世纪化学学科发展的方向

第七节　21世纪化学学科发展的方向

预计21世纪科学发展的特点是各学科纵横交叉解决实际问题。即化学学科的自身继续发展和与相关学科融合发展相结合；化学学科内部的传统分支继续发展和整体发展相结合；研究科学基本问题与解决实际问题相结合。应该说，科学的发展常常出现预期不到的突破，但是又有可能从当前的发展动向及解决当前问题的可行性展望较近期的发展。

一、寻求结构多样性的研究与功能研究结合

面对日益增长的市场对各种功能分子和材料的需要，合成化学在研究内容、目标和思路上也要有较大的改变。未来从事合成化学工作的人要能够根据需要和可能设计、合成新结构。20世纪末的发展还说明，未来的合成化学不仅研究合成分子的结构，也要研究构筑分子以上的高级结构。在未来一段时期，随着各个领域对各种功能的分子和材料的需求迅速增加，合成化学将要开拓若干新领域。

①寻求结构复杂和多样的目标结构应该包含高级结构。因此合成化学既研究传统的分子合成化学，也应研究高级结构，特别是高级有序结构的构筑学。高级结构是以分子间弱相互作用为基础的。因此，与以合成分子为目的的合成化学不同，由于高级结构是由结构单元分子组装成的，有时也可能在合成分子的时候，由生成的分子自然组装成的。这两方面的研究都有广阔的发展前景。

②组合化学是基于与传统合成思路相反的反向思维，加上固相合成技术，并受生物学大规模平行操作启发而产生的。它一开始就在筛选药物方面显示了潜在力量。现在已经又发展了液相方法，并且推广到肽和核苷酸以外的有机和无机化合物。我们不应把组合化学仅仅看作是一种技术，而应该看到以它为基础的生长点。

③发现和寻找新合成方法是永久课题。目前，除了研究寻找新合成反应和方法（包括以一定手性或类手性、对称性和构象为目标的反应和方法）外，重要的是为可持续发展提供新反应、新路线，寻找现在使用的化学品的安全替代物。此外，基于结构/功能关系设计/合成新功能分子或功能材料；基于分子或合成子组装的合成、构筑高级结构的研究，包括控制大分子缠绕、折叠和有序聚集研究（多层次）；基于模拟生物材料形成过程的合成方法研究等将得到进一步发展。

④结构化学与合成化学结合是未来化学发展的必然趋势。C₆₀是从实验结果中偶然发现的。出自意外总是偶然的。在发现之后，人们又觉得它的存在是合理的，应该可以预计的。是否可能将合成化学与结构化学结合增加合成前的设计和预测是我们值得思考的又一个问题。

二、加强复杂化学体系的研究

化学界最早涉及复杂性的研究的可以举出三个里程碑工作：化学震荡的时空表现的机理研究，非平衡态热力学，Williams提出的解释生物大分子和细胞参与化学过程的模型。这些工作说明一点，化学过程的宏观与微观复杂性都可以通过实验做定量研究，并用化学理论加以解释。这包括对系统、结构、过程和状态四个方面的复杂性研究。从系统来说，复杂性具有多组分、多反应和多物种的特征；结构复杂性的特征主要是多层次的有序高级结构；而过程的复杂性指复杂系统参与化学反应时所表现的过程。复杂过程由时空有序的受控的一系列事件构成；状态变化的复杂性又是过程复杂性的表现。这些特点在生物和无生物系统中广泛存在，在工农业生产和医疗、环境等领域中也无处不在。研究复杂系统的化学过程有普遍意义。在这里要加强对化学中的尺度效应和多尺度化学过程的研究，复杂体系的多层次结构研究。复杂体系的多层次结构研究含实验和理论研究，包括表面结构、内结构、形状、斑纹等与性能的关系，分子聚集体和凝聚态以及生物体系的高级结构形成与功能的关系，复杂过程的跟踪分析，过程理论研究，多反应过程动力学解析等。

三、重视化学信息学和高效计算机信息处理在化学中的应用

功能分子的信息经过两百多年的积累，特别是20世纪后期合成化学的大发展，已经被大量收集。包括他们的合成、结构、性质等，现在还以越来越快的速度合成出新化合物。许多工作仅为创造新分子或新结构，无意于它们的实际用途。也有些虽然考察过某种性质，但是可能当时漏掉另一些重要性质。况且，当我们总结结构与功能的关系时，需要一系列功能表现有差别的有关化合物的资料，哪怕是没有实际用处的化合物。因此，我们越来越需要结构－性质－功能的资料。另外，经过长期积累，堆起了一座各种各样的物质的信息的大山。它是埋藏着大量宝藏的知识资源。而且这座大山还在以极快的速度增加。可是当我们需要寻找具有某种功能的化合物时，又去合成各种各样的化合物以供筛选。因此，我们应该意识到从这座信息大山中可以发现有用的物质。是重新合成、分离、筛选好，还是从已有信息中寻找好，这要看信息处理的理论和方法。今天，信息技术包括计算机的智能化，给我们带来了从信息大山中快速挖掘功能化合物和解决问题的基本数据的可能性。

