在技術上還有待進行創(chuàng)新的研究。四、健康與醫(yī)藥 世界各國政府均把人的健康列為社會發(fā)展計劃的首位。社會發(fā)展是由生產(chǎn)力所決定的，而生產(chǎn)力的最重要最活躍的因素是人。研究如何保護人的健康和安全，充分發(fā)揮人的積極因素和能力是當今世界的頭等大事。人類健康與醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展密切相關，世界各國在醫(yī)藥工業(yè)上均有巨額投資用以發(fā)展新藥。在國外開發(fā)一個新藥，平均需要投資近2億美元，約需10年左右的時間；而嚴格的知識產(chǎn)權保護，保證了投入的收益。世界各大制藥公司幾乎每年都有新藥上市，利潤十分豐厚，世界藥物的年銷售額達3000億美元。 我國醫(yī)藥工業(yè)總體來講還處于急待發(fā)展的階段。過去我國生產(chǎn)和使用的絕大多數(shù)藥品均系仿制國外創(chuàng)制的藥品，自行設計和開發(fā)的新藥僅有100余種，但能大量生產(chǎn)供應市場的藥品甚少。迄今為止還沒有一個新藥在國外注冊和銷售，出口國際市場的藥品每年僅為3億美元左右(一般均為國外專利已過期的藥品)。我國特有的中草藥，由于尚未建立現(xiàn)代藥物的質(zhì)量檢測標準，而難于進入國際市場。因此在即將到來的21世紀應著重于新藥設計和開發(fā)，發(fā)展我國具有自主知識產(chǎn)權的新藥。尤應注意下列幾個動向。1．基因藥物 21世紀醫(yī)學、生物學的一個重大進展是人類基因組計劃的實施和完成。從發(fā)現(xiàn)癌基因開始，人們逐漸認識到人類可能發(fā)生的疾病都與基因直接和間接的有關。至今對癌癥產(chǎn)生的起因、過程和治療仍處于一種只知其一、不知其二的似懂非懂階段。很多生命現(xiàn)象尚不清楚。研制基因藥物的思路是在發(fā)現(xiàn)基因變異的基礎上，利用向細胞釋放DNA片段的方法，來修復或替代基因有缺損的部分，從而達到治療的效果。對這一領域，目前世界各國在進行人類基因組計劃的同時均已開始研究，預期該領域?qū)⒊蔀樗幬镅芯康那把睾托聼狳c。2．酶抑制劑的研究和開發(fā) 酶是一種生物催化劑，體內(nèi)所有化學反應幾乎都是在酶的催化下進行的。例如，血液中膽固醇過多是產(chǎn)生心血管病的危險因子之一，近年來發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生膽固醇是肝臟中3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A (HMGCoA)還原酶起重要作用。因此HMGCoA酶抑制劑有抑制膽固醇的生成、治療高膽固醇引起的動脈粥樣硬化癥的潛在藥理作用。 如前所述，血管緊張素轉化酶(ACE)抑制劑是治療高血壓的有效藥物，如美國Merck制藥公司的依那普利(Enalapril)，瑞士Ciba-Geigy公司的苯那普利(Benazepril)等都是研究酶抑制劑而開發(fā)成功的血心管病的有效藥物。ACE酶抑制劑目前上市的有17種之多，年銷售額達60億美元。因此研究酶抑制劑是藥物開發(fā)的重要趨勢之一，與人體不同功能有關的酶抑制劑將不斷問世。尋找一種酶的抑制劑并不困難，難的是要求它能夠有效地選擇性很高地作用于靶酶的特定部位。這就要使抑制劑分子的結構與結合部位的結構在空間上匹配，在結合強度上合適。為此就要從分離各種酶的亞型，測定其空間結構，然后對酶抑制劑進行三維結構設計。隨著酶分子結構研究進展，以及計算機分子設計技術的提高，這種研究將有更快發(fā)展。3．受體拮抗劑或阻斷劑 受體是對底物有特異性結合能力的蛋白質(zhì)。內(nèi)源性的激素或神經(jīng)遞質(zhì)在極低濃度下就能和有關受體相互作用，生成可逆性復合物，啟動功能性變化，如開啟離子通道或激活有關的酶，最終導致生理變化。若藥物作用于某受體，與受體結合，但并不能產(chǎn)生生理作用，反而阻礙了激素、遞質(zhì)等物質(zhì)與受體結合。這種物質(zhì)稱為拮抗劑或阻斷劑。許多藥物是受體的拮抗劑，如組胺通過結合到稱為H1的受體上，促成變態(tài)性反應，并通過活化所謂的H2受體，促使胃酸分泌。去甲腎上腺素是腎上腺素類的神經(jīng)系統(tǒng)化學信息物。已經(jīng)證明它結合于至少4種亞型的受體上，通過不同的途徑促成各種類型的生物學反應。它們對心血管病、癌癥、中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂、內(nèi)分泌失調(diào)等疾病具有很好的治療作用，這是一類很有發(fā)展前景的藥物。 與酶抑制劑相同，要對各受體亞型做結構研究，在此基礎上設計拮抗劑或阻斷劑。4．手性藥物自1992年美國FDA發(fā)布了手性藥物指導性原則后，直接開發(fā)單對映體藥物的比例已越來越高。1990年世界范圍新批準上市的47種新藥中手性藥物僅有26種(占55％)；1995年39種新藥中有23種手性藥物(占59％)。1996年51種新藥中有29種手性藥物(占57％)?？傮w發(fā)展趨勢是手性藥物越來越多。因此21世紀的新藥創(chuàng)制中，手性藥物將占主導地位。5．常見病和多發(fā)病治療藥物的研制 在人類的眾多疾病中有一些常見和多發(fā)的疾病，特別是慢性疾病。如神經(jīng)系統(tǒng)的帕金森病、早老性癡呆癥、中風、精神分裂癥、癲癇等，據(jù)報導美國有5000萬患者，每年在醫(yī)療保健方面的費用多達3050億美元。腸胃道疾病胃潰瘍、十二指腸潰瘍等，僅奧美拉唑一種藥，1997年世界銷售額就為29億美元。糖尿病在美國的患者達1000萬人，而且還以每年6％的速度遞增。心血管病、病毒感染、骨質(zhì)疏松、關節(jié)炎等疾病，都屬常見病和多發(fā)病，并難于根治，因此，針對這些疾病研制的新藥是重點研究對象，它們一方面具有科學意義，另一方面亦是商業(yè)驅(qū)動的必然結果。21世紀將會更重視防治這些疾病的藥物研究。 6. 中醫(yī)藥現(xiàn)代化 中醫(yī)藥是中華民族智慧結晶的重要組成部分。其歷史悠久，實踐經(jīng)驗豐富。中藥的現(xiàn)代化和國際化離不開中醫(yī)藥學的現(xiàn)代化和國際化，二者結合將對形成具有中國特色的中醫(yī)藥理論起重要作用，也將是中華民族對世界醫(yī)藥發(fā)展的一大貢獻。中醫(yī)藥現(xiàn)代化的關鍵包括探明中醫(yī)藥藥效的物質(zhì)基礎，如中藥成分化學與藥理作用、中藥質(zhì)量控制等。21世紀是推進中醫(yī)藥現(xiàn)代化的很好機遇。由于我國在合成藥方面具有知識產(chǎn)權的市場暢銷藥物甚少，所以從戰(zhàn)略上考慮，發(fā)展中醫(yī)藥是在醫(yī)藥領域得到自主知識產(chǎn)權的一條重要途徑。其發(fā)展思路有如下幾點。①中成藥生產(chǎn)的成分與質(zhì)量控制。在中國藥典中有上百種中成藥，這些中成藥在民間已經(jīng)使用了數(shù)百年，藥效比較肯定，安全系數(shù)比較高。應當組織研究力量，選擇幾種藥效明顯、又能明確成分和控制質(zhì)量的中成藥，進行GLP標準藥理試驗，建立GMP生產(chǎn)車間，實行現(xiàn)代化生產(chǎn)，并將其推向國際市場。 ②收集和整理民間藥方。將幾千年累積的中醫(yī)藥寶庫進行現(xiàn)代化醫(yī)藥研究，并用專利保護其研究成果，以形成我國自主的知識產(chǎn)權。沒有自主知識產(chǎn)權的保護，醫(yī)藥工業(yè)就不能發(fā)展壯大，也沒有人敢投入去研究，更無法形成上百億元銷售額的規(guī)模產(chǎn)業(yè)。 ③充分挖掘中草藥資源。從中草藥中尋找先導化合物，以創(chuàng)制具有自主知識產(chǎn)權的新藥。這是中草藥現(xiàn)代化的一條出路。 20世紀中化學合成藥物有了很大的發(fā)展，但由于從合成的新化合物中篩選藥物的命中率愈來愈低，成本愈來愈高，人們又回到了從天然產(chǎn)物中尋找新藥的老路上。我國的天然資源豐富，理應集中力量，加強投入，為迎接21世紀中醫(yī)藥的大發(fā)展做出貢獻。五、新功能材料 21世紀被稱是高新技術時代。信息產(chǎn)業(yè)、航天、生物工程、材料、能源、微電子和光纖等新一代科學技術成為現(xiàn)代文明的重要支柱，而其中材料是最根本的物質(zhì)基礎。由于一種新材料的出現(xiàn)和使用可能導致許多產(chǎn)業(yè)面貌煥然一新。最使人們直接的感受是計算機的更新?lián)Q代。眾所周知，最早出臺的老一代計算機是用電子管裝配的，一個50 m2的房間只能放一臺計算機；80年代半導體產(chǎn)業(yè)的興起，很快就使計算機小型化，蘋果機、286、386、486、586、P-MMX、PⅡ-166、266、300、450、PⅢ-300、450、500，基本上是一年一個型號，這是計算芯片不斷更新，光刻技術不斷升級，使計算機越來越小，計算速度越來越快的結果。因此各種新功能材料的研制和應用已成為推動高新技術發(fā)展的動力之一。美國商業(yè)部預測2000年的美國新技術市場將達到3660億美元的銷售額，其中先進材料為1500億美元(占42％)。從全世界來看新技術市場的銷售額為10000億美元，先進材料占44％。從中可看到新材料在高新技術中所占的份額及其重要性。對21世紀新材料產(chǎn)業(yè)，作如下展望。 1．微電子材料和器件 微電子學的發(fā)展已對世界工業(yè)革命產(chǎn)生了巨大影響。以計算機為基礎的信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)把世界變得越來越小，地球上任何一個地方發(fā)生的事情，傾刻在世界各地傳播。Internet網(wǎng)絡把世界各地每一個辦公室聯(lián)系起來。這都依靠一塊微小的芯片。幾十萬個晶體管或其他部件都可以光刻在2～3 mm見方的硅片上，光刻的細度可小至0.1 mm，即100 nm。這要依靠光刻膠材料(光敏聚合物的有機薄膜)和光刻技術。其技術涉及到有機化學、光化學、高分子化學和工程學。近年來正在研究和開發(fā)的DNA生物芯片是一種三維空間的分子電路元件，其包容密度可比目前的硅芯片高100萬倍，其運行速度將會更快。這將又會引起計算機和信息產(chǎn)業(yè)的巨大變革。 2．超導材料 21世紀超導材料的研究目標是室溫超導，這將是能源工業(yè)的一次革命。目前能源消耗在輸送過程中所占的份額頗大。電阻為零的導線將使電力得以最高效率的傳輸，這對能源和電子工業(yè)的貢獻將是難以想像的。各種超導原件的出現(xiàn)，將使各行各業(yè)產(chǎn)生新的變革。 3．新型納米陶瓷 其目標是解決陶瓷的脆性，并使其成為燃氣發(fā)動機的理想材料。這對汽車工業(yè)、航空和航天工業(yè)和電力工業(yè)將會引發(fā)一次重大革新。用納米陶瓷做成的發(fā)動機的工作溫度將比現(xiàn)有合金材料的發(fā)動機提高200～300℃，熱效率提高20％左右。 4．光纖通訊材料 現(xiàn)代信息社會中通訊聯(lián)系是家喻戶曉，幾乎人人都要用到它。過去用銅線聯(lián)結的電話電訊已經(jīng)不能滿足城市通訊的需要，近年來研制成功了光導纖維，利用透明的光纖傳輸光脈沖信號進行通訊。光速比電子流動快得多，加快了通訊的速度；而且光纖可做成直徑約為人頭發(fā)1／10的細絲，一根光纖電纜可以容納上千個通道。多通道增加了通訊的容量、提高了效率。另外光纖傳輸?shù)墓鈸p失小，約為0.2 dB／km，因此失真度小，通訊質(zhì)量高。