当今化学的危机与发展前景

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