当今化学的危机与发展前景

摘要：就化学的发展现状与社会评价进行分析，通过与其他学科的比较发现与总结化学研究方法与指导思路的不足所在。提出并总结个人对于未来化学发展方向的观点以及关于未来化学将在哪些领域取得足以震撼人类社会的重大突破的成就的预言。

自19 世纪末期以来自然科学界一直在以愈来愈快的速度发展着，对社会生产力的进步和人们生活水平的提高做出了无论跹康鞫疾还值墓毕住６庖磺腥羰敲挥谢Чぷ髡呙?合成的数千万种自然界中本不存在的化学物质无疑是不能实现的。但是无数化学工作者的努力却常常被人们所忽视：在食品、保健品等的说明书和外包装上随处可见“绝对不含任何化学添加剂”的字样，似乎“化学”二字就是“污染”“有毒”的代名词。这些看法当然是不正确的，但是，“存在决定意识”的原理向我们提出了一个问题：究竟是什么样的“存在”决定了这样的错误的“意识”？

一．被遗忘了的贡献

化学家们对人类社会的贡献无疑居功至伟，但是在如今这个信息爆炸的时代我们在日常生活中却难以听到对化学的正面描述。还记得去年发生的侵华日军遗留化学武器泄露伤人事件和今年4 月重庆的氯气泄漏吧？还记得央视每周质检报道里时常披露的“某地用化学药品加工食物赚取昧心钱”之类的消息吧？如果那些对化学并不了解的人们每天听到看到的都是诸如此类的消息，我们又怎能指望他们对化学形成正确的认识？如果化学家们对于人类的贡献能够像这些报道一样三天两头在人们耳边盘旋，人们还会认为化学就是“污染”“有毒”的代名词吗？我们当然无权要求媒体去改变他们的报道方式，毕竟人家所报道的也都是事实。反之，“君子求诸己，小人求诸人。”我们应该从自身来寻找原因：为什么人们并不把物理视作“核武器”的代名词，或者把生物学视作“致命细菌”的代名词？

于是，我们遇到了第二个问题：与物理和生物相比，我们在哪些方面做得不够而导致了今天这样的结果？

二．历史的缺憾

自然科学各学科是以物质本身的性质以及它们运动变化的过程为研究对象的。任何物质本身是要占据一定的空间尺度并具有一定的空间结构的，而它的性质和运动变化的过程也有一个时间的跨度是可以测量的。此外，各种物质之间的复杂的尚未完全被我们所认识的相互作用又使得在一个有多种物质组成的系统中各种物质的性质与其单独存在时存在着明显的差异。这其实就是自然科学的研究对象的三个基本的特性，即空间尺度、时间跨度和相互作用所形成的系统的复杂程度。回顾科学发展史，19 世纪末20 世纪初还是以宏观物体研究为主要内容的经典物理学遭遇了“在热和光动力理论上空的两朵乌云”陷入危机之中，暴露了传统的经典物理学的局限性与缺陷，但是随即就因在原子以下层次所开辟的新的研究领域而获得了巨大的发展，核裂变与核聚变的发现震撼了整个人类社会，物理学也因此成为20 世纪前半叶最具影响力的自然学科。而生物学在以宏观的生物形态为主的研究中也只是缓慢地发展着，但是自从1953 年J．Watson 和Ｆ．H．C．Crick 提出DNA 双螺旋结构模型以来，跨入分子层次的生物学研究取得了前所未有的发展，生命奥秘的不断揭示极大地震撼着人们的心灵，给人们留下了极其深刻的印象，生物学也因此成为20 世纪后半叶最具影响力与发展前途的自然科学学科。此外，物理学研究的过程的时间跨度从极短的共振态粒子的强衰变（时间跨度10^-28 秒）到宇宙诞生和发展的过程（通常认为宇宙的寿命是150 亿年）乃至于质子的衰变（大统一理论预言时间跨度10^30 年）①。生物学研究对象的时间跨度则从瞬间完成的生化反应到历时以万年计的生物演化过程都有涉及。而这两个学科的研究对象也从单独的物体逐步涉及到复杂