光纜的敷設使全世界通訊進行了一次革新?，F(xiàn)在不僅是電話電訊用光纖，高清晰電視傳送也用光纖，計算機聯(lián)網(wǎng)也是光纖，一根光纜可做多種用途，對現(xiàn)代信息社會作出了巨大的貢獻。我國光纜實際敷設量已達120～150萬公里，1998年生產(chǎn)光纖250萬公里，光纖通信市場每年以20％速度遞增，光纖通訊產(chǎn)品的銷售額約為200億元／年左右。 目前光纖通訊材料主要用高透明度的二氧化硅材料，可用化學蒸汽沉積法(CVD)制成純二氧化硅。近年來還有新的光纖材料，如ZrF4、LaF4和BaF2三元混合體的氟玻璃，其性能優(yōu)于二氧化硅，光損失更小，上萬公里光信號傳輸不需要任何中繼站。當然21世紀將會推出更多種類、更優(yōu)性能的光纖通訊材料。5．聚合物結構材料 過去鋼鐵是主要的結構材料，造房子、汽車、架橋等均離不了鋼鐵。主要因為其他材料的強度和綜合性能不如鋼鐵。但是20世紀后半葉高強度高分子材料的工業(yè)化生產(chǎn)使其逐步在替代金屬，而成為結構材料。聚(對苯二甲酰對苯二胺)的比強度已略高于鋼鐵，其強度—質(zhì)量比為鋼鐵的6倍。21世紀將會有一批聚合物結構材料替代鋼鐵用于各種不同需要的場合。用聚合物替代鋼鐵作為結構材料已為期不遠了。 6．醫(yī)用材料 隨著生命科學研究的不斷深入和開拓，人體的奧秘逐漸被人們所了解，模擬和合成與人體生物相容性強的醫(yī)用材料將會高速發(fā)展。替代骨骼和牙齒并能被人身所接受的新材料會在臨床使用；替代皮膚的聚氨酯材料可用于植皮，替代血管的高彈性、抗凝血新材料可植人人體……等?？傊梭w器官有如機器的零配件那樣，可以用合成材料替換。這是新功能材料中的前沿領域。六、日用化學品和精細化工 迄今為止，人類發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的1200多萬個化合物各自有其性質(zhì)和功能。在20世紀人類發(fā)展過程中，很多化合物都被用于人類社會的各個方面，農(nóng)輕重、吃穿用、衣食住行無不緊密地依賴化學品，應該講化學對人類社會和物質(zhì)文明作出了重大貢獻。 精細化工和日用化學工業(yè)可以提供人們生活所需要的各種各樣的化學品。以下按其功能和用途進行分類。 (1)衣 人們的衣著原料有毛、絲、棉、麻、人造纖維、合成纖維、皮革等，在其制造和紡織過程中都用了大量的化學品，如染料、軟化劑、整理劑、洗滌劑、干洗劑、鞣劑、加脂劑、光亮劑、漂白劑……等各種助劑。 (2)食 糧食、酒、飲料、瓜果、蔬菜、肉類等，在其種植、飼養(yǎng)、釀造過程中都用了大量的化學品，如肥料、農(nóng)藥、發(fā)酵劑、碳酸氣、保鮮劑、飼料添加劑……等。 (3)住 住房、裝修和家庭陳設晶等材料中，除了天然的木材、沙子、石子外、鋼鐵、水泥、玻璃、陶瓷產(chǎn)品、地毯、空調(diào)機、燈具、電源、衛(wèi)生用品等也都用了大量的化學品，如鋼鐵冶煉用的助劑，水泥的不同化學組分，燒結陶瓷的二氧化硅、三氧化鋁，制造玻璃的不同配料，地毯的原料，塑料和橡膠制品……等。 (4)行 汽車、飛機、火車、摩托車、自行車等交通工具需要鋼鐵、鋁合金、塑料、橡膠、合成纖維、皮革制品……等，以及在整個制造過程中所使用的各種助劑均為精細化工產(chǎn)品。 (5)看 人們生活中所觀察到的各種文化用品及電視攝像所用的器具和材料，如紙、印刷晶、電視機、照相機、膠卷、眼鏡、望遠鏡等在其制造過程中均需用大量化學品。 (6)聽 收音機、隨身聽、樂器、唱片、錄音／錄像帶等用品，是用化學品為原料制造出來的，也使用了大量的化學助劑。 在衣、食、住、行、看、聽過程中所用的各種原料、器具，在其制造過程中用了上萬種助劑，并用高新技術組合和制造出來，而每一種助劑均為一個精細化工行業(yè)。因此精細化學品的品種繁多，技術復雜，質(zhì)量要求高。如染料有上千種，用于不同的材料就有不同品種的染料；毛織品的染整劑和絲、棉的不同，用于皮革的更另有品種。因此精細化工行業(yè)是人類日用化學品中最不起眼和最常用，但亦是技術要求很高的一類高新技術產(chǎn)業(yè)。 在本書第一篇中重點介紹了20世紀末在化學各分支學科以及與化學交叉的學科中出現(xiàn)的動向。在這一篇中將介紹化學界對21世紀化學發(fā)展前景的展望。顯然，未來發(fā)展要有根基，而根基來自眼前的動向。不過，盡管可以從動向談21世紀的化學可能在哪些方面突破，我們應該在哪些方面努力；但是科學上的重大突破往往出自不可預見的問題。而且科學是一個整體，化學一個學科的發(fā)展還受整個科學體系發(fā)展的牽制和影響；并且科學的發(fā)展還由當時技術條件所決定。因此，我們不可能現(xiàn)在就準確預見未來100年化學的發(fā)展方向，也不可能制定未來100年的研究規(guī)劃。可是，如果現(xiàn)在不去從現(xiàn)今的動向分析未來的發(fā)展趨勢，那就不知道應本著什么思路，掌握什么方向和從何處著手；也就只能簡單地跟在人家后面，從別人已經(jīng)打開的大門、進入別人已經(jīng)開拓的領域里去，作些拾遺補缺，填平補齊的工作?，F(xiàn)在擺在我們眼前的，有一個個已經(jīng)打開大門的領域，但是也有別人正在試著打開還沒能打開的大門，甚至還有一些問題不得其門而入。我們要爭取比別人更早發(fā)現(xiàn)新的大門；至少比別人早些打開大門。所以在此次大范圍的討論中，許多化學家高屋建瓴地探討了通向未來化學的門；提出一些研究方向的建議。這些建議目標有寬有窄，有遠有近；有的僅屬一個學科，有的需要與其他學科交叉融合?？紤]到學科交叉融合是今后發(fā)展的大勢，在這里從整個化學出發(fā)，探討化學的整體發(fā)展方向和從其他學科中抽出的化學的基礎問題，并進一步闡述這些問題中近期研究的重點問題。的確，我們只能討論今后較短期間的發(fā)展趨勢?；蛟S在10—20年后，還有新的發(fā)現(xiàn)、新的技術和新的問題使我們重新考慮發(fā)展方向問題。正象趙翼在一首詩中所說的：“滿眼生機轉化鈞，天工人巧日爭新；預支五百年新意，到了千年又覺陳”(《甌北集．論詩》卷28)。第二篇 展望一、20世紀化學的回顧與未來化學學科發(fā)展的趨勢1．科技發(fā)展的基本考慮 在人類發(fā)展史中，貫穿著一條推動人類進步的主線，即對物質(zhì)世界的認識不斷深化；改造、創(chuàng)造和利用物質(zhì)的能力不斷提高。依靠這兩方面，20世紀成為人類社會高速發(fā)展的100年。不過，反思之余人們不得不想到同時發(fā)生的一個問題，過去人類過于自信自己的創(chuàng)造力一定能夠無限地戰(zhàn)勝自然，忽視了自然的和自己創(chuàng)造的物質(zhì)對人類的反作用。只有認識了這種反作用，才能全面地規(guī)劃科技發(fā)展。回顧人類認識和利用物質(zhì)的歷史，可以看出認識提高的三個階段。這三個階段是決定科技發(fā)展能否與人類進步同步的三個組成部分：在第一階段，人類活動只為滿足生存的基本需要；后來就進一步要求滿足日益增長的生存質(zhì)量的需要；再后來，到20世紀后期才認識到要在保證生存安全的前提下提高生存質(zhì)量。既要保證現(xiàn)今地球上的人，也要保證未來子孫后代，因此提出了可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略思想。現(xiàn)在大家都知道可持續(xù)性發(fā)展要依賴科技進步；但也要知道并非一切科技進步都支持可持續(xù)性發(fā)展。只有滿足人類生存、生存質(zhì)量和生存安全三方面的要求，科技進步才能夠成為人類不斷進步的推動力。 從20世紀初，人類就致力于滿足迅速增長的衣食住行的基本需求。在這方面，化學所提供的肥料(合成氨，1918年Nobel化學獎)、合成纖維和其他高分子材料(Staudinger，1953年Nobel化學獎；Ziegler-Natta催化劑，1963年Nobel化學獎；金屬茂化合物催化劑，1973年Nobel化學獎)、石油化工產(chǎn)品等作出了貢獻。其后為滿足不斷提高生存質(zhì)量的需要，化學又創(chuàng)造子許多種飼料和肥料的添加劑，食品添加劑，生產(chǎn)了更多、更可口的食物；化學還創(chuàng)造了許多功能材料，用以制造各種服裝材料、高速交通工具、高效計算機和通訊設備以及生活用具。化學創(chuàng)造了藥物和診斷方法，使人類在20世紀戰(zhàn)勝和消滅某些疾病，如此等等。可以說沒有化學品，現(xiàn)代生活便難以想象。有人會覺得化學的貢獻無非是提供了這些化學品，但實際上，每種適用的化學品的創(chuàng)造、生產(chǎn)和使用，都需要掌握有關物質(zhì)結構與性質(zhì)的關系以及對有關化學反應過程的認識。另外，化學使人們認識了物質(zhì)的變化規(guī)律，成為了解不斷變化中的環(huán)境、生物和人類自我的基礎，也成為駕御物質(zhì)世界的基礎。在這方面，化學更是無所不在。 化學的創(chuàng)造力的確給人們營造了一個全新的物質(zhì)環(huán)境。這些成果一度使人們樂而忘憂，先發(fā)達國家的人們毫無顧慮地改變著和影響著自然。但是經(jīng)過100多年的工業(yè)大發(fā)展之后，人們才漸漸明白了一件事實：生產(chǎn)和生活上的不當會反過來影響人類的安全。其中最引人注意的是天然資源的濫采和化學品的濫用所引起的負面作用。因此，合理使用化學品成為20世紀末提給科學技術界極其重要的問題。一時之間合成化學品被當作“定時炸彈”，或者當作污染物的代名詞。 事實上，任何物質(zhì)和能量以至于生物，對人類來說都有兩面性。天然化合物也有其兩面性，甚至其中有的毒性非常強。不論化學創(chuàng)造的新物質(zhì)和自然界原有的物質(zhì)，都要合理使用?；瘜W能夠幫助人們了解化學物質(zhì)的性質(zhì)和變化規(guī)律，了解它們兩面性的本質(zhì)，這就是合理使用它們的科學基礎。化學也能幫助人們認識自然界發(fā)生的各種化學過程，使之能夠正確地使用它們和控制它們。例如，通過化學的研究，使人們發(fā)現(xiàn)，破壞臭氧層的是氟里昂之類的化學物質(zhì)。但是，破壞臭氧層的化學物質(zhì)并非只有氟里昂；而且影響臭氧層的也并非都是化學品。反而是靠化學才解決了臭氧層的形成和破壞的機理，才找到了保護臭氧層的途徑。Molina，Rowland和Crutzen就是因為他們在研究大氣層化學，特別是臭氧層的形成和破壞方面所取得的成果而獲得了1997年Nobel化學獎?；瘜W不僅對于解決化學品濫用問題上起到關鍵作用，而且在處理物理的和生物的危險因素方面也能夠發(fā)揮主要作用。例如，對受到放射性、紫外線等輻照的人的處理與治療就是利用螯合清除金屬，或者用自由基清除劑、抑制劑以及細胞保護劑等化學物質(zhì)去阻止對人體的損傷。 2．20世紀的化學在推動人類進步和科技發(fā)展中起了核心科學的作用 化學的研究對象是物質(zhì)，研究物質(zhì)組成與結構和性能的關系，研究物質(zhì)轉化的規(guī)律和控制手段。在此基礎上，實現(xiàn)物質(zhì)的人工轉化和合成；并且對生活、生命和生產(chǎn)中的化學過程實現(xiàn)按需調(diào)控。 (1)為人類進步提供物質(zhì)基礎 進入20世紀以來，人類開始遇到人口增長、資源匱乏，環(huán)境惡化等問題的威脅。不過在過去100多年中，化學以其理論和方法通過分析、合成和控制化學過程等手段，在解決這些問題時起到了核心和基礎作用。 化學之所以在20世紀中成為解決人類進步的物質(zhì)基礎的核心科學，主要有三個原因。 ①化學不但能夠大量制造各種自然界已有的物質(zhì)，而且能夠根據(jù)人類需要創(chuàng)造出自然界本不存在的物質(zhì)。