——中國科學(xué)院院士、中國化學(xué)會理事長姚建年一席談
 
 
 

    
      編者按 化學(xué)在支持人類科技進步與美好生活方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。不管是過去、現(xiàn)在，還是未來，莫不如此。神奇的化學(xué)在人類日常生活和社會發(fā)展中已經(jīng)作出了什么樣的貢獻？化學(xué)小故事為您娓娓道來。面對人類共同面臨的能源、資源和環(huán)境等重大挑戰(zhàn)，化學(xué)能發(fā)揮什么作用？中國科學(xué)院院士為讀者進行詳盡講解。本期《國際化學(xué)年專輯》主題：直面未來挑戰(zhàn)

    化學(xué)為人類文明和社會發(fā)展作出了重要貢獻。21世紀(jì)，人口增長、資源短缺、生態(tài)環(huán)境破壞已成為人類共同面臨的三大挑戰(zhàn)，非常肯定的是，在挑戰(zhàn)面前，化學(xué)依然將發(fā)揮其不可替代的作用。精準(zhǔn)化合成是值得我們進一步探討的應(yīng)對方式之一。

    提高生命質(zhì)量

    當(dāng)今社會，人們的衣食住行、生命、健康、環(huán)境等等都和化學(xué)密切相關(guān)?；瘜W(xué)的作用體現(xiàn)在人類生活的各個領(lǐng)域，沒有化學(xué)的世界難以想象。

    聯(lián)合國人口司近日發(fā)布報告，今年下半年地球人口將達(dá)到70億。到2050年，地球總?cè)藬?shù)將達(dá)80億～105億。

    要養(yǎng)活越來越多的人口，必須生產(chǎn)出足夠的糧食。當(dāng)前糧食、蔬菜供應(yīng)1/3是化學(xué)肥料和農(nóng)藥的貢獻。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計，化肥對農(nóng)作物增產(chǎn)的作用占40％～60％。

    不可否認(rèn)，農(nóng)藥和化肥的長期大量使用，已經(jīng)給環(huán)境、生物安全和人體健康帶來了不利影響，如何最大程度地消除化學(xué)的負(fù)面作用成為化學(xué)家不容回避的問題。但這既是化學(xué)的挑戰(zhàn)，也是化學(xué)的機遇。化學(xué)家在這方面已經(jīng)做了大量研究工作。農(nóng)藥已經(jīng)由過去的殺生、高毒、廣譜向著控制、低毒、選擇性發(fā)展，緩釋肥、控釋肥等新型肥料正在得到推廣應(yīng)用。

    如果說農(nóng)藥和化肥只是幫助人類解決“吃飽”問題，化學(xué)合成藥物則是讓人類生活得更健康、更長壽。20世紀(jì)，青霉素、鏈霉素及磺胺等一系列人工合成藥物的發(fā)明及應(yīng)用，挽救了無數(shù)人的生命，宣告了合成藥物時代的來臨。當(dāng)下，化學(xué)和生命科學(xué)緊密結(jié)合、相互促進，并借助信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，使藥物的化學(xué)合成更具針對性，更加有效，這也是今后藥物合成的大趨勢。

    引領(lǐng)可持續(xù)發(fā)展

    能源短缺問題不容回避，化石能源和生物質(zhì)資源是大自然對人類的最大饋贈。但化石類能源終是有限資源，人類也正在面臨資源枯竭的威脅，這勢必與人類追求先進文明產(chǎn)生矛盾，由此引發(fā)的全球沖突也越來越頻繁。

    社會的可持續(xù)發(fā)展要求人們從依賴有限的礦物儲備轉(zhuǎn)變?yōu)閷ふ液褪褂每沙掷m(xù)、可替代資源，這也是化學(xué)和化學(xué)家的使命。現(xiàn)在，世界上許多化學(xué)家正致力于研究新的可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)，以期實現(xiàn)太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、氫能等新的可持續(xù)能源的充分利用。