的物质系统（如物理学对于宇宙起源和演化的研究，生物学对于细胞结构及各种酶协同进行生化反应的研究。）概括之，就是研究对象在空间上趋于微小化，研究对象的运动变化过程在时间上趋于两极化（极短与极长），研究对象趋于复杂化。

但是，化学的情况与此有所不同，自波义耳那个时代以来化学界还没有发生过哪怕是一次震撼人类社会的重大突破与变革。原因我想与研究对象和研究方法多年缺乏变动有着直接的关系。化学长久以来延续着一套把真实的复杂的系统理想化简单化的经典办法，而在研究对象方面也通常局限于在分子层次和相对较快的过程方面的研究。这样做固然有利于抓住问题关键迅速地“快刀斩乱麻”，却也导致了化学长久以来缺乏爆发式发展与突破的尴尬局面。而在如今“注意力经济”的时代，没有一个意义重大的震撼人类社会的突破，（物理学关于核能的发现、开发与利用，生物学对生命本质的探索无疑都是足以震撼人类社会的突破。）化学家们为人类社会所做出的种种努力便不会引起太多人的关注，随之而来的就是人们对化学的种种误解，以至于今天化学逐渐为人们所冷落，可以说一场化学的危机至少已经在潜伏之中，随时可能爆发。这里，我们留下了第三个问题：我们将在何处取得突破？

三．未来的发展

１．应当改变依赖于合成化学而忽视理论发展的现状

化学学科的主干无疑是合成化学，这是化学学科中最具生命力的主干。但是也正因为有这样一根生命力极强的主干的存在，吸引了人们的过多的目光和注意力，导致长久以来化学理论的发展落后于合成技巧的发展。合成技巧上我们已经可以合成诸如维生素B12(R.B.Woodward,1973) , 沙海葵毒素Palytoxin (Ki shi,1994) 这样巨大而复杂的分子，但是对于这些分子在体内发挥其生化效能的作用机制我们又了解多少呢？再者，现在我们在有机合成方面不仅没有达到生物体系合成那样在极其温和的条件下高速率高产率地进行真正的“绿色合成”的水平，就是按照时髦的“绿色化学”的零排放的要求来看也还存在着巨大的差距，姑且不说对反应速率产率和选择性的控制，单单如何减少大量的保护基的使用就是一个令人头疼的问题。尽管我们在合成技巧上已经达到很高水平，1990 年Corey 提出的逆推法合成更使我们可以对复杂分子逐步追溯至起始化合物，但是不可否认的是这仅仅解决了走什么样的路的问题，而这一路走下来是风和日丽还是狂风暴雨呢？这最终有待于化学理论的进一步发展。

合成化学要获得强有力的理论指导，首先要解决的就是合成目标的确定问题，目前通常都是从先导化合物出发，通过组合化学的手段合成成千上万种衍生物，然后从中寻找最符合需要的产物进行大规模的合成。虽然组合化学颠覆了传统化学合成追求单一纯净产物和高产率的指导思想而带来了有机合成化学的重要突破，但是这样的合成思路似乎仍有不足之处：我们是否可以像逆推法合成那样，根据我们所需要的分子的性能，由结构理论推导出这个分子为具备这一性能应当获得怎样的结构，然后从这个结构出发来合成它呢？或者更进一步，我们是否可以对结构化学家们提出这样的要求：是否可以在目前这种由分子结构解释其化学性质的基础之上进一步发展结构化学理论，使我们不仅定量，而且能够定性地判定分子的结构与其性质之间的关系？然后我们岂不就可以根据需要来设计相应的分子结构，然后合成它？现有的许多结构化学的公式往往都是Slater 规则和Clementi-Raimondi 公式这样在实验数据上总结出来的半经验公式，或者诸如Born-Lande 方程这样纯粹出于静电理论推导，由于没有考虑离子极化作用而存在或大或小的偏差的“理想公式”就如同理想气体对于实际气体的偏差一样。结构化学理论计算能不能发展到像滴定分析那样，精确预言目标分子的结构和性质的地步呢？这有待于后来人的努力。