最初還認為生物體內(nèi)的生物物質(zhì)不可能人工制造，但是1928年尿素的合成打破了不能人工合成生物物質(zhì)的思想禁錮，在這以后合成化學獲得了大發(fā)展。最為突出的成果是模擬天然高分子的合成高分子材料(如合成橡膠、合成纖維和塑料)。它們不但為人類吃穿用提供丁大量適用的材料，而且使化學家能夠在認識聚合反應和聚合物結構與性質(zhì)關系的基礎上邁向蛋白質(zhì)、核酸等大分子的合成。這為研究后者的結構—功能關系打下基礎。目前這些生物大分子的合成已經(jīng)在一定程度上“自動化”，并與生物學中的PCR技術一起構成制造和創(chuàng)造生物大分子的核心技術。 ②化學能夠提供組成分析和結構分析手段，使人們能夠在分于層次上認識天然的和合成的物質(zhì)與材料的組成和結構，掌握和解釋結構-性質(zhì)-功能的關系，并且能夠預測某種結構的分子是否可以存在?在什么條件下存在?有了這些基礎，化學就能針對需要“裁剪”和設計分子。 ③化學掌握了決定化學過程的熱力學、動力學理論，并用于解決生產(chǎn)和生活問題；而且能從理論上指導新物質(zhì)(如催化劑)和反應新條件(如高壓、高溫、超臨界狀態(tài))的設計和創(chuàng)造，從而能夠達到大自然所不能達到的目標。 (2)在相關學科的發(fā)展中起了牽頭作用 ①牽動其他學科向分子層次發(fā)展。在20世紀，整個自然科學領域中出現(xiàn)過一個大變化，即所有物質(zhì)科學都向分子層次發(fā)展。最為明顯的是生物學。在20世紀50～60年代，生命科學各個領域出現(xiàn)了一系列在分子層次研究問題的新學科：分子生物學，分子遺傳學，分子病理學，分子免疫學等等，不一而足。這不是偶然的。從20～30年代起生物小分子的化學結構研究(在糖、血紅素、葉綠素、維生素等方面)就多次獲得Nobel化學獎，這是有機化學向生命科學逼近的第一步。其后化學家在研究生物大分子結構上又有了突破，首先是在分離純化方法上為進一步研究生物大分子結構作好準備：如蛋白質(zhì)的結晶(Sumner等1946年Nobel化學獎)、層析法分離(Tiselius 1948年Nobel化學獎，Martin等1952年Nobel化學獎)。新的領域打開以后，生物化學作為化學的一個分支成為熱點，吸引了許多研究者，包括化學家和物理學家。關心結構問題的化學家開始用研究小分子結構的理論和方法去研究生物大分子的結構，這一力量使生物大分子結構研究從50年代起出現(xiàn)一系列重大突破(Pauling，Sanger，Perutz／Kendrew，Watson／Crick等分別因此獲Nobel獎)。與此同時，復雜的活性生物大分子合成也成為攻關對象。Woodward因所完成的艱巨復雜的合成維生素B12的工作獲得了1965年Nobel獎，是當時有機合成最高水平的標志；但這距離生物大分子合成還有一定距離。不久，由北京大學和中國科學院上海有機化學研究所聯(lián)合合成胰島素成功，成為人工合成蛋白質(zhì)的最早成果之一。蛋白質(zhì)(包括酶)和核酸的研究成果不僅使生物化學迅速獨立發(fā)展，而且由此誕生了結構生物學和分子生物學，引出后來的圍繞基因的研究?？梢哉f20世紀中期因化學和生物學一起攻克遺傳信息分子結構—功能關系問題，才使生命科學的研究軌跡進入以基因組成、結構、功能為核心的新階段?，F(xiàn)在無論農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)藥學、優(yōu)生學無不想在基因基礎上重新考慮。回顧這100多年，生物學從描述性科學發(fā)展成為20世紀末的前沿學科，在很大程度上是依靠化學所提供的理論、概念、方法，甚至試劑和材料。但是，當人們隨著世界范圍的大趨勢在分子生物學所牽頭的領域中尋找基本化學問題的時候，必須估計到在21世紀的生命科學中基因之外的研究必將興起，因為生物系統(tǒng)的復雜性不僅僅在于基因。整個生命過程的研究還將更全面的開展。實際上，信號已經(jīng)出現(xiàn)過。Prigogine在非平衡態(tài)熱力學方面的研究(1977年Nobel化學獎)、Mitchell在生物能轉換方面的研究(1978年Nobel化學獎)，特別是Williams提出從系統(tǒng)論的角度研究生命過程的觀點至今還沒有開花結果。 與生物學一樣，經(jīng)典天文學與化學的互動在科學史中起過極其重要的作用。如氦的發(fā)現(xiàn)，太陽和星體光譜的分析，以至原子分子結構理論的建立和發(fā)展，既是化學的、也是天文學的重要里程碑。在化學和天文學相互促進下，天文學進入分子水平，并且從研究天體擴展到星際空間，誕生了宇宙化學。 ②化學研究帶動其他學科的過程研究?；瘜W研究使人們逐漸掌握了物質(zhì)變化的規(guī)律和各類化學反應的機理；也使人們能夠在掌握化學反應的時空變化規(guī)律的基礎上認識化學過程，揭示自然界物質(zhì)變化的本質(zhì)。這方面的研究是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護、能源等方面科學研究的推動力。在各個方面，化學與其他學科融合之后分化出許多研究各種化學過程的學科。例如，化學引用化學熱力學、化學動力學的概念和方法與土壤學融合，研究土壤中物質(zhì)轉化和遷移規(guī)律，發(fā)展了土壤化學；同樣，引用化學熱力學、化學動力學概念和方法，研究水體中物質(zhì)轉化和遷移規(guī)律誕生了水化學。接著，水化學和土壤化學又進一步在解決水體、土壤中有害物質(zhì)的轉化和遷移問題上發(fā)揮其重要作用，成為環(huán)境化學的基礎。再如，石油之所以從作為燃料發(fā)展到成為化工原料，依賴許多化學的基礎研究。從僅僅了解石油的組成和燃燒性質(zhì)的石油化學到石油加工、以至石油化工的成熟和發(fā)達，幾乎每一步都需要研究如何控制化學過程。由于幾乎每一步都需要催化劑加速和控制反應過程，所以石油化工幾乎與催化化學和表面化學同步進展。河流和港灣的泥砂淤積過程從用惰性微粒加惰性流體的物理模型發(fā)展成為活性微粒加活性流體的物理化學模型；光化學霧形成和大氣臭氧層消失從單純現(xiàn)象的觀察、宏觀測量以及來源的尋找，發(fā)展到認識機理，跟蹤、模擬和控制過程，如此等等，都是化學推動的結果。可以說，化學過程無所不在。今后還要用化學研究解決過程控制的問題。例如，所有材料(從天然材料如皮膚、骨、橡膠等到合成材料如塑料、合成纖維等)的老化和降解是極其普遍的自由基參與的氧化過程，需要用化學研究過程的本質(zhì)，設法阻止和推遲其進程。 ③化學帶動了材料科學的發(fā)展。從利用天然材料到創(chuàng)造和利用合成材料是人類歷史中的一大關鍵性進步，是化學發(fā)展的里程碑。從萌芽時期起，化學家就積累了不少制備與合成化學物質(zhì)的經(jīng)驗，而后總結這些經(jīng)驗形成了化學合成理論和技術，發(fā)展成為合成化學。到40年代以后，以模仿生物材料(如橡膠、蠶絲等)為目標的高分子合成以及作為它的基礎的聚合反應研究蓬勃發(fā)展，成為現(xiàn)代材料科學建立和發(fā)展的第一步。Ziegler-Natta催化劑是一個突破(1963年Nobel化學獎)，它實現(xiàn)了定向有規(guī)高分子的合成，是有序結構研究的極其重要的提示。做到控制聚合過程和聚合物結構就引起了后來的一系列重要進展，其中最為突出的是作為控制條件的催化劑研究。20世紀早期的材料研究大部分針對結構材料和基本材料。后來，功能材料成為熱點，電子、航天、高速運輸工具、快速通信等進展主要起端于象高純單晶硅、光導纖維、耐極端條件的材料、各種能量轉化材料和敏感材料等。在這些無機和有機功能材料研究中，化學是原始創(chuàng)新的龍頭。只有掌握結構…睦質(zhì)—功能的關系以及合成和組裝的化學過程，才能設計合成新的功能材料。半導體、液晶、分子篩等就是突出的例子。目前的智能材料研究方興未艾，從傳感器開始，進而研究仿生材料、仿生器件、能夠工作的芯片，以及微流體技術(microfluidic technique)。在這里需要化學的不僅在于化學合成所提供的分子和材料，更重要的是依靠化學弄清工作原理以及功能和結構的關系?；瘜W創(chuàng)立了研究物質(zhì)結構和形態(tài)的理論、方法和實驗手段，認識了物質(zhì)的結構與性能之間的關系和規(guī)律，為設計具有各種特殊功能的化學品提供了有效的方法和手段。 ④化學實驗方法學推動其他學科在分子層次上觀察和測定物質(zhì)的變化過程。化學不斷研究和建立各種分析和檢測方法，檢測物質(zhì)組成、形態(tài)、結構、理化性質(zhì)的原理、方法和技術，推動了各個學科的發(fā)展。例如，20世紀40年代因為光學分析技術的發(fā)達而發(fā)展起來的有機試劑的構-效關系研究(如Feigl和Tananaev的開拓性工作)，竟然成為20年后推出能夠動態(tài)監(jiān)測活細胞內(nèi)游離鈣離子濃度變化的試劑的基礎；而且因此造就了圍繞鈣離子的細胞信號轉導過程的研究，開拓了以鈣離子為主要角色的細胞乃至整體的調(diào)控系統(tǒng)的新研究領域。這已成為生物學和醫(yī)藥學發(fā)展的強大推動力，推出了一系列以調(diào)控鈣離子濃度為基礎的藥物。實際上，新測試原理和新測試技術往往是打開新領域的鑰匙。例如，開始時環(huán)境檢測不過是分析化學的應用，后來發(fā)展到基于熱力學平衡的形態(tài)分布(speclatlon)分析和理論估計。而后，又針對環(huán)境的開放系統(tǒng)不可能建立和維持平衡的特征，進一步研究建立動態(tài)檢測方法與計算機估算和模擬形態(tài)變化的方法。3．對20世紀宋化學現(xiàn)狀和地位的不同估計 沉浸在20世紀化學所創(chuàng)造的輝煌之中的化學家，自信在合成制備新分子、新材料、控制反應過程以及獲取物質(zhì)的組成結構信息和結構-性質(zhì)-功效關系方面有無限的潛力。但是，就在化學家繼續(xù)抱著創(chuàng)造新物質(zhì)、新材料為人類生存和生存質(zhì)量的提高作出新的貢獻的時候，他們卻感覺到化學的作用和地位似乎被淡化了；似乎化學從認識、控制和改變客觀世界的核心科學以及引導其他學科前進的牽頭學科退后了。這里有客觀和主觀兩方面的原因。 從客觀上講，首先是化學學科和技術的進步使一部分化學研究方法自動化和計算機化。各種合成儀和分析用、結構測定用的儀器以及各種計算機軟件的出現(xiàn)，使人誤認為分析與合成化學這兩大手段已經(jīng)不是科學而是技術了。其次，19世紀末、20世紀初物質(zhì)科學的一系列研究成果(從1900年發(fā)表量子理論起)決定了的物質(zhì)科學的大方向和基礎理論研究的主流——尋求物質(zhì)世界的微觀、基本、統(tǒng)一解。使物理學成為20世紀前期的帶頭學科，也使化學研究的理論、觀點和方法趨于物理化，期望在量子化學基礎上尋求所有化學過程的統(tǒng)一理論。其后，生物科學從化學獲取關于物質(zhì)結構和性質(zhì)關系的概念和研究方法，在分子層次突破后有了兩大進展：一是進入基因為中心的研究領域，二是從原來研究生物和生物分子變成創(chuàng)造新生物和新生物分子的科學。眾所周知，在科學的歷史中，創(chuàng)造決定進步。因此20世紀后期的生物科學理所當然地成為帶頭學科。這時化學的一部分分化成為生物化學，而化學沒有抓住時機推動生命體系中的研究而有所突破。