与生物衔接的化学信息学是化学信息学的重要组成部分，生命科学正处在高潮到来的前夕，其契机有二：①蛋白质结构库用以在计算机上对小分子进行对接进行筛选，这是计算机辅助药物设计的核心；②基因组的测定和基因库的建立是20世纪生命科学发展的里程碑，它给医药学、农牧业、带来了新的希望。因此，国际普遍重视围绕基因和基因表达的信息库和信息处理。在这方面，化学工作如何起作用？有没有需要化学解决的问题是值得思考的问题。

与化学反应和化学过程衔接的化学信息学近年来开始受到人们的重视。化学反应以及化学过程的热力学和动力学信息库包括范围很广。除去基本化学反应之外，应该包括诸如在土壤、大气、水体、生物体内的反应资料。比如环境物质及其反应的信息库是研究物质在环境中的来源、去向、停留时间的基本数据。化工过程的计算机模拟和仿真都要这些资料。

四、新实验方法的建立和方法学研究

测试和分析是人们获得各种物质的化学组成和结构信息的必要手段。它渗透到化学的各个学科，并对环境科学、材料科学、生命科学、能源、医疗卫生的发展具有十分重要的作用。从现在学科发展趋势和实际应用看，研究复杂体系的结构和变化过程需要方法。如生命体系和生态环境体系在结构上是非常复杂的，而且结构和性质的变化也是复杂的。因此首先要发展新的研究思路、研究方法以及相关技术，以便从各个层次研究分子的结构、性质和变化。当今国际上科学研究的领先权，在很大程度上取决于研究方法和研究手段的先进程度。著名的人类基因组计划，就是首先重视了方法学，尤其是DNA高速测序方法的发展，才走上了成功之路。在生态环境中往往有种类繁多、形态复杂、性质各异、含量极微的化学物质或活性化合物，这些化合物的相互作用错综复杂，既有线性变化，也有非线性变化，或介乎于线性与非线性之间的变化；既有化学变化，也有生物变化。要对这些微乎其微物质的组成和含量进行分析和检测，要对其复杂的结构或形态、生物活性及其动态变化过程等进行有效和灵敏的追踪或监测，就必须充分利用并大力发展现代分析科学方法和检测技术。为此，应该注意建立时间、空间（能够分辨作用位点和变化位点）的动态、原位、实时跟踪监测技术。要发展研究各层次结构和各个尺度的物质的物理化学特性的测试技术。为了适应各种复杂混合物（如中药复方、天然水、食物、生物材料等）成分分析的需要，今后要研究分离/活性检测联机技术，以实现高效高选择性的分离、高灵敏度分析鉴定和结构分析与功能筛选一体化的技术。研究复杂系统的真实情况不能单单靠分析测定的方法和仪器，必须充分注意总结和建立新分析原理，特别是建立自己的方法学。

化学分析仪器的小型化、微型化及智能化也是应该注意的方向。例如，目前刚刚发展的微流动分析技术可以与集成电路连接，用于活体及活细胞对外来物质应答的测定及毒素和细菌检测。它在快速筛选和生物测定方面有很大用处，特别是和组合化学连接起来。

化学还应该建立方法和仪器去研究微小尺寸复杂系统中的化学过程（如扫描显微技术），也要积极引进生物学和物理学方法为我所用。例如用流式细胞计、共聚焦显微技术等都可以用来在细胞层次研究化学反应过程。

五、跟踪、分析、模拟化学反应过程

化学有三个基本武器：用分析手段测定物质的组成和结构，用合成手段制造物质，用对化学过程的认识去控制化学过程。在生活、生产、环境、气象等现实问题中，化学过程随时随地的会遇到过程问题。化学反应过程也是人类与环境相互作用的基础。

目前，现代科学技术的发展使我们有可能阐明基元化学反应的全过程，包括介于反应物与生成物之间的不稳定结构排列。化学将会利用现代科学技术手段揭示化学变化的瞬态面貌，及时地观察最快的化学反应过程和其中的各种效应，阐明决定化学反应速度的各种因素和各种反应机理。对于实验结果的理论处理能够在最接近实际的水平（态－态）上考察化学变化，追踪分子内和分子间的能量转移，最终建立和构造出基元反应的真实历程。

但是更多的过程是相对慢的过程，而且在真实系统和实际问题中有可能极快的反应和极慢的过程互为因果或互相牵制。这在生命系统和环境系统中是不可回避的现象。小到细胞大到环境，都会遇到因为瞬间的突变（物质的和能量的）引起的极快的反应，这些第一批反应经过传递、放大引起了更多的慢反应，反应之间的交错构成一个即使在引发因子早已不存在之后相当长时间内继续进行的极慢过程。建筑工程与环境物质与能量的相互作用导致的腐蚀和损坏也是一个极慢的过程。但是其中每分每秒都在进行着快反应。这些现象中出现的事件都是以化学反应为基础的，以反应间的相互作用为基本特征的。随着人们对自然科学规律认识的不断发展，在揭示化学事件的产生和相互作用方面正朝着更加接近实际的方向发展。

以上我们只能讨论今后较短期间的化学发展趋势和战略。或许在10～20年后，还有新的发现、新的技术和新的问题使我们重新考虑化学学科发展方向和战略问题。正如一首诗中所说的：“满眼生机转化钧，天工人巧日争新；预支五百年新意，到了千年又觉陈”。