２．研究对象与方法上的变革

前面提到了物理和生物研究获得大突破的原因，概括了研究对象和方法上的变革乃是获得重大突破，影响人类社会的主因。那么对于化学研究我们应该做出一些怎样的变革呢？将来化学研究的方向应该是对内不断完善和发展化学理论与技术，对外与其他学科加强交流，在一些学科交*点上寻找可能有新发现新突破的切入点，目前看来，以下几个点是将来比较可能产生新成果新突破的地方：

⑴纳米技术与微系统研究

早在1959 年12 月诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman 就在美国物理学年会上做出过微小化是未来发展方向的极富远见卓识的报告，现今纳米技术已成为最热门最时髦的话题之一，这其中化学家做出了巨大的贡献。而Feynman 的预言也正在成为现实，化学分析与生物医学分析领域使用的微型仪器（芯片）就是当前一个重要的发展方向。分析仪器的微小化不仅能够使得分析仪器体积缩小便于携带和大量制造，而且可以实现微量样品分析（因为微型化学仪器对重量的敏感度很高）同时避免使用大量的有毒试剂和能源消耗。而且效率也会得到很大的提高：在生物化学领域广泛应用的PCR 技术（聚合酶链式反应）每进行一个循环需要几分钟时间，而整个PCR 过程（包括３０～４０个循环）则需要数小时时间才能够完成；而在DNA 芯片中由于微反应器的效率较高，可以使单个循环所耗时间缩短到数十秒，完成整个过程也只要几分钟到十几分钟。②如此发展下去，“在一个手提箱里装有分析化学实验室”将不再是臆想，到那个时候分析化学的面貌将与现在完全不同。微小化使化学研究的手段发生了变化，反过来在微小化的过程中也需要化学家们解决一系列以前不曾遇到过的问题：任何物质的外形尺寸小到一定程度都会引起其性质的巨大变化，例如铁在空气中是不能点燃的，但是磨细的铁粉就可以用普通的火焰点燃，（据说以氢气还原草酸亚铁而得的颗粒极细的还原铁粉能够在空气中自燃，由于未曾亲见，不以为据。）当吸气或是其它物体微小到一定程度以后，一些在宏观尺寸条件下可以忽略的因素（如毛细效应、表面粗糙程度、表面离子吸附等）将变得愈加突出而不能再忽略不计。如何使被处理的物质在纳米尺寸的范围内保持其化学性质的稳定将是纳米技术给化学家们提出的一个新问题。这有待于化学家们的进一步努力。

⑵能源危机的解决

虽然核电站的建设方兴未艾，但这并不足以解决世界面临的能源危机的窘境，石油和煤是由动植物化石经过长期地质作用生成的燃料，它们在地下储存起大量的太阳能已经在人类的疯狂开采挖掘下濒临枯竭边缘，据估计地球上的煤，石油和天然气在５０年内就将面临严重短缺的局面。③虽然核电是好东西，但是把它拿来向民间推广显然不是一条可行的策略。这场能源危机究竟如何应对？我认为最终还得化学家给出几条解决途径。首先想到的肯定是太阳能，但是在这个人口暴涨的时代拿出大块地皮建设太阳能电站实在是一种奢侈之举，而且还得考虑老天是否愿意为我们提供这种方便。不过还有另一条间接利用太阳能的途径，即开发通过光合作用被植物以化学能形式储存起来的那一部分太阳能。绿色植物通过光合作用吸收太阳能，同时把二氧化碳和水转化为单糖而将太阳能固定下来。尔后通过单糖的聚合反应生成各种重要的化合物，如淀粉、植物纤维等化合物。其中植物纤维作为构成植物细胞壁骨架的主要物质，促存了大量的太阳能，这是一种可再生的储量巨大的资源。据（中国科技大学，朱清时）估计，仅木质素（植物纤维的主要成分之一，植物纤维主要包括纤维素、半纤维素和木质素）全世界每年就可产生600 万亿吨，再加上纤维素和半纤维素的数量那肯定是一个巨大的数字。现在我们的问题是如何利用它们。