還有一個客觀原因是在創(chuàng)造新的肥料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、材料方面以及解決工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境中的問題時，化學研究的原理、機理和方法，處于上游。必須經(jīng)過其他科學技術才能轉化為可資利用的物質(zhì)和可運作的方法。從功能分子到功能材料，從有藥理作用的分子到臨床可用的藥物，從具有某些光、電、磁性質(zhì)的化合物到功能材料，都還需要一段開發(fā)性的研究。以往化學不去做這方面研究，需要材料學、藥學去研究，它們處于下游，由它們推出實際應用的產(chǎn)品。近年來，人們才感到?jīng)]有化學研究做墓礎，這一段工作也不能很好的完成。例如，把有藥理作用的化合物變成制劑，需要化學去研究諸如制劑的高級結構與制劑的穩(wěn)定性和活性的關系，有效成分的釋放動力學和代謝動力學等等。 從主觀原因看，首先是迄今為止化學研究的主流仍以創(chuàng)造新分子、新材料為目標；因而過多地注意建立新合成方法和獲得新型結構，而不夠重視分子的功能研究。現(xiàn)在已經(jīng)知道，材料的功能并不只由分子的結構決定，在很大程度上是由這些功能分子組裝起來的高級結構決定。而高級結構又由構筑它的單元分子和構筑條件決定。唯有化學參與這些問題的研究，找到設計和實現(xiàn)受控組裝的方法，才能擺脫偶然性，有目的地產(chǎn)生功能材料。另外，受大趨勢影響，20世紀的化學理論重點由宏觀轉向微觀。過多重視細微的結構的本質(zhì)的微觀研究，很少注意快速發(fā)展的科學技術對化學理論、觀點和方法提出的大量新問題。使化學理論研究沒能跟上需要。上述原因都是國際性的。不過，在我國還有另一些原因。一是化學工業(yè)不夠發(fā)達，創(chuàng)造有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品的意識不夠強；二是在學科交叉融合中，化學先是沒有抓住機會，其后又沒有能夠找到起主導作用的研究方向和領域；第三，化學作為精細學科，在研究生物、環(huán)境、材料等現(xiàn)實問題時缺少必要的想象力。 不過現(xiàn)在正蘊釀著化學學科走出這種狀態(tài)的契機：化學已經(jīng)在理論和方法上有了極為豐富的成果積累(如結構研究、過程研究等)；生物和材料等學科也已與化學在大量問題上相遇，化學家開始發(fā)現(xiàn)其中的化學基礎問題，而相關學科的科學家也意識到了需要解決的化學問題；可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略向化學科學提出了大量化學基礎問題；國民經(jīng)濟的需求和化學學科自身發(fā)展的需求已經(jīng)結合成為推動21世紀化學學科發(fā)展的動力。二、未來化學的作用和地位 未來化學在人類生存、生存質(zhì)量和安全方面將以新的思路、觀念和方式發(fā)揮核心科學的作用。應該說，20世紀的化學科學在保證人們衣食住行需求、提高人民生活水平和健康狀態(tài)等方面起了重大作用。展望未來，人口、環(huán)境、資源、能源問題更趨嚴重，人類的生存會不會成問題，生存質(zhì)量是會再提高，還是要下降?雖然這些難題的解決要依賴各個學科，但是無論如何總是要依靠物質(zhì)基礎。那就要優(yōu)化資源利用、更有效地控制自然的和人為的過程、提供更有效、更安全的化學品等等。在這些方面未來化學將仍然是提供解決人類賴以進步的物質(zhì)基礎這一難題的核心科學。1．化學仍是解決食物短缺問題的主要學科之一 食物問題是涉及人類生存和生存質(zhì)量的最大問題。以我國人口來說，預期在本世紀上半葉將達到16億。今后任務的嚴重性在于：既要增加食物產(chǎn)量保證人類生存；又要保證質(zhì)量以保證人類安全；還要保護耕地草原，改善農(nóng)牧業(yè)生態(tài)環(huán)境，以保持農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展；生物學將在提供優(yōu)良物種、提供轉基因生物等方面作出貢獻。但是這一切必須得到化學的支撐。化學將在設計、合成功能分子和結構材料以及從分子層次闡明和控制生物過程(如光合作用、動植物生長)的機理等方面，為研究開發(fā)高效安全肥料、飼料和肥料飼料添加劑、農(nóng)藥、農(nóng)用材料(如生物可降解的農(nóng)用薄膜)、環(huán)境友好的生物肥料、生物農(nóng)藥等打下基礎。 再進一步看，未來的食品將不只滿足人類生存的需要，還要在提高人類生存質(zhì)量、提高健康水平和身體素質(zhì)方面起作用。因此將從僅僅維持生命到加強營養(yǎng)，并將進一步要求能發(fā)揮預防疾病的作用。已經(jīng)看到利用食品保健是大勢所趨，不能因目前保健食品的泛濫無度和虛夸不實而忽視這一趨勢。除確定可食性動植物的營養(yǎng)價值外、用化學方法研究有預防性藥理作用的成分，包括無營養(yǎng)價值但有活性的成分，顯然是重要的。利用化學和生物的方法增加動植物食品的防病有效成分，提供安全有疾病預防作用的食物和食物添加劑(特別是抗氧化劑)，改進食品儲存加工方法，以減少不安全因素，保持有益成分等，都是化學研究的重要內(nèi)容。2．化學在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用中起關鍵作用 經(jīng)過20世紀竭澤而漁的開采以后，人們開始醒悟到能源的開采和利用必須基于國情，貫徹可持續(xù)性發(fā)展的原則。雖然在21世紀初期，我國重點能源仍然為煤炭(包括煤層氣轉化)、天然氣和石油等化石能源。但上述這些不可再生的能源將在100年后變得稀缺，必須提早節(jié)約和保存，并為后代作好利用新能源的準備。況且它們已經(jīng)成為20世紀人類影響環(huán)境的主要因素。因此，必須建立適合我國國情的、有步驟的開發(fā)利用能源的計劃。第一，要研究高效潔凈的轉化技術和控制低品位燃料的化學反應，使之既能保護環(huán)境又能降低能源的成本。這不僅是化工問題，也有基礎化學問題。例如，要解決煤、天然氣、石油的高效潔凈轉化，就要研究它們的組成和結構、轉化過程中的反應，研究高效催化劑，以及如何優(yōu)化反應條件以控制過程等等。第二，要開發(fā)新能源，新能源必須滿足高效、潔凈、經(jīng)濟、安全的要求。利用太陽能以及新型的高效、潔凈化學電源與燃料電池都將成為21世紀的重要能源。除去已經(jīng)有研究基礎和生產(chǎn)經(jīng)歷的上述能源以外，從基本上尋找更新型的能源(例如天然氣水合物)的工作不可忽視。而這些研究大多數(shù)要從化學基本問題作起，研究有關的理論與技術。 礦產(chǎn)資源也是不可再生的。如何合理使用同樣事關重大。例如，稀土是戰(zhàn)略物資。我國稀土礦物儲量豐富，為世界矚目。但是我們面臨稀土資源的浪費：一方面出口原料和粗制品，進口產(chǎn)品和精制品；另一方面在國內(nèi)仍然停留在“粗用”水平，把粗加工的混合稀土加人肥料，大量撒在耕地、林區(qū)中，造成資源浪費。保護稀土礦藏和精細加工利用勢所必然。這要靠深入研究稀土的分離和深加工，研究稀土的精細利用，研究開拓各種稀土化合物的特種功能和應用等等。在其他礦產(chǎn)資源中，鹽湖資源和土資源等都應該做更深的基礎研究，尋找發(fā)揮更高層次的作用。例如，法國用天然膨潤土制作成為藥物(國內(nèi)商品名思密達)，頓時身價百倍。3．化學繼續(xù)推動材料科學發(fā)展 各種結構材料和功能材料與糧食一樣永遠是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。在滿足人類衣食住行基本需求之后，為提高生存質(zhì)量和安全，為可持續(xù)性發(fā)展，不斷提出新材料的要求。新功能材料研究已經(jīng)是物質(zhì)科學研究重點，未來會更加發(fā)展擴大?；瘜W是新材料的“源泉”。任何功能材料都是以功能分子為基礎。發(fā)現(xiàn)具有某種功能的新型結構會引起重要突破。回顧以往卟啉、茂金屬化合物、冠醚以及后來的富勒烯的研究都是如此。但還要看到以往功能材料化學研究的歷史特點，往往新型功能結構的發(fā)現(xiàn)是偶然的。但一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，再擴展研究，比較有章可循，容易變成為大家爭先恐后(研究)的熱點。于是在高潮之中，不可避免盲目性、重復性以及低水平工作?？偨Y經(jīng)驗，今后的研究必須減少盲目性和低水平重復，要重視通過總結結構-性質(zhì)-功能關系設計和尋找新材料。 最初化學家研究材料主要是用合成-篩選模式尋找功能分子。后來，利用構磁關系在尋找新藥和新農(nóng)藥方面有了較大的進展?；诨衔镂锢硇再|(zhì)的定量構-效關系一時引人人勝，很快量子化學和分子力學又借高功能計算機進入分子設計，于是計算機輔助設計一步一步地使分子設計更加合理。但是藥物和農(nóng)藥是主要以活性分子的結構為基礎的，設計的僅僅是分子的結構。而對于大多數(shù)功能材料來說，一個分子即便具有某種性質(zhì)和功能，還不是材料。作為材料必須有三個層次的結構因素：分子結構決定它有潛在的功能；分子以上的有序結構決定它具有可表現(xiàn)的功能；而構筑成的材料的外形決定它具有某種特定的有效的功能。例如，貝殼的基本性質(zhì)由構成它的文石(碳酸鈣)和多糖基質(zhì)的結構決定，但是二者通過有序組裝構成的復合材料決定了它的基本材料性質(zhì)。而且只有當這種材料構成一定形狀的殼狀結構時，它才能起貝殼的作用。同樣是碳酸鈣和多糖基質(zhì)構成的蛋殼就因為有不同組裝方式和不同外形而有不同功能。與之相似，有催化活性的化合物還不是催化劑；有非線性光學性質(zhì)的物質(zhì)還不是非線性光學材料。作為材料必須有分子結構和性能的基礎，但是還要重視由功能分子組裝成具有特定功能的材料這重要的一步。過去的功能材料研究，物理學和生物學只重視研究功能，而化學只做到合成有功能的分子。兩方面都很少考慮材料的結構。從超導體、半導體、到催化劑載體、藥物控釋載體，都需要從根本上研究材料的結構?；瘜W可以從分子結構和高級結構兩個層次上研究結構與功能的關系，提出分子設計和材料設計的指導思想。除多層次結構決定材料功能以外，還將注意到材料的超微尺度問題。超微尺度的化學包括：超微尺寸的凝聚態(tài)和分散系的特殊行為、以及宏觀物體中的超微結構與功能的關系。過去化學已注意到分散系中的納米級分散相和細微分散顆粒的化學性質(zhì)不同于宏觀物體。近年來，物理學提出的納米尺度介觀效應，并從理論上加以詮釋。超微尺度的化學會有更寬的內(nèi)涵。 探求特定結構的形成規(guī)律和方法，包括合成、組裝和構筑是今天一個廣闊的研究領域。以往合成的材料自然也有高級結構，不過那是自發(fā)形成的。如何按照要求設計高級結構?這是要求化學家們深入探索的問題。生物材料具有獨特的分子組成和高級結構，因此有獨特的性能。模仿天然材料的高級結構是一條目前可以探索的途徑。例如，人們已經(jīng)在模擬沸石結構合成分子篩方面取得很大成就，開發(fā)了許多催化劑載體。未來化學在研究仿生功能材料中將越來越重要。值得注意的是，仿生材料研究已經(jīng)經(jīng)歷了兩個階段。如以模擬骨的生物礦物材料為例，首先是模仿組成，如磷灰石生物陶瓷以及磷灰石加膠原蛋白的復合材料；后來注意到復合材料不是混合材料，必須模擬其結構，于是用材料學方法制備有復合結構的材料。直到最近，開始意識到更重要的是模擬生物材料形成過程。預期今后生物礦化的模擬會有所突破。 象酶這樣的生物催化劑也會成為未來發(fā)展的重點。在20世紀，先只是模擬酶的活性中心。