百科聚焦
作者：丁奎嶺 黃少胥
2011年被聯合國大會確定為“國際化學年”，以紀念化學學科所取得的成就以及對人類文明的貢獻。正如2001年度諾貝爾化學獎獲得者野依良治所指出的：“化學是現代科學的中心，而合成化學則是化學的中心。”100多年來，合成化學為社會進步做出了巨大貢獻，合成物質和合成材料極大地影響和改變了人類的生活。此篇文章為中科院有機化學研究所丁奎嶺研究員所撰寫（原文發表在《中國科學院院刊》，本刊略有刪節），它為“化學—我們的生活，我們的未來”這一國際化學年的主題做了最好的注釋。
世界是由物質組成的，化學的研究對象是物質世界，因此化學是人類認識和改造物質世界的主要方法和手段之一。物質的獲取除了來自天然以外，人工合成是更為重要的途徑。
合成化學區別於其他學科的最顯著特點就在於它具有強大的創造力。合成化學不僅可以製造出自然界業已存在的物質，還可以創造出具有理想性質和功能的、自然界中不存在的新物質。目前已知結構的無機和有機化合物高達5000多萬種，反映出合成化學在創造新物質方麵的強大生命力和無限創造力。從早期的染料、醫藥、農藥，到石油利用，以及近期的芯片製造、高性能材料等，無一不同合成化學有關。2008年度國家最高科學技術獎獲得者徐光憲院士曾經列舉20世紀六大發明與技術，包括信息技術、生物技術、核科學與核武器技術、航空航天與導彈技術、激光技術、納米技術，並指出這些領域的進步都無一例外地需依靠化學手段來合成新的材料，如果沒有化學合成技術，上述六大發明與技術根本無法實現。退一步講，如果缺少上述技術的某一個，人類尚可生存，但如果沒有合成氨、合成農藥的發明，維持當今世界70億人口生存的糧食就成了嚴重問題；如果沒有合成各種抗生素和大量新藥物技術的發明，人類的壽命和健康就不可能達到現在的水平；如果沒有合成化學提供的各種新材料如合成纖維、合成塑料、合成橡膠等，達到今天這樣的生活水平是難以想象的。
合成化學：人類健康的守護神
合成化學是新藥發現的主要動力和藥物製造工業技術進步的源頭。在過去的100多年中，特別是20世紀50年代以後，人類的平均壽命和健康水平得到了空前的提高。這一巨大進步很大程度上歸功於合成藥物的發展，其中最為重要的當屬抗菌劑和抗生素的開發。直到20世紀初，由病原微生物引起的炎症和傳染病仍是人類健康的巨大威脅，當時醫生對於流行腦膜炎、肺炎、敗血症等這些現在已經十分普通的病症束手無策，甚至人們可能僅僅因一次感染而死亡。
19世紀後半葉，在英國化學家珀金合成的苯胺類染料的基礎上，德國細菌學家郭霍嚐試用這些染料對細菌進行染色，成功創建了細菌染色法，大大促進了微生物學的發展。同時，科學家在用染料對細菌進行染色的試驗過程中，觀察到某些合成染料有一定的殺菌作用。1932年，德國生物化學家杜馬克在試驗過程中發現，一種被稱為“百浪多息”的紅色的偶氮類染料對於感染溶血性鏈球菌的小白鼠以及兔、狗等都具有很好的療效，並以此染料挽救了身患鏈球菌敗血病的女兒。一個人工合成抗感染疾病化學治療藥物的新紀元由此開啟。科學家通過對這一藥物作用機理的進一步研究發現，百浪多息的殺菌作用實際上是其在體內發生降解所生成的4-氨基苯磺酰胺（也就是我們熟知的“磺胺”）產生的。磺胺比百浪多息容易合成且價格更為低廉，作為二戰前唯一有效的抗菌藥物，它挽救了無數人的生命。杜馬克也因此獲得了1939年的諾貝爾生理學或醫學獎。在磺胺的啟發下，化學家們又合成了無數的磺胺類似物，並通過研究磺胺類藥物的化學結構和抑菌作用的關係，從中尋找更為強效、更為廣譜的抗菌劑。現在，已經有20多種磺胺類的藥物在市場上銷售。
磺胺藥物隻是全世界目前正在使用中的成千上萬種化學合成藥物中的一員。但是僅從磺胺的發展曆程中便可以窺見化學合成所起的巨大作用：不論是最早合成的、與抗菌似乎關係不大的染料，還是基於磺胺改造獲得的更為強效的磺胺類藥物，都拜合成化學所賜。可以想象，沒有合成化學，像磺胺這樣現在看來再平常不過的抗菌劑根本不可能被發現，更不用說那些結構複雜、利用不斷發展完善的化學合成技術獲得的、過去很難或者不可能合成的化學藥物。
類似青黴素這樣的抗生素藥物，曾經挽救了無數的生命，但目前的問題是，隨著微生物耐藥性的增加，抗生素的使用壽命已愈來愈短。而且，由於細菌抗藥性的發展，現在青黴素的給藥劑量已經比60年前增加了數十萬倍。然而，從天然來源發現新結構類型、效果更好的抗生素越來越困難。但合成化學家運用化學合成方法，在青黴素的基礎上，通過結構修飾創造出了更多的、效果更好的抗生素係列，比如我們熟知的阿莫西林這樣一類“西林”類的抗生素，有效地解決了這一問題。
2009年，全球前200個銷售額最大的藥物中，至少有140種是化學合成藥物，這還不包括那些半合成的化學藥物。醫學和藥物的發展使得人類的平均壽命延長，使人類不再因為小小的咽喉發炎而斃命，不再需要忍受肌肉酸痛，使癌症病人的生命得以延長甚至獲得治愈，使HIV感染者有尊嚴地生活……盡管合成藥物已經為人類的健康做出了卓越的貢獻，但未來仍麵臨巨大的挑戰。到目前為止，我們還沒有找到普適的藥物來治療日益嚴重的癌症、阿爾茨海默氏症（老年癡呆症）、心髒病、人免疫缺陷病毒（艾滋病）、糖尿病……在相當長的一段時間內，化學合成藥物仍然是當今世界各大製藥公司新藥研究的主題。隨著合成化學技術的不斷發展與進步，藥物合成的速度在不斷地升級；藥理學等相關學科的發展以及計算化學的發展又為合理的藥物設計奠定了堅實的基礎；隨著分子生物學的迅猛發展以及人類基因組的測序完成，越來越多的新的生理機製、藥物可能的作用靶點被發現，為化學合成藥物的發展提供了更為廣闊的平台。因此，合成化學仍將是新藥發現的主要動力和藥物製造工業技術進步的源頭。