淀粉由于主要储存于植物的种子和根内，并且能够为人类所消化利用，因而一直作为人类的主食来源而为人类所利用。但是纤维素由于不能为人类所消化利用，长久以来人们的纤维素的利用仅仅限制在制造天然丝和造纸方面。由于纤维素是由若干个D—（+）—葡萄糖分子聚合而成的，而葡萄糖可以进一步转化为酒精，以酒精作为燃料具有污染低的优点，但另一方面单位重量的酒精燃烧产生的热量明显不如以甲烷为主要成分的天然气（每克酒精燃烧放热29.7 千焦，而每克甲烷燃烧放热55.6 千焦，由于煤和石油的成

分比较复杂未予计算）而纤维素、半纤维素由木质素相联结而十分难于分离，至今未有较为理想的办法，究其原因是一方面对于木质素联结纤维素的方式我们了解甚少；另一方面，对于自然界中广泛存在的由酶催化的降解过程的机理至今仍不是很了解。目前人们的目光都集中在这两条途径上，并且通过各种手段测定木质素、纤维素等多糖分子在植物细胞壁中的排列顺序和方式来寻求解决之道，M．C．McCann 等人已经发现细胞壁内的多糖分子之间通过共价键和非键作用（氢键、盐桥等）形成复杂的交联网络结构。④这无疑有助于我们进一步了解植物细胞壁的结构从而更好地利用储存在植物纤维中的丰富能源。但我们是否忽略了另一个方面，即通过对地质化学的研究，了解煤和石油的生成途径，然后寻找适当的催化剂和条件将原本需要数十万年乃至更长时间的地质过程在短时间内实现？这一途径如果实现，必将使能源危机得到缓解甚至于彻底的解决，同时这也为生活垃圾的无害化处理提供了新的途径。据美国《化学周刊》6 月16日消息，由Conagra 食品公司和改变世界技术公司（Changing World Technologies ）合资的可再生环境方案公司已启动由农产品废料制造石油的第一个工业装置。工厂建于蒙大拿州的Carthage ，日产石油1 00~200 桶，所用废料为附近火鸡加工厂。从饱和度很高的生物大分子（组成元素除碳，氢以外还有大量的氧）转变为饱和度较低，主要由碳和氢两种元素组成的煤和石油（因其中含有大量的芳烃）可以预见副产物将会是大量的水，对环境的危害很小。这是一个值得探索的新方向，也是一个地质化学家、催化化学家和有机化学家们可以大显身手的地方。

⑶探索生命的奥秘

自1953 年J．Watson 和Ｆ．H．C．Crick 在《自然》杂志撰文提DNA 双螺旋结构模型以来，生物学界已经在探索生命奥秘方面取得了巨大的成就。令人不解的是这本来是一个应该由化学家来大显身手的领域：生物学家所做的乃是阐明生命过程的工作，至于如何更进一步去按照我们的需要来调控这一过程，则是留给化学家们的一个艰巨的挑战。一氧化氮分子在人体内的作用已经引起了关注，人们也意识到化学过程是生命活动的基础。一氧化氮的例子提示我们可以用一些小分子去调控生命过程（已经有人提出用这样的办法去调控细胞周期和有丝分裂过程，后续进展如何尚未见报道。），而过去那种只有复杂的生物大分子才能在生物体内调控生命过程的观点是片面的。由于小分子的结构比生物大分子简单的多，这为我们研究它们与生命物质的作用带来了一定的方便，但是同时也提出了一些挑战：譬如说小分子可以在生物大分子上的某些特定位点相结合，引起大分子的构象改变，从而诱发一系列后续反应。在这个过程中，小分子与生物大分子的结合是很快就达到平衡的，但是大分子的构象改变由于其复杂的结构和分子内部各部分的相互作用而进行的较为缓慢。而且大分子具有“牵一发而动全身”的特性，其局部构象改变之后必然引起了较远位置的一系列变化，使得这个过程更加复杂：构象的改变使得原本可以继续和小分子相结合的位点失去了与小分子结合的能力，同时也使原本被各种因素遮蔽了的位点（诸如因为空间阻碍而不能与小分子结合）有可能暴露出来进行下一步反应。这样的变化将会使生物大分子的生物活性产生何种的变化？对生物体本身有何种影响？另一方面这也对化学理论的研究提出了新的要求：小分子的结合由于速度很快，可以在很短的时间内达到平衡，而大分子的构象改变则是一个很慢的过程，这样在一个分子内部就同时有不平衡和平衡的现象存在，而且这是一个连续变化的过程，传统的集中于对平衡态的研究的经典热力学的方法将不再适用。（似乎经典的化学热力学还没有涉及到这个方面的研究吧，）但是考虑到前面所提到的未来的研究工作的发展方向将会是向复杂的系统化的研究对象进军的判断，不难预料这样的情况在将来对复杂的体系进行研究的时候将会经常遇到，而我们必须研究和解决这些问题才谈得上进一步深入研究。这方面不仅对生物化学家，而且对物理化学家们也是一个挑战。