例如，模擬超氧化物歧化酶的活性中心，合成—篩選了許多銅的配合物，但是距離酶的特異性和高效性很遠。人們意識到?jīng)Q定酶的全面功能的不僅僅是活性中心，還在于活性中心以外的其他結構部分?？捎糜谏a(chǎn)、生活、醫(yī)療的模擬酶在21世紀將會有所突破，而突破是基于構筑既有活性中心又有保證活性功能的高級結構的化合物。 電子—信息技術將在21世紀以更快的速度發(fā)展。那就要求化學家作出更大的努力?；仡?0世紀電子喵息技術的發(fā)展歷程，經(jīng)歷了由電子管到半導體、到集成電路、再到大規(guī)模集成電路幾個階段。在每個階段中，化學家創(chuàng)造了必需的材料，諸如早期的單晶硅、半導體材料、光刻膠等以及后期的液晶及其他顯示材料、信號儲存材料、電致發(fā)光材料、光導材料、光電磁記錄材料、光導纖維材料和技術等。這些推動了電子信號技術的發(fā)展。21世紀電子信息技術將向更快、更小、功能更強的方向發(fā)展。目前大家正在致力于量子計算機、生物計算機、分子電路、生物芯片等新技術，標志著進入“分子信息技術”階段。這需要物理學家提供器件設計思路，化學家則設計、合成所需的物質(zhì)和材料。可以想象未來各國之間信息科學的領先地位之爭會異常猛烈。依靠外國的技術和材料不可能領先于別人。領先一靠創(chuàng)新思路，二靠實現(xiàn)新思路的物質(zhì)基礎。有時并不一定先有思路，后造材料；也可能先發(fā)現(xiàn)獨特性能的材料，后成思路。所以化學家應該更加主動地研究各種與電子信息有關的材料的性質(zhì)和功能以及與個層次結構的關系，特別是物質(zhì)與能的相互作用的化學特征；進一步吸收其他學科提出的新思路和概念，把化學理論和概念融合進去，創(chuàng)造具有特殊功能的新物質(zhì)和新材料。此外，化學必須推進凝聚態(tài)化學的研究，如納米科學技術、超分子凝聚態(tài)構筑、晶體工程等，創(chuàng)造新的聚集態(tài)構筑技術。4．化學是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有效保障 在滿足生存需要之后，不斷提高生存質(zhì)量和生存安全是人類進步的標志。生存質(zhì)量高低和安全程度要看生活水平和健康水平，由飲食、環(huán)境和精神等關鍵因素的合理程度決定。這些都取決于人與自然環(huán)境相互作用中外來物質(zhì)和能量是否滿足人體需要，同時維持最佳狀態(tài)。外來物質(zhì)和能量(包括飲水、食物、空氣、電磁波、放射性、熱等)有的是有利于生存質(zhì)量的提高，有的反而對健康形成威脅，還有許多有兩面性。優(yōu)化物質(zhì)利用，避害趨利是保證生存質(zhì)量和安全的基礎。生存質(zhì)量不僅僅以個人滿足感為依據(jù)，更應該考慮人以外的整個環(huán)境的應答。例如過多的汽車、空調(diào)、吸煙、不當?shù)纳a(chǎn)、生活方式等等都與人類生存質(zhì)量有關。化學研究可以從三方面對保證生存質(zhì)量的提高做出貢獻： ①通過研究各種物質(zhì)和能的生物效應(正面的和負面的)的化學基礎，特別是搞清楚兩面性的本質(zhì)，找出最佳利用條件； ②研究開發(fā)對環(huán)境無害的化學品和生活用品，研究對環(huán)境無害的生產(chǎn)方式，這兩方面是綠色化學的兩個主要內(nèi)容； ③研究大環(huán)境和小環(huán)境(如室內(nèi)環(huán)境)中不利因素的產(chǎn)生、轉化和與人體的相互作用，提出優(yōu)化環(huán)境建立潔凈生活空間的途徑。 健康是重要的生存質(zhì)量的標志。維持健康狀態(tài)靠預防和治療兩方面，以預防為主。預防疾病將是21世紀醫(yī)學發(fā)展的中心任務。首先是腫瘤、心血管病和腦神經(jīng)退行性病變等一系列疾病，將要在相當程度上可以預防?；瘜W可以從分子水平了解病理過程，提出預警生物標志物的檢測方法，建議預防途徑。目前已經(jīng)有人研究癌預防性治療。三、21世紀化學科學發(fā)展的總趨勢 從21世紀初期化學科學發(fā)展的總趨勢看，目前化學研究應該把握以下幾個原則。 1．微觀與宏觀相結合 從20世紀開始，化學就在迅速發(fā)展的原子物理學和后來的量子力學的推動下，致力于從電子層次解釋和預測分子的結構和性質(zhì)。由此產(chǎn)生的量子化學以及關聯(lián)領域得到迅速發(fā)展。人們以為物質(zhì)世界的一切結構和性質(zhì)都能在量子力學基礎上解釋和預測。電子計算機的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫容量的爆炸性增加和計算能力的大幅度提高，使人們可處理的分子越來越大，可比較的分子數(shù)目越來越多。這增強了人們在這方面的希望。以微觀結構研究為基礎的藥物和材料的計算機輔助設計成已經(jīng)為研究熱點。但是，現(xiàn)在看來，由于物質(zhì)世界里的現(xiàn)象既有微觀的基礎，也有宏觀的基礎，所以絕對不應該忽視宏觀化學研究——化學熱力學和動力學研究。微觀研究應該與宏觀研究相結合，這在研究生命科學、材料科學、環(huán)境科學等宏觀系統(tǒng)的問題時尤其重要。不應只看到化學熱力學和動力學的經(jīng)典內(nèi)容，而應該看到它們的發(fā)展趨勢。例如，非平衡態(tài)熱力學(Prigogine，1977年Nobel獎)的貢獻是教給化學家一把開啟從分子層次洞察生命過程的鑰匙。迄今還需要更好的理論和方法描述實際開放系統(tǒng)(生物體、河流、大氣等)的時-空動態(tài)變化。盡管在溝通微觀與宏觀研究中已經(jīng)取得一些成績，也建立了一些方法，但是大多數(shù)工作還是微觀與宏觀分離。由于解決實際問題的需要，也因為在理論上和方法上已經(jīng)有了一定的基礎，預期未來微觀與宏觀將會更深入更廣泛的結合。 2．靜態(tài)與動態(tài)(過程)相結合采取合成—結構表征和測定的研究模式由來已久，曾經(jīng)吸引了相當多的化學家從事這類工作，為人們留下一大批新的化學物質(zhì)的資料，也是化學界的重要財富。多少年來，這類研究引導人們集中于靜態(tài)結構研究。X-射線晶體結構分析的進步與普及，促使這類研究更為方便快捷，成為化學一些學科研究的主流。當然，作為研究物質(zhì)化學變化的科學，化學一直重視化學反應過程的研究。不過由于方法和思路的限制，化學反應歷程的早期研究僅限于小分子參與的宏觀動力學研究，而且只能研究速率較慢的簡單反應。后來停流技術(stopped flow technique)加上各種快速檢測和收集數(shù)據(jù)的手段才使人們有可能研究快速反應過程。近年來，把微觀概念引進反應過程研究的微觀反應動力學有了重大突破，形成現(xiàn)代化學的一個熱點。另外，近年來單分子操作能夠用來觀察分子的動態(tài)過程，計算機能夠模擬分子間相互作用的過程。這些都提示著在不遠的將來化學過程的微觀動態(tài)跟蹤的可能性。不過目前還是只能研究簡單系統(tǒng)，缺少跟蹤研究復雜過程的實驗方法和理論解析方法。而生物科學、材料科學和環(huán)境科學所要求化學解決的大多數(shù)是復雜系統(tǒng)。將來的化學既要能從分子層次解釋靜態(tài)結構和行為的關系，更需要的是解釋有關過程中發(fā)生的事件。例如，極快速生成和轉化的氧自由基會引起合成高分子材料(塑料、橡膠等)的老化，人類的活性氧疾病群(白內(nèi)障、腫瘤、心血管病以及各種退行性病變)和衰老的發(fā)生，以及金屬的腐蝕、食品和糧食的氧化性變質(zhì)等緩慢過程。這些過程包含從微秒到幾十年、幾百年的極快和極慢的反應。3．由復雜到簡單，再由簡單到復雜 人們現(xiàn)在所遇到的許多實際問題，都涉及周圍的物質(zhì)世界。物質(zhì)世界的一切表現(xiàn)都是復雜的、多樣的，而且是多變的。經(jīng)典物質(zhì)科學(包括化學)研究物質(zhì)世界的最終目的在于尋求簡單的、普適的、永恒的基本解。他們或者用簡化的方法、抽象的方法去研究復雜系統(tǒng)，建立各種模型和概念去解釋實際生命現(xiàn)象；或者把生物系統(tǒng)拆成個別生物分子，研究它們的結構和性質(zhì)的關系，用微觀來解釋宏觀。經(jīng)典物質(zhì)科學在認識生物系統(tǒng)的結構和功能關系方面的確取得了重要的成果，而且今后這種研究還要更細致深入地認識生物現(xiàn)象。但是，近來大家逐漸意識到，研究現(xiàn)實事物必須回到真實條件中去，即必須研究復雜系統(tǒng)中的復雜過程。具體地說，必須把一個個分子、一個個反應放回到實際環(huán)境條件中，在原來制約它的條件和關聯(lián)反應存在下去認識。其實，早在經(jīng)典物理科學發(fā)展初期，有人就已經(jīng)提出不能把真實的復雜系統(tǒng)(如細胞)簡單處理，但是限于當時的技術條件，無法進行觀察或?qū)嶒灐，F(xiàn)在不但技術水平已經(jīng)使人們可以在一定范圍內(nèi)研究復雜系統(tǒng)，而且系統(tǒng)論、控制論等現(xiàn)代理論也為探索復雜系統(tǒng)創(chuàng)造了理論基礎。對于化學，首先需要建立對復雜過程進行實驗研究的方法，特別是對過程中事件的動態(tài)跟蹤；其次，需要分析和模擬多反應組合的理論方法。從簡單到復雜不是一蹴而就的。目前仍然需要簡化處理。即便未來技術條件再進步，理論基礎再深入，簡化處理方法仍然不可或缺。從復雜系統(tǒng)的簡化，到回歸復雜性，再抽出個別問題進一步做簡化研究，這將是今后一段時期內(nèi)對復雜系統(tǒng)進行化學研究的主要方法。四、未來化學研究模式 原始創(chuàng)新是科研的靈魂，但是科學的創(chuàng)新不可能脫離原有研究基礎。創(chuàng)新也有不同模式和水平。既有思想或思路上的突破，也有方法學上的革命。思路上的創(chuàng)新有不同模式：或是原有研究思路的延伸和擴展，或與原有方向相反，或為兩種思路的銜接和交叉等。方法學上的革命曾經(jīng)樹立了許多科學的里程碑。組合化學就是反向思路加上方法學革命(擺脫有單一目標的定向合成技術和各個化合物分別篩選的方法)的結果。 普遍認為，未來化學將在與其他學科綜合研究中有所突破。這種綜合將會產(chǎn)生若干新的領域，是未來科學的生長點。 (1)從實際問題中抽出化學基本問題來研究 研究天、地、生任何物質(zhì)體系的變化規(guī)律都需要化學的理論和方法。這方面的研究涉及許多化學現(xiàn)今沒有探索過的問題和目前化學還不能解決的問題，因此解決這些問題都會反過來推動化學發(fā)展。化學家應該積極主動地與生命、材料、信息、環(huán)境、資源、農(nóng)業(yè)等科學交叉、滲透和融合。但要從中抽出化學基本問題來研究，要發(fā)揮化學理論和方法的作用，以求在解決問題的同時深化或豐富化學學科。 (2)吸收其他學科的新理論和新結果，孕育化學生長點 當化學滲透到其他學科中去研究一個問題時，要汲取其他學科的理論和方法。它們可以豐富和深化化學的理論和方法，成為蘊藏著重要內(nèi)容的生長點。 (3)與其他學科融合，開拓化學新領域 上述兩方面還只是學科交叉。進一步如果發(fā)展到由兩個不同學科的理論、概念和方法融合產(chǎn)生新的理論、概念和方法，就有可能產(chǎn)生一個新的研究領域。例如，化學和生物學融合產(chǎn)生了生物化學；分析化學用于環(huán)境檢測然后融人環(huán)境科學之中?；瘜W結構和量子力學的融合產(chǎn)生量子化學，量子化學與分子藥理學又融合成量子藥理學。今后還會有這種學科重組的現(xiàn)象。