合成化學(xué)：材料科學(xué)的支柱
　　
　　從人類文明的早期開始，人們就懂得利用鐵礦石、銅礦石和木炭一起加熱制得鐵和銅，用來制造各式的鐵器和銅器。這些單質(zhì)狀態(tài)的金屬在自然界是極少存在的，通常都需要化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行制備，這大概便是合成化學(xué)的開端。
　　人類歷史上第一種完全人工合成的塑料是在1909年由美國(guó)科學(xué)家貝克蘭用苯酚和甲醛制造的酚醛樹脂，又稱貝克蘭塑料。1920年，德國(guó)化學(xué)家施陶丁格提出由簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元以重復(fù)鏈接的方式形成高分子化合物的概念，這一創(chuàng)新性的研究為高分子合成材料的出現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)，他也因此獲得了1953年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1935年，以繭絲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，美國(guó)化學(xué)家卡羅瑟斯首次成功地合成了尼龍66，這一發(fā)明促進(jìn)了有機(jī)高分子合成化學(xué)的發(fā)展。20世紀(jì)40年代乙烯類單體的自由基的發(fā)現(xiàn)引發(fā)聚合合成反應(yīng)迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了包括氯乙烯、聚苯乙烯和有機(jī)玻璃等的工業(yè)化生產(chǎn)，這是合成高分子蓬勃發(fā)展的時(shí)期。
　　在第一次世界大戰(zhàn)期間，迫于橡膠缺乏，德國(guó)人采用二甲基丁二烯聚合合成了甲基橡膠。1930年德國(guó)和前蘇聯(lián)以丁二烯作為單體，金屬鈉作為催化劑，合成了丁鈉橡膠。而丁二烯與苯乙烯共聚則可以得到丁苯橡膠，它的性質(zhì)與天然橡膠相似。事實(shí)上，在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)軍隊(duì)就是因?yàn)橛卸”较鹉z，橡膠供應(yīng)才沒有出現(xiàn)嚴(yán)重短缺。美國(guó)在戰(zhàn)后大力研究合成橡膠，首先合成了氯丁橡膠，氯原子使氯丁橡膠具有天然橡膠所不具備的一些抗腐蝕性能。
　　進(jìn)入20世紀(jì)50年代，利用從石油裂解而得到的烯烴（主要包括乙烯與丙烯），德國(guó)人齊格勒與意大利人納塔分別發(fā)明用金屬絡(luò)合催化劑合成低壓聚乙烯與聚丙烯的方法，兩者分別于1952年和1957年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，這是高分子合成化學(xué)的歷史性突破，他們因此獲得1963年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
　　20世紀(jì)60年代，由于登月工程的需求驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致了可作為太空服原材料、航天飛機(jī)高溫黏合劑以及超音速飛機(jī)的復(fù)合材料等耐高溫合成材料的誕生。杜邦公司20世紀(jì)40年代發(fā)明的特氟龍PTFE（聚四氟乙烯）是另一類性能優(yōu)異的合成材料，具有耐酸堿、耐高溫、極低的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性以及極好的化學(xué)穩(wěn)定性，是原子能、國(guó)防、航天、電子、化工、紡織等領(lǐng)域不可取代的關(guān)鍵產(chǎn)品?？茖W(xué)家還合成了很多其他有機(jī)高分子材料，如涂料、黏合劑、離子交換樹脂等等，并制成了很多新的產(chǎn)品。在離子交換樹脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來的離子交換膜，在淡化海水、人造腎、藥物的定時(shí)釋放等方面都起著很重要的作用。
　　無機(jī)合成化學(xué)為廣泛應(yīng)用的新型無機(jī)材料，如耐高溫、耐高壓、耐低溫、光學(xué)、電學(xué)、磁性、超導(dǎo)、儲(chǔ)能與能量轉(zhuǎn)換以及納米材料的發(fā)展開辟了廣闊的天地，一些無機(jī)材料的發(fā)展還推動(dòng)了催化領(lǐng)域（如石油煉制、精細(xì)化工等）的進(jìn)步。近幾十年來，一系列重量輕、強(qiáng)度高、耐熱性能好的無機(jī)纖維，如硼纖維、碳纖維等，以及氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等耐高溫材料的成功合成，為航空、航天技術(shù)的發(fā)展起到了重要推動(dòng)作用。例如在波音787夢(mèng)幻飛機(jī)上，由于大面積使用了碳纖維復(fù)合材料而大大減輕了飛機(jī)重量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)身制造使用的碳纖維重量占波音787重量的61％，占全機(jī)80％體積的構(gòu)件均為碳纖維復(fù)合材料；同樣，在空客A380的制造中，也大量使用了合成材料，飛機(jī)約25％由高級(jí)減重材料制造，其中22％為碳纖維復(fù)合材料，使得A380每乘客百公里油耗不到3升，相當(dāng)于一輛經(jīng)濟(jì)型家用汽車的油耗。
