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。

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。

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）