    環(huán)境污染已成為全球共性問題。從上世紀(jì)90年代開始，綠色化學(xué)和可持續(xù)化學(xué)的概念被化學(xué)家們提出并被廣泛接受，其核心理念就是在合成過程中提高反應(yīng)的效率和選擇性，主要包括對反應(yīng)的原子經(jīng)濟性、步驟經(jīng)濟性以及反應(yīng)精準(zhǔn)性的要求。綠色化學(xué)旨在從物質(zhì)產(chǎn)生的源頭控制廢物的產(chǎn)生，減少對環(huán)境的污染，以無害、可持續(xù)的方式滿足人類對能源、材料和水的需求。

    精準(zhǔn)締造完美未來

    化學(xué)如何才能承擔(dān)起社會可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任？要想從根本解決這些問題，需要什么長久、有效的方法？這些問題值得大家深思?；瘜W(xué)通過化學(xué)鍵的剪裁和重組，創(chuàng)造和構(gòu)建了一個全新的物質(zhì)世界。但化學(xué)“雙刃劍”的副作用不容忽視。隨著社會的發(fā)展，人們對化學(xué)提出了更加嚴(yán)格，甚至近乎苛刻的要求，力求實現(xiàn)高效、精確、低污染甚至零污染的合成。如今，資源有效利用、生態(tài)環(huán)境友好和社會可持續(xù)發(fā)展的綠色理念已經(jīng)深刻影響了化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。未來，化學(xué)只有走向精準(zhǔn)化，才能最終解決人類社會發(fā)展與所面臨挑戰(zhàn)之間的現(xiàn)實問題。聯(lián)合國將2011年定為“國際化學(xué)年”，也充分說明了國際上對化學(xué)發(fā)展的重視和尋求解決問題新渠道的決心。

    精準(zhǔn)化要求化學(xué)合成在選擇性控制上更加精準(zhǔn)?，F(xiàn)代合成對化學(xué)家的要求不再只是拿到目標(biāo)分子，還要更加注重反應(yīng)效率。美國著名有機化學(xué)家Barry M. Trost 1991年提出了原子經(jīng)濟性的概念，就是要讓原料100％轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。這種通過精準(zhǔn)控制來實現(xiàn)目標(biāo)化合物的定向合成的方式，可以從根源上減少由化學(xué)產(chǎn)生的污染。

    精準(zhǔn)化已經(jīng)成為一種趨勢。2000年以來，有3次諾貝爾化學(xué)獎頒給了合成化學(xué)，這三個獲獎成果的創(chuàng)新性都體現(xiàn)出了高效控制和精準(zhǔn)合成。此外，這三屆諾貝爾獎成果實現(xiàn)了原來從理論上認(rèn)為不可能，或者是很難發(fā)生的化學(xué)過程，而這些方法在藥物、材料等不同的領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。

    此外，研究人員還在探索將單分子和單原子直接“拼成”想要的產(chǎn)品。迄今為止，通過該方法實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)僅限于幾種簡單的小分子反應(yīng)，要使它成為化學(xué)家控制化學(xué)反應(yīng)的有效工具，還有待進一步發(fā)展和突破。

    精準(zhǔn)化學(xué)未來在促進人類與自然和諧共處、提高人民生活質(zhì)量等方面將會有更加極致的表現(xiàn)。

能源、環(huán)境和資源的挑戰(zhàn)，讓以化學(xué)成果為重要支撐的電動車輛成為國際汽車業(yè)發(fā)展的熱點。“十一五”期間，我國燃料電池、動力電池、驅(qū)動電機等電動汽車關(guān)鍵零部件的技術(shù)水平達(dá)到國際先進水平，高性能鋰離子動力電池得到了規(guī)模化應(yīng)用，燃料電池關(guān)鍵性能顯著提升。左圖為3月8～14日在北京舉行的“十一五”國家重大科技成就展上展出的電動汽車和充電站。  （本報記者 張育 攝）