　　當(dāng)今最主要的三大合成材料—合成塑料、合成纖維和合成橡膠，它們均主要以石油、天然氣或煤等為原料，全球年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)億噸。當(dāng)然，今天倡導(dǎo)的可再生原料的應(yīng)用也離不開合成化學(xué)。這些材料在工農(nóng)業(yè)、國(guó)防以及人民生活等方面正發(fā)揮著巨大的作用。設(shè)想如果沒有這些材料，我們今天的生活顯然是無法想像的。事實(shí)上，這些合成材料的發(fā)明徹底改變了人類的生活方式。
　　
　　合成化學(xué)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
　　
　　合成化學(xué)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)從小分子到大分子、從單分子基元到超分子體系的構(gòu)筑，通過選擇性的控制，創(chuàng)造出具有理想性質(zhì)和功能的新物質(zhì)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，10年中已有4次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予合成化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家，反映了這一領(lǐng)域的巨大創(chuàng)造力和活力以及對(duì)科學(xué)和人類社會(huì)的貢獻(xiàn)。盡管合成化學(xué)已經(jīng)達(dá)到了空前的成熟水平，但基于當(dāng)今人類面臨的諸如健康、糧食、資源、能源、材料、環(huán)境和氣候等重大問題的情況下，合成化學(xué)的發(fā)展前景將更為廣闊，并將繼續(xù)在諸多領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。
　　2001年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主野依良治教授指出：未來的合成化學(xué)必須是經(jīng)濟(jì)的、安全的、環(huán)境友好的以及節(jié)省資源和能源的化學(xué)，化學(xué)家需要為實(shí)現(xiàn)“完美的反應(yīng)化學(xué)”而努力，即以100％的選擇性和100％的收率只生成需要的產(chǎn)物而沒有廢物產(chǎn)生。因此，如何通過對(duì)化學(xué)鍵的選擇性活化、斷裂與可控性重組，通過弱相互作用的調(diào)節(jié)精確組裝功能超分子體系，實(shí)現(xiàn)以100％產(chǎn)率和100％選擇性對(duì)特定功能物質(zhì)和結(jié)構(gòu)體系低耗、安全、經(jīng)濟(jì)與綠色合成，是合成化學(xué)領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)。
　　無論現(xiàn)在還是未來，合成化學(xué)的另一明確方向是不斷與其他領(lǐng)域交叉與融合，以產(chǎn)生更多的跨學(xué)科新領(lǐng)域，從這個(gè)角度而言，合成化學(xué)需要極高水平的科學(xué)創(chuàng)造力和洞察力，以探索其無限的可能性。2001年度另一位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)人夏普萊斯提出了“點(diǎn)擊化學(xué)”（Click Chemistry）的概念，強(qiáng)調(diào)合成反應(yīng)必須具有高產(chǎn)率、高選擇性以及對(duì)各種官能團(tuán)和反應(yīng)條件優(yōu)異的耐受性，這一概念的提出為生命科學(xué)、材料科學(xué)領(lǐng)域提供了全新的理念、方法和物質(zhì)基礎(chǔ)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于藥物、新材料開發(fā)和分子生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)等諸多研究領(lǐng)域，成為目前最實(shí)用和引人注目的合成理念之一。