這既不是化學被“肢解”，也不是化學湮滅在其他學科之中，重要的是化學家進入其他領域后，要找出并且抓住化學基本問題，用化學理論和方法去研究，不能用其他學科的理論和方法去做其他學科本身就能做的工作。(4)把握動向和時機，提出新的思路和新的研究方向 和其他學科一樣，化學科學的研究總有它的傳統(tǒng)；在一個時期有當時的主流和熱點。可是經(jīng)過一個時期以后，熱點會降溫，主流會讓位于迅速壯大的支流，人們長期耕耘的傳統(tǒng)學科或課題會暫時老化，變成冷點，變成潛流，等待著新的突破。在繼承與創(chuàng)新之間必須把握動向和時機，提出新的思路和新的研究方向，同時必須隨時調(diào)整研究模式，適應學科發(fā)展和面臨的新問題。例如，藥物研究過去沿襲20世紀初開始采用的合成+篩選模式。這種模式是在合成化學與藥理、毒理學分工下各自研究?；瘜W家主要從結構出發(fā)去設計化合物的分子，不以作用機理為基礎，所以考慮問題不全面，盲目性很大。后來的研究思路前進了一步，根據(jù)結構-功能關系研究，總結設計思想，再去設計。再后又進一步引入計算機輔助設計，產(chǎn)生了從已知靶點出發(fā)的設計-合成-篩選模式。但是無論如何最初先要有一個先導化合物，而先導化合物的尋找依然有盲目性。世界各國近來之所以如此積極地研究中藥和其他動植物來源的天然化合物，主要是尋找先導化合物。但是，目前的情況又有重要變化。由于對病理化學過程的分子機理有了比較深入的了解，有可能從干預病理過程的關鍵環(huán)節(jié)推測新的活性化合物。因此產(chǎn)生了在分子機理基礎上，醫(yī)和藥結合的病理-藥理-靶點-設計-合成-篩選新模式。化學在這幾個環(huán)節(jié)中都是研究的基礎。以上僅僅列舉化學如何推動新藥和新農(nóng)藥研究中的模式轉變；其他交叉領域中也都有同樣的模式改造問題需要化學來推動。 (5)重視化學學科自身發(fā)展與整體科學技術的發(fā)展相結合 雖然學科融合是大勢所趨，考慮實際問題是基礎研究的源泉，但是也要重視化學學科的自身發(fā)展和建設，研究本學科的基本問題，即純化學問題。當然純化學研究要逐步深化，要發(fā)展化學科學的新理論、新方法，只有這樣才能夠解決其他學科向化學提出的問題。例如，20世紀末的世界范圍內(nèi)的中藥研究熱以及其中的中藥復方研究熱，向化學提出了一個如何在復方提取物中分離確定活性成分的問題。這個問題的解決基礎是分離、測定、結構分析三方面的結合。這三方面分開來研究，已經(jīng)有了一定的手段，但是要想合起來一次完成從數(shù)百個極微量成分中找出活性成分，還能確定活性成分的結構，就要研究建立新的方法。五、其他學科中的基本化學問題 化學進入其他學科必須“能進能出”。即化學家能夠深入有關學科，了解他們的現(xiàn)狀和問題，力求與那個學科的科學家有共同語言。但是隨后，必須找到他們有待解決、而化學能夠解決，并且在解決他們的問題的同時化學得以突破的問題。及時從那里走出來，不能采用純粹屬于他們的思路和方法，而應采用化學的理論和方法，或者移植修改他們的變?yōu)榛瘜W的，或者雜交的理論和方法。因此在其他領域中尋找化學基本問題是極端重要的。1．生命科學中的基本化學問題 從Fisher(1902 Nobel化學獎)，Wieland(1927 Nobel化學獎)，Windaus(1928 Nobel化學獎)，F(xiàn)ischer／Haworth／Karrer(1930 Nobel化學獎)，Ruzicka／Butenandt(1939 Nobel化學獎)，Sumner／Northrop／Stanley(1946 Nobel化學獎)，Robinson(1947 Nobel獎)，Pauling(1954 Nobel化學獎)，Todd(1957 Nobel化學獎)，Sanger(1958 Nobel化學獎)，Perutz／Kendrew(1962 Nobel化學獎)這一連串Nobel化學獎的名單(另外還有不少化學研究在這方面獲得了諾貝爾獎，如1923 Nobel生理醫(yī)學獎)就可以看出，過去化學基礎研究在推動生物醫(yī)學發(fā)展，提高人類健康水平，延長人類壽命所起的關鍵作用。從這一系列成果還可以看出生物學和化學的相互融合、相互推動的過程。在生物醫(yī)學領域中，20世紀30年代以前，雖然有發(fā)現(xiàn)胰島素(Banting／Macleod，1923 Nobel生理醫(yī)學獎)、維生素(E；kman／Hopkins l929 Nobel生理醫(yī)學獎)和酶(Warburg l931 Nobel生理醫(yī)學獎)的重要成果，但是深入到分子層次，擴展到過程和機理，則要到30年代末。劃時代的工作如Szent-Gyorgyi關于生物氧化(1937 Nobel生理醫(yī)學獎)、Dam／Doisy關于維生素K(1944 Nobel生理醫(yī)學獎)和Kendall／Reichstein／Hench關于腎上腺皮質(zhì)激素的結構與功能關系的工作。它們體現(xiàn)了生命科學越來越重視結構、分子機理和過程的研究。在20世紀末生物科學中發(fā)現(xiàn)的一系列新現(xiàn)象和新自然規(guī)律都提示化學基本規(guī)律在生物學中的意義，并且說明結構、機理和過程三方面化學研究的重要性。目前，化學關于結構與性質(zhì)關系的理論和規(guī)律已經(jīng)比20世紀上半葉完善得多，知識也積累得多，所以更容易看清事物的本質(zhì)。例如，當Furchgott等報告一氧化氮的生物功能后很快就進入機理研究，而且就因為NO和CO的分子結構相似性，有人很快報告了CO的生物功能?，F(xiàn)今尚未解決的新問題如Prion蛋白、細胞凋亡、疾病自愈、低濃度毒物的刺激作用(hormesis)等等都和化學結構、性質(zhì)及變化過程有關。預計對生命體系的研究越深入，化學基本問題會越突出。生命科學中基本化學問題的研究將成為自然科學的前沿領域。 生命體系中的基本化學問題是什么?現(xiàn)在需要化學解決而且化學能夠解決的問題是什么?化學可以用什么理論和方法去解決?由于個人背景和研究領域不同，對這個問題的看法很不相同。一種看法是要從現(xiàn)代生命科學的前沿中尋找化學問題。例如研究人類基因組計劃、腦科學、生物個體的克隆技術中的基本化學問題。也有人認為化學主要研究對象是生物物質(zhì)，所以主要還是研究它們的結構—功能關系和作用機理，進一步模擬和應用它們。還有人認為目前化學研究的生命科學問題還應該結合應用目標，諸如藥物與靶分子的作用，疾病發(fā)生、發(fā)展的機理，藥物結構—活性關系等等，包括研究確定天然藥物的化學活性成分，創(chuàng)造各種診斷治療預防藥物和材料。但是歸根到底，這里面的基本化學問題是什么，目前并不十分清楚。生命科學中的基本化學問題在不同時期是不同的。但是有一點，即它們應該是當前研究生命系統(tǒng)屢屢遇到的、各種生物系統(tǒng)所共有的基本問題。那么，可以認為以下幾個方面是主要的基本問題。 (1)生物大分子之間、生物大分子與小分子之間的各種相互作用 生物大小分子之間相互作用的規(guī)律是生命過程，也是生物應答的普遍基礎。它們不但普遍存在，而且有共同本質(zhì)和作用規(guī)律。生物應答取決于構成它的分子應答；而分子應答實際上是生物體系與外來物質(zhì)之間相互作用的化學過程。例如，與單電子轉移有關的自由基鏈反應是正常的和異常的生物氧化過程的關鍵環(huán)節(jié)。它們在動植物和生物分子的氧化性損傷中是共同的基本環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在已經(jīng)積累了相當多的實驗結果，尚有待深入地從分子層次來研究。特別是研究其中化學過程的機理和控制規(guī)律，將是解決許多疾病診斷防治、環(huán)境因子對人和生物的脅迫、提高農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、安全合理利用化學品和天然物質(zhì)的依據(jù)和途徑。(2)生物功能分子的結構與功能關系的研究 有關這方面的研究結果都說明，生物大分子的功能不僅決定于分子結構，也決定于其特定的高級結構和所處的特定結構環(huán)境。例如，膜上的功能分子以一定取向、按一定方式組裝在磷脂雙層之中。這是它之所以能夠表現(xiàn)功能的基本條件。這是細胞以下、分子以上的中間層次的結構化學研究內(nèi)容之一。實際上，生物體結構都是多層次的。從分子結構到分子聚集體結構，再到細胞結構，然后到組織結構和整體結構。所以在結構生物學和結構化學之間需要有一個生物結構化學，從多層次結構解釋生物功能的由來。生物結構化學不只從多層次研究結構與功能的關系，也研究如何能夠自組裝成所需的高級結構，以及在生物系統(tǒng)的變化中高級結構如何變化等等。(3)生命過程復雜性的研究 以分子科學為基礎的醫(yī)學和生物學的發(fā)展，使人們意識到運用化學知識、研究方法和手段來研究生命體系過程和再現(xiàn)生命過程功能，會成為21世紀化學科學追求的目標之一。化學不同于生物學，它通過研究某一過程中的化學反應及其組合認識生物過程。生理過程和病理過程可以用生物學事件來描述，例如細胞的周期、機體的免疫作用、一個疾病的發(fā)生和發(fā)展過程等等都有它們的化學基礎。研究某一生物過程中的化學過程可以掌握關鍵環(huán)節(jié)、調(diào)控途徑、發(fā)現(xiàn)生物標志[漏一頁]不過在這以后，化學、物理學和材料學都不同程度地忽視了兩個問題。首先是雖然利用的是物理性質(zhì)，但都是由化學結構決定的。例如超導材料的超導性質(zhì)不僅僅看材料含有什么元素，而更重要的是這些元素如何構筑成材料。因此在人們探索新型超導材料時要掌握結構與超導性質(zhì)的關系。其次，不僅分子要用化學方法合成，高級結構也必須通過化學過程來構筑?；瘜W將在以上兩方面作出貢獻。 應該說，近年來化學家提出的新型“準材料”不少，高分子電子材料、富勒烯和納米碳管、自組裝單分子層、納米晶體等等，但卻有以下兩個弱點。 ①缺少基于化學的設計思想。因此，采取大量合成并加大范圍篩選的研究模式。一旦發(fā)現(xiàn)個別結構，便引起許多人跟蹤研究。結果命中率低。近來，引用組合化學方法大大擴大了化合物庫，如建立組合材料庫。雖然加快了工作效率，但是缺少根據(jù)功能與結構關系的深入了解。這種了解必須由化學和材料學及物理學結合起來研究。 ②僅僅基于分子結構與性能關系，缺少對于材料高級結構的認識。多數(shù)研究目的定位在功能分子，沒有考慮什么樣的材料結構才能表現(xiàn)所需的功能。目前正在研究用計算機模擬復雜材料的合成、特性和預計理論最佳結構。不過，沒有高級結構的測定以及對于材料結構與功能定量關系的深入了解，計算機就沒有設計依據(jù)。 因此，可以設想最近的將來推動材料科學發(fā)展的化學基本問題有以下幾點。 (1)分子結構-分子聚集體高級結構-材料結構-理化性質(zhì)-功能之間的關系 掌握這些關系(特別是定量關系)便可以減少盲目性，增加命中率。但是，目前還需要建立測定高級結構的方法，研究理化性質(zhì)和功能與高級結構的關系等。為了有效地總結和運用上述關系，建立功能材料庫和材料信息系統(tǒng)是非常重要的。(2)合成功能分子與構筑高級結構的理論與方法的研究如何構筑成有序的高級結構是一個新的合成化學問題?；蚴窃诤铣山Y構單元的時候如何使其能夠自組裝成為所需的高級結構；或是在獲得功能分子之后，再組裝成為材料。 (3)分子器件的研究 分子器件研究要有實際目標，微流體器件即是一種可行的可用的手段?；谛酒钠骷灿卸喾N機會和可能。 (4)模擬生物材料形成過程的基礎研究 酶、生物礦物材料(動物的內(nèi)外骨骼、某些生物的重力、磁場敏感材料)、生物粘合劑、生物微粒、生物控釋材料等，它們都是大自然設計經(jīng)過億萬年演化的結果，都是在生物體控制和指導下在特定條件下通過特定過程合成和組裝的。材料科學研究仿生材料已有多年歷史，開始多從組成上模擬，其后是從結構上模擬，但是由于沒有模擬生物體內(nèi)材料合成組裝過程，因此不能產(chǎn)生所需的高級結構和外形，也就不能有生物材料原有的功能或達不到生物材料的工作水平。今后，模擬生物材料形成過程的基礎研究將會成為熱點。3．可持續(xù)性發(fā)展的基本化學問題——綠色化學和環(huán)境化學 在20世紀中，由于竭力滿足迅速增長的人口對物質(zhì)日益增長的需求，到世紀末出現(xiàn)了資源耗竭、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等威脅。因此提出了可持續(xù)性發(fā)展這一人類進步的基本戰(zhàn)略。它包含保證人類(現(xiàn)在的和未來的)生存、生存質(zhì)量和生存安全三個方面。所用的物質(zhì)資源和造成損害的環(huán)境物質(zhì)都通過各自的化學性質(zhì)而被利用或影響環(huán)境?；瘜W科學是研究生態(tài)環(huán)境中化學物質(zhì)在各種環(huán)境介質(zhì)中的存在、化學特性、行為和效應及其控制的化學原理和方法的重要基礎。所以采用化學手段研究如何合理開發(fā)和利用資源，以及如何保護環(huán)境是實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的主要手段。其中基本化學問題歸屬于兩個學科，即綠色化學和環(huán)境化學。它們二者是不可分的。環(huán)境中的化學物質(zhì)、物理因素和生物物質(zhì)對人的迫脅和防護問題是兩個學科要處理的關鍵問題。綠色化學是從“源頭”上杜絕不安全因素。其主導思想是在工業(yè)中采用無毒、無害的原料和溶劑，新化學反應達到選擇性高，生產(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品；在農(nóng)業(yè)中減少農(nóng)藥、有害化肥、污水灌溉以及有害于土壤結構和肥力的材料(如塑料)；在生活中，減少使用有害環(huán)境的材料和過度消耗能源。環(huán)境科學則要尋找凈化環(huán)境的途徑。首先在工業(yè)發(fā)達國家開始研究環(huán)境污染的來源和治理問題，如倫敦的霧就是一例。環(huán)境化學就是這時出現(xiàn)的。顯然，治理不如預防。因此自90年代以來，綠色化學逐漸得到普遍關注。美國率先在1996年設立了綠色化學總統(tǒng)挑戰(zhàn)獎，以鼓勵綠色化學的研究與發(fā)展。 環(huán)境化學的基本化學問題在空間和時間的尺度上不同于一般化學過程，而且具有綜合及邊緣交叉的特征。環(huán)境中的基本化學問題研究，不但對有效地解決環(huán)境問題起直接推動作用，而且對經(jīng)典化學的發(fā)展也會作出一定貢獻。環(huán)境問題既有全球性又有地區(qū)性。因此，既要與國際同步研究大環(huán)境問題，又要研究我國的重要環(huán)境問題。環(huán)境化學經(jīng)歷過幾度變化。先是圍繞環(huán)境中有害物質(zhì)的分析測定進行研究。其后重點轉移到環(huán)境中有害物質(zhì)的形成、轉歸與物種分析。目前又極其重視環(huán)境生物化學，即研究人和其他生物對外來物質(zhì)和能量(例如紫外線、放射性輻照)作出應答的化學依據(jù)。以這方面的認識為基礎就可以尋找出生物標志物，用來預報受影響的程度與階段，也可能提出針對性預防方法。目前最引入注意的是研究外來因素通過自由基過程引發(fā)癌形成的過程，以及此過程的預警和階段預防方法。所以要對環(huán)境污染的重要化學反應機理及偶合效應的痕量污染物的形態(tài)、結構與生物活性分析及生物標記物進行研究。 近年來，雖然環(huán)境化學在污染物的種類和來源、污染物在自然環(huán)境中的化學變化過程及其產(chǎn)生的化學生態(tài)效應，化學污染控制和防治等環(huán)境監(jiān)測分析方面發(fā)揮了重要作用，但要從源頭上完全解決環(huán)境污染的問題，必須尋求綠色化學的新途徑。綠色化學又稱環(huán)境無害化學、環(huán)境友好化學、潔凈化學，即是用化學的技術和方法把使用和生產(chǎn)對人類健康和安全、生態(tài)環(huán)境有害的原材料、產(chǎn)物及副產(chǎn)物減少到最低。綠色化學是貫徹可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的一個不可分割的部分。在考慮對環(huán)境無害的同時還要考慮資源的合理使用等其他問題。目前，其主要內(nèi)容有二： ①改變現(xiàn)有生產(chǎn)的化學合成路線和工藝路線，使其成為保證人類可持續(xù)性發(fā)展、并與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的潔凈、節(jié)能和節(jié)約的生產(chǎn)方式； ②用新的化學品取代現(xiàn)在使用的有害化學品，用新的工作方法代替原來的有害工作方法。 達到上述目標并非簡單的工藝改革所能做到的。必須從化學基礎人手。例如，許多生產(chǎn)過程都包含先高溫后深冷的步驟，解決這個問題的途徑之一是尋求在低溫下轉化的反應或反應條件，比如尋找新催化劑。另外，一個理想的合成路線是要盡可能使原料中的每一原子進入產(chǎn)品，不產(chǎn)生任何廢物和副產(chǎn)品，也不采用有毒、有害的原材料，并生產(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品。為了這個目的，必須從尋找新合成反應和路線開始。而新的合成反應也不是簡單的改變路線，應該找出基本規(guī)律，尋找解決此類問題的一般途徑。例如，如何根據(jù)各種催化原理尋找安全無害的催化劑，如何根據(jù)結構、性質(zhì)與功能的關系尋找替代物等。六、21世紀化學學科的發(fā)展方向 預計21世紀科學發(fā)展的特點是各學科縱橫交叉解決實際問題。那么對于化學學科，其自身的繼續(xù)發(fā)展和與相關學科融合發(fā)展相結合；化學學科內(nèi)部的傳統(tǒng)分支的繼續(xù)發(fā)展和作為整體發(fā)展相結合；研究科學基本問題與解決實際問題相結合。在本書第一篇里已經(jīng)總結提出目前看到的各個學科和某些交叉學科的發(fā)展動向。在本篇展望未來化學整體發(fā)展趨勢時，先要說科學的發(fā)展常常會出現(xiàn)預料不到的突破，但是又有可能從現(xiàn)時動向、從解決正在解決的問題的可能性來分析較近期的發(fā)展展望。例如，在20世紀初的人們看到了放射性、量子力學、原子結構的初期模型之后，應該可以設想物質(zhì)科學向更微觀方向發(fā)展的趨勢。但是在發(fā)現(xiàn)病原微生物的時候，雖然可以看到制服傳染病的途徑(正是因此才開始了化學治療劑研究)，而人們卻還不可能想得到傳染性的Prion蛋白。所以，下面所提出的僅僅是可以預計的、有苗頭的趨勢。1．尋求結構多樣性的研究與功能研究結合 面對日益增長的各種功能分子和材料的需要，合成化學在研究內(nèi)容、目標和思路上也要有較大的改變。合成化學家心里想的是分子，實際上是它的結構。先構思一系列新型結構，再建立方法去合成。怎樣構思?或者單從結構的新穎性和復雜性；或者為了合成出的結構有某種性質(zhì)和功能。不管什么目標，有一點是共同的，那就是：結構是可能穩(wěn)定存在的，合成方法是有一定基礎的。如果為了合成具有某種性質(zhì)的化合物，那還要從結構和功能關系方面去設計。所以，合成化學包含合成技術，但遠遠超出合成技術。未來從事合成化學工作的人要能夠根據(jù)需要和可能去設計、合成新結構。20世紀末的發(fā)展還說明，未來的合成化學不僅是研究合成分子的結構，也要研究構筑分子以上的高級結構。那么，就還要了解分子以上層次的化學理論和方法?？偟膩碚f，未來一段時期，隨著各個領域?qū)τ诟鞣N功能的分子和材料需要的迅速增加，合成化學將要開拓若干新領域。 (1)尋求結構復雜性和多樣性的目標結構包含高級結構 合成化學既研究傳統(tǒng)的分子合成化學，也應研究高級結構，特別是高級有序結構的構筑學(Tectonics)。高級結構是以分子間弱相互作用為基礎的。因此，與以合成分子為目的的合成化學有所不同，高級結構是由結構單元分子組裝成的，有時也可能是在合成分子的時候生成的分子自組裝成的。研究這兩方面的可能性已經(jīng)有一些進展。不過，許多基本規(guī)律尚未解決。例如，怎樣設計單元分子結構使它能夠自組裝成所需的高級結構?怎樣使構筑的高級結構成單一、無雜結構?怎樣控制生成物的尺度?在這方面應該看到，無機化合物的合成的發(fā)展前景廣闊。無機單一分子可能是簡單的，但是構筑的分子聚集體則是非常復雜的，非常多樣的。(2)組合化學研究 組合化學是基于與傳統(tǒng)合成思路相反的反向思維，加上固相合成技術，并受生物學大規(guī)模平行操作(如用96孔板操作)啟發(fā)而產(chǎn)生的。它一開始就在篩選藥物方面顯示出潛在力量?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了液相方法，并且推廣到肽和核苷酸以外的有機和無機化合物。不能把組合化學僅僅看作是一種技術，還應該看到以它為基礎的生長點。首先，平行合成要求所用的反應能夠在緩和條件下，經(jīng)過相同步驟，以基本相等的速度合成出摩爾數(shù)大體相等的反應產(chǎn)物。所以，誰能夠發(fā)現(xiàn)新的適用的反應系統(tǒng)，誰就能領先一步；其次，組合化學要求以可更換的分子片(合成子)為基礎來進行合成反應，誰能發(fā)現(xiàn)新的可用的分子片，誰就又領先一步；再有平行合成要求有平行檢測配合，在藥物篩選中有生物活性檢測配合，在材料篩選中有物理性質(zhì)檢測配合，但是人們必須建立方法用以檢測化合物結構的，如此等等，就可能打開許許多多新的領域。(3)發(fā)現(xiàn)和尋找新合成方法 這是永久課題。最基本的是無機物、有機物和高分子化合物的化學合成、生物合成以及合成技術。由于化學合成的主要目的是提供解決實際需要的功能分子或功能材料，所以在一定時期它的發(fā)展方向由各方面決定。目前，除了研究尋找新合成反應和方法[包括以一定手性(類手性)、對稱性和構象為目標的反應和方法]外，重要的是為可持續(xù)發(fā)展提供新反應、新路線，以及現(xiàn)在使用的化學品的安全替代物。此外，還有基于結構—功能關系設計—合成新功能分子或功能材料；基于分子或合成子組裝的合成、構筑高級結構的研究，其中包括控制大分子纏繞、折疊和有序聚集研究(多層次)；基于模擬生物材料形成過程的合成方法研究等。 (4)結構化學與合成化學結合 C60是從實驗結果中偶然發(fā)現(xiàn)的。出自意外必是偶然，在發(fā)現(xiàn)之后，人們又覺得它的存在是合理的，應該可以預計的。是否可能在合成化學與結構化學結合處增加合成前的設計和預測? 2．復雜化學體系的研究 目前，數(shù)學、物理學、生物學以至金融、社會學都在研究復雜性問題。他們著重于理論研究，主要目的是建立數(shù)學或物理模型?；瘜W界最早涉及復雜性的研究可以舉出三個里程碑工作：化學振蕩的時空表現(xiàn)的機理研究；Prigogin非平衡態(tài)熱力學；Williams提出的解釋生物大分子和細胞參與的化學過程的模型。