此外就是我一直最感兴趣的仿生合成，现今的有机合成技术之于生物体系的合成就如同石器时代之于如今信息时代一般差距巨大，不论是反应条件的温和程度，合成目标的专一性和高效性以及原子的经济利用方面都还有着极大的差距，现今虽然可以利用一些微生物来帮助我们合成一些复杂的化合物，但是这毕竟不如化工厂里的大型反应锅炉来得痛快。各种复杂化合物是如何在生物体内如此高效地完成的？这是一个大有文章可做的领域，但是也面对着前所未有的复杂局面：如何测定这些大分子的复杂的立体结构？它

们之间相互作用的途径和机理是怎样的？现今的我们即使对于一些基本的生命过程也仍然缺乏足够的了解，主要原因我想与前面提到的多年来在研究方法和思路上缺少革命性的突破有关，从来习惯于把复杂问题简单化，真实系统理想化的研究思路在生物领域的研究已经不再适用，不过超分子化学已经开始了分子之间相互作用及其所形成的体系的研究，这是一个好的现象。

可能是自然界中最复杂的生物体系，还有许多等待化学家去研究和挑战的新课题，譬如：生物分子是如何实现自我复制的？这个自我复制的过程又是由什么来调控的，非生命体内的物质，比如说无机物能否实现类似的自我复制？凡是生物都有生老病死，那么生物体衰老、患病、退化以至于死亡的机理又是什么？目前通常认为自由基对生物大分子的不可修复的损伤和破坏是造成衰老患病的原因，这里又涉及到极短和极宽时间域的研究，自由基对大分子的破坏是很快完成的，而由此引发的一系列后续反应则历时很长的时间甚至于贯穿生物体的一生直至其死亡为止。这里需要物理化学家、生物化学家和有机化学家共同的努力来阐明之一过程的本质和机理。延长寿命和提高健康水平是每个人都希望的，这方面如果能获得重大的突破，必将强烈震撼人类社会并进而引起一系列的变革。

四．结束语

在21 世纪的今天，表面看来化学似乎被排挤到一个边缘学科的地位而免领着被误解和冷落的危机，以至于近年来在全世界范围内出现了淡化化学学科的思潮。毋庸置疑化学即使不是已经陷入一场危机，起码也可以说这场危机已经迫在眉睫。有危机是一件好事，它揭示了我们工作中所存在的一系列问题，引起我们的反思并付诸实践去扭转当前的这种局面，也标志着一场大发展的契机正在到来。化学决不会像有些人所认为的那样正在被肢解和消亡，相反它将在一场大变革之后证明自己作为“中心学科”的地位。前人们已经为我们留下了坚实的基础，（虽然也有些不足之处等待弥补）我们需要的是在此基础上开辟新的道路并坚定地走下去，以证明我们无愧于前人的期待。最后我要说的是：尽管在前面的篇章里我强调了化学在理论和合成技巧方面所存在的诸多改进的地方，但这并不意味着否定前人的努力结果。请允许我在这篇论文的结尾，向伟大的Emil Fischer ，传奇的R. B. Woodward ，不朽的Linus Pauling 以及其他千千万万化学家们表示崇高的敬意。