　　未來的合成化學(xué)將針對(duì)合成對(duì)象和合成過程的可控、高效、低能耗、低排放、高選擇性等要求，面向生命科學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域?qū)π挛镔|(zhì)、新材料和新器件的需求，研究功能導(dǎo)向新物質(zhì)的設(shè)計(jì)理論、反應(yīng)過程、合成與組裝方法學(xué)；探討合成反應(yīng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的機(jī)理與本質(zhì)規(guī)律；借鑒生命體系的生物合成和演化過程，結(jié)合物理、材料科學(xué)等學(xué)科的研究手段和技術(shù)，發(fā)展新的合成策略，以滿足在分子設(shè)計(jì)指導(dǎo)下定向合成各種特定結(jié)構(gòu)和特定功能化合物及其組裝體的需求。
　　
　　合成化學(xué)：讓未來更美好
　　
　　在過去的100多年里，合成化學(xué)為人類社會(huì)的進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)：合成化學(xué)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展、解決70億人生存問題發(fā)揮了不可替代的作用；合成化學(xué)制造的藥物使人類的健康水平得到空前提高；合成化學(xué)創(chuàng)造的各種新材料徹底改變了人類的生活方式；合成化學(xué)還為探索生命科學(xué)的奧秘提供了重要方法和物質(zhì)基礎(chǔ)。合成化學(xué)家不斷創(chuàng)造出的合成新方法、對(duì)于化學(xué)機(jī)理的不斷明晰使人類可以“馳騁”在整個(gè)元素周期系中，不斷創(chuàng)造出新的物質(zhì)，這一過程大大增加了人類在認(rèn)識(shí)自然和改造自然中的能動(dòng)性，并創(chuàng)造出了新的生產(chǎn)、生活方式。我們現(xiàn)在已經(jīng)可以很好地利用自然界諸如石油和煤這樣簡(jiǎn)單、豐富的天然資源，創(chuàng)造出一系列復(fù)雜的、更具價(jià)值的物質(zhì)。在不久的將來，我們將能設(shè)計(jì)、制造出更多具備各種性能、滿足人類需求的物質(zhì)。
　　當(dāng)今，人們?cè)谙硎芑瘜W(xué)為社會(huì)帶來的物質(zhì)財(cái)富和豐富多彩的生活時(shí)，很少會(huì)想到化學(xué)所發(fā)揮的作用，甚至在公眾的心目中，化學(xué)反而站在了“綠色”、“環(huán)?！钡膶?duì)立面，傳媒所注重的也常常是一些化學(xué)所產(chǎn)生的危害。對(duì)此，科學(xué)界一方面要加強(qiáng)科普力度，消除公眾對(duì)化學(xué)科學(xué)的誤解，另一方面，也要極大地關(guān)注科學(xué)發(fā)展的“雙刃劍”效應(yīng)，將合成化學(xué)發(fā)展與社會(huì)效益緊密地聯(lián)系在一起。
　　綠色化學(xué)已經(jīng)成為未來合成化學(xué)的核心理念，其宗旨在于從根本和源頭上最大限度地減少對(duì)人類造成的危害，這種“綠色化學(xué)”的理念在為經(jīng)濟(jì)帶來繁榮的同時(shí)也承擔(dān)了社會(huì)責(zé)任。綠色化學(xué)并不是一個(gè)單純的口號(hào)，它是合成化學(xué)研究不可或缺的原則。基于這樣的目標(biāo)，合成反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性應(yīng)予以高度重視，催化劑應(yīng)使反應(yīng)過程更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)境友好，應(yīng)更強(qiáng)調(diào)資源的3R（即減量、回收和再利用）。要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，除了需要建立和不斷完善相關(guān)法律、法規(guī)，加大宣傳和執(zhí)法力度，提高全民、全社會(huì)的環(huán)境保護(hù)意識(shí)外，合成化學(xué)家承擔(dān)著更重大的責(zé)任。“解鈴還需系鈴人”，由化學(xué)而產(chǎn)生的問題應(yīng)該由化學(xué)來解決。要解決這些問題，既要重視技術(shù)的改良與進(jìn)步，更要重視解決基本科學(xué)問題，提出新的概念、發(fā)現(xiàn)新的方法，并靈活運(yùn)用其基本原理。我們必須認(rèn)識(shí)到化學(xué)在未來世界中的重要作用，重視化學(xué)這一基礎(chǔ)學(xué)科。要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)潔凈的世界、一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)，在很大程度上要靠全社會(huì)共同努力來實(shí)現(xiàn)。相信合成化學(xué)一定能夠?yàn)槲覀兠魈旄篮玫纳畎l(fā)揮其無限的創(chuàng)造力，做出新的、更大的貢獻(xiàn)！
　　【責(zé)任編輯】龐 云