他們的工作說明了一點：化學過程的宏觀與微觀復雜性都可以通過實驗做定量研究，并用化學理論加以解釋。這包括對系統(tǒng)、結構、過程和狀態(tài)四個方面的復雜性研究。從系統(tǒng)來說，復雜性具有多組分、多反應和多物種的特征；結構復雜性的特征主要是多層次的有序高級結構；而過程的復雜性指復雜系統(tǒng)參與化學反應時所表現(xiàn)的過程，復雜過程由時空有序的受控的一系列事件構成；狀態(tài)變化的復雜性又是過程復雜性的表現(xiàn)。這些特點在生物和無生物系統(tǒng)中廣泛存在，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療、環(huán)境等等領域中也無處不是，所以研究復雜系統(tǒng)的化學過程有普遍意義。 (1)復雜系統(tǒng)中的多層次結構研究 化學要在研究分子層次的結構的基礎上，闡明分子以上層次的結構和結構變化的化學基礎，以及結構、性質(zhì)與功能的關系等。分子以上層次的化學個體包括：由多個分子依靠分子間弱相互作用組裝或聚集成的具有有序高級結構的分子聚集體；要研究分子聚集體是如何通過弱相互作用構筑成高級有序的結構的；研究低級結構與高級結構、內(nèi)結構與外結構、結構與外形的關系；分子聚集體和凝聚態(tài)以及生物體系的高級結構形成與功能的關系。 復雜系統(tǒng)的復雜性不只是具有高級結構，還在于結構的多層次問題。高級結構和低級結構相互決定、互相依存。在具有高級有序結構的物體中發(fā)生的化學過程也往往涉及多個層次。要建立方法去研究各個層次結構之間的關系，以及如何在兩個層次之間研究化學行為，如在細胞內(nèi)外發(fā)生的化學反應的熱力學和動力學以及反應過程中結構的變化。(2)尺度效應和多尺度問題 化學還要注意復雜系統(tǒng)中的多尺度問題。首先要研究尺度效應。物理學從納米材料的研究結果得到啟發(fā)提出介觀尺度概念，并發(fā)現(xiàn)當物體分割到納米尺寸時微粒的性質(zhì)有突變，進一步提出量子尺寸效應。多少年來化學家認為性質(zhì)就是由原子結構和分子結構所決定，事實上，很多事實早已說明化學性質(zhì)也有尺度效應。在化學性質(zhì)與尺度之間也有一個飛躍關系。 (3)復雜系統(tǒng)過程問題 復雜系統(tǒng)中的化學過程是研究復雜系統(tǒng)的核心問題。因為人類所面對的諸如生命、環(huán)境、甚至山川湖泊等都是在變化中，未來化學在突破層次和尺度的同時，還需要努力研究寬時間范圍的化學行為。人們周圍的自然現(xiàn)象都不是簡單的化學反應過程，而是包含多步反應的過程，甚至于幾個過程還要進一步組合成為更復雜的過程，比如自然界的演化。研究復雜化學系統(tǒng)的過程，就要研究多層次、多尺度和大時間跨度的過程。應該研究化學中的尺度效應和多尺度化學過程；建立復雜過程的跟蹤分析方法(包括動態(tài)、原位、實時、形態(tài)監(jiān)測技術)及過程理論研究(不同層次的過程)，包括非線性行為等理論問題；多反應過程動力學解析等。 3．化學信息學和高效計算機信息處理要加速化學信息學研究和化學信息庫的建設。(1)功能分子信息處理 經(jīng)過200多年的積累，特別是20世紀后期合成化學的大發(fā)展，人們積累了大量化合物的信息，包括它們的合成、結構、性質(zhì)等等，現(xiàn)在還在以越來越快的速度合成出新化合物。但許多工作僅為創(chuàng)造新分子或新結構，無意于它們的實際用途。也有些雖然考察過某種性質(zhì)，但是可能當時漏掉了另一重要性質(zhì)。另外，當人們總結結構與功能的關系時，需要功能表現(xiàn)有差別的一系列有關化合物的資料，哪怕是沒有實際用處的化合物。因此，人們越來越需要結構’陛質(zhì)—功能的資料。經(jīng)過長期積累，堆起了一座各種各樣物質(zhì)的信息的“大山”。它是蘊藏著大量寶貴的知識資源，而且這座“大山”還在以極快的速度增高?？墒钱斎藗冃枰獙ふ揖哂心撤N功能的化合物時，又去合成各種各樣的化合物以提供篩選。為什么不能從這座寶庫里尋找具有所需功能的化合物呢?歷史上有很多這種例子。20世紀60年代發(fā)現(xiàn)的抗癌藥順二氨二氯合鉑是Werner早就合成的，而且也是他提出配位理論的依據(jù)之一。同樣，我國的中草藥也是個寶庫，由中草藥中提取分離并已測定結構的化學成分也在加速度地增加。科學家們在致力于分離出新化合物的同時，可不可以從已知的成分中尋找有某種活性的成分呢?應該清楚地意識到從這座信息大山中可以發(fā)現(xiàn)許多有用的物質(zhì)。是重新合成和分離、篩選好，還是從已有的信息中找好，要看信息處理的理論和方法。今天信息技術包括計算機的智能化給人們帶來從信息大山中快速挖掘功能化合物和解決問題的基本數(shù)據(jù)的可能。需要以下的操作系統(tǒng)：(2)與生物銜接的化學信息學 在生命科學領域，現(xiàn)在正處在高潮到來的前夕，其契機有二：第一，先是蛋白質(zhì)結構庫用以在計算機上對小分子進行對接篩選，這是計算機輔助藥物設計的核心；第二，基因組的測定和基因庫的建立是20世紀生命科學發(fā)展的里程碑，它給醫(yī)藥學、農(nóng)牧業(yè)等帶來新的希望，因此，國際上普遍重視圍繞基因和基因表達的信息庫和信息處理。例如，歐洲分子生物學實驗室(EMBL)在劍橋設立了歐洲生物信息學研究所(EBl)包括生物大分子結構數(shù)據(jù)庫(MSD)、提供人類蛋白質(zhì)序列的信息庫、啟動人類蛋白質(zhì)組庫基于DNA-microarray技術的基因表達信息庫，他們還開始在基因預測和基因組構筑方面服務。在這方面，化學工作如何起作用?有沒有需要化學解決的問題?(3)與化學反應和化學過程銜接的化學信息學 化學反應以及化學過程的熱力學和動力學信息庫包括范圍很廣。除去基本化學反應之外還應該包括諸如在土壤、大氣、水體、生物體內(nèi)的反應資料。比如，環(huán)境物質(zhì)及其反應的信息庫是研究物質(zhì)在環(huán)境中的來源、去向、停留時間的基本數(shù)據(jù)?；み^程的計算機模擬和仿真都需要這些資料。 4．新實驗方法的建立和方法學研究 測試和分析是人們獲得各種物質(zhì)的化學組成和結構信息的必要手段。它滲透到化學的各個學科，并對環(huán)境科學、材料科學、生命科學、能源、醫(yī)療衛(wèi)生的發(fā)展具有十分重要的作用。從現(xiàn)在學科發(fā)展趨勢和實際應用來看，研究復雜體系的結構和變化過程需要方法。如生命體系和生態(tài)環(huán)境體系在結構上是非常復雜的，而且結構和性質(zhì)的變化也是復雜的?；瘜W研究首先要發(fā)展先進的研究思路、研究方法以及相關技術，以便從各個層次研究分子的結構和性質(zhì)的改變。當今國際上科學研究的領先權，在很大程度上取決于研究方法和研究手段的先進程度。著名的人類基因組計劃，就是首先重視了方法學，尤其是DNA高速測序方法的發(fā)展，才走上了成功之路。在生態(tài)環(huán)境中往往有種類繁多、形態(tài)復雜、性質(zhì)各異、含量極微的化學物質(zhì)或活性化合物。這些化合物的相互作用錯綜復雜，既有線性變化，也有非線性變化，或介乎于線性與非線性之間的變化；既有化學變化，也有生物變化。要對這些微乎其微物質(zhì)的組成和含量進行分析和檢測，要對其復雜的結構或形態(tài)、生物活性及其動態(tài)變化過程等進行有效和靈敏的追蹤或監(jiān)測，就必需充分利用并大力發(fā)展現(xiàn)代分析科學方法和檢測技術。為此，應該注意建立時間、空間(能夠分辨作用位點和變化位點)的動態(tài)、原位、實時跟蹤監(jiān)測技術。要發(fā)展研究各層次結構和各個尺度的物質(zhì)的物理化學特性的測試技術。為了適應各種復雜混合物(如中藥復方、天然水、食物、生物材料等)成分分析的需要，今后要研究分離-活性檢測聯(lián)機技術，以實現(xiàn)高效高選擇性的分離、高靈敏度分析鑒定和結構分析與功能篩選一體化的技術。為了研究復雜系統(tǒng)的真實情況，不能單單靠分析測定的方法和儀器，必須充分注意總結和建立新分析原理，特別是建立自己的方法學。比如，隨著組合合成而來的問題是如何從極少量的含極多組分的混合物中對它們一一鑒定?這種鑒定還要化學和生物學技術結合，進行多參數(shù)測量。 化學分析儀器的小型化、微型化及智能化也是應該注意的方向。如今剛剛發(fā)展的微流動分析技術可以與集成電路連接，可以用于活體及活細胞對外來物質(zhì)應答的測定及毒素和細菌的檢測。微流動分析技術在快速篩選和生物測定方面有很大用處，特別是和組合化學連接起來。 化學還應該建立方法和儀器去研究微小尺寸復雜系統(tǒng)中的化學過程(如掃描顯微技術)，也要積極引進生物學和物理學方法為我所用。例如，流式細胞計、共聚焦顯微技術等都可以用來在細胞層次上研究化學反應過程。 5．跟蹤、分析、模擬化學反應過程 化學有三個基本武器：用分析手段測定物質(zhì)的組成和結構；用合成手段制造物質(zhì)；用對化學過程的認識去控制化學過程。在生活、生產(chǎn)、環(huán)境、氣象等現(xiàn)實問題中，化學過程隨時隨地都會遇到過程問題?；瘜W反應過程也是人類與環(huán)境相互作用的基礎。 應該說，化學從來就注意過程研究，而且過程研究是理解和應用化學反應的最重要方面。可是在過去，化學所能夠研究的過程受實驗方法和理論處理的限制，只能研究速度不太快也不太慢的反應過程。 目前，現(xiàn)代科學技術的發(fā)展使人們有可能闡明基元化學反應的全過程，包括介于反應物與生成物之間的不穩(wěn)定結構排列?；瘜W將會利用現(xiàn)代科學技術手段揭示化學變化的瞬態(tài)面貌，及時地觀察最快的化學反應過程和其中的各種效應，闡明決定化學反應速度的各種因素和各種反應機理。對于實驗結果的理論處理能夠在最接近實際的水平 (態(tài)～態(tài))上考察化學變化，追蹤分子內(nèi)和分子間的能量轉移，最終建立和勾畫出基元反應的真實歷程。目前正在對極小分子的簡單化學反應的人工調(diào)控進行研究，其目標是實現(xiàn)對化學反應的人為調(diào)控。這里面包括化學反應動態(tài)學的理論和技術的研究，也應結合實際問題(如催化問題)作有關過程的機理和調(diào)控的研究。 但是更多的過程是相對慢的過程，而且在真實系統(tǒng)和實際問題中可能極快的反應和極慢的過程互為因果或互相牽制。這在生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)中是不可回避的現(xiàn)象。小到細胞、大到環(huán)境，都會遇到因為瞬間的突變(物質(zhì)的和能量的)而引起的極快的反應，這些第一批極快的反應經(jīng)過傳遞、放大有可能引起了更多的慢反應，反應之間的交錯構成一個即使在引發(fā)因子早已不存在之后的相當長時間內(nèi)繼續(xù)進行的極慢過程。建筑與工程、環(huán)境物質(zhì)與能量的相互作用而導致的腐蝕和損壞，也是一個極慢的過程；但是其中每分每秒都在進行著快反應。這些現(xiàn)象中出現(xiàn)的事件都是以化學反應為基礎的，以反應間的相互作用為基本特征的。隨著人們對自然科學規(guī)律認識的不斷發(fā)展，在揭示化學事件的產(chǎn)生和相互作用方面正朝著更加接近實際的方向發(fā)展。來源:互聯(lián)網(wǎng) |
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2005-09-16 16:03:31 |
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