主题：新世纪化学发展战略思考！［转自《中国基础科学》］(可下载)

1．化学界目前存在的困惑剖析
  浸沉在20 世纪化学所创造的辉煌之中的化学家自信在合成制备新分子新材料、控制反应过程以及获取物质的组成结构信息和构-性-效关系方面有无限的的潜力。但是，就在化学家继续抱着创造新物质、新材料为人类生存和生存质量的提高作出新的贡献的时候，他们却感觉化学的作用和地位似乎被淡化了。似乎化学从认识、控制和改变客观世界的核心科学以及引导其他学科前进的牵头学科退后了，这就是化学界目前存在的困惑[3]。这里有客观和主观两方面的原因。
  从客观上讲，首先是化学学科和技术的进步使一部分化学研究方法自动化、计算机化。各种合成仪和分析用结构测定用的仪器以及各种计算机软件的出现使人误认为分析与合成化学这两大手段已经不是科学而是技术了。其次，19世纪末、20世纪初物质科学的一系列研究成果（从1900年发表量子理论起）决定了的物质科学的大方向和基础理论研究的主流：寻求物质世界的微观、基本、统一解。物理学成为20 世纪前半叶的带头学科，也使化学研究的理论、观点和方法趋于物理化，期望在量子化学基础上寻求所有化学过程的统一理论。其后，生物科学从化学获取关于物质结构和性质关系的概念和研究方法，在分子层次突破后，进入基因为中心的研究领域和从原来研究生物和生物分子变成创造新生物和新生物分子的科学。因此，20世纪后期的生物科学成为带头学科。这时化学的一部分分化成为生物化学，而化学没能及时在生物科学研究中定位，推动生命体系中的研究而有所突破。还有一个客观原因是在创造新的肥料、农药、医药、材料方面以及解决工业农业生产和环境中的问题时，化学研究的原理、机理和方法，处于上游。必需经过其他科学技术才能转化为可资利用的物质和可运做的方法。
  从主观原因看，首先是迄今为止化学研究的主流仍以创造新分子新材料为目标; 因而过多地注意建立新合成方法和获得新型结构，而对分子的功能研究重视不够。另外，过多重视细微的结构的本质的微观研究，较少注意快速发展的科学技术对化学理论、观点和方法提出的大量新问题。使我们的理论研究没能跟上需要。 此外，在我国还有一些原因，如化学工业不够发达，创造有自主知识产权的产品的意识不够强；在学科交叉融合中，化学先是没有抓住机会，其后又没有能够找到起主导作用的研究方向和领域；化学作为精细学科，在研究生物、环境、材料等现实问题时缺少必要的想象力。正是由于化学学科存在的上述现状导致了化学学科的重要性在表现上的下降。从事化学研究的人员由于生物和数理基础与现代科学技术发展的要求有一定的差距，使得进入材料学科、生命科学或其它学科往往力不从心。

2.    化学学科发展与化学分支学科重组的思考
将近十年中，国家自然科学基金会化学科学部曾经组织多次专题调研和讨论，1999年组织了专家咨询组和与中国科学院化学部共同组成的2015化学学科发展远景规划软课题组，以香山会议等多种形式征求科学界对化学学科发展、重组的建议和意见，取得了基本共识：随着科学技术的迅猛发展，化学要从传统的只注重研究原子和分子的反应和变化规律和按无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、高分子化学来划分二级学科框框中解放出来，向整体化多层次发展。化学可以由原子层次、分子片层次、分子层次、超分子层次、多分子聚集态层次等不同层次来划分研究对象。由此形成原子层次的化学、分子片层次的化学、分子层次的化学、超分子层次的化学、宏观聚集态化学、介观聚集态化学、复杂体系的化学等[4]。化学界内部应互作调整，更好地交叉、重组，将不同学科的理论、方法、思想和研究方法融入化学。综合上述分析，化学学科可以从研究内容和方法来划分形成新的二级学科，如合成化学（合成方法学，手性合成，模板合成等）、分离化学（萃取化学，离子交换，色层分离等）、分析化学（电分析化学，光和波谱分析化学，化学计量学，在线原位分析等）、物理化学（化学热力学，结构化学，催化化学，表面/界面化学，超临界化学等）、理论化学（计算化学，量子化学，化学统计学，非线性化学等）等。根据将现代数学、物理、信息方法融入化学，赋予化学更多的生命活力和创造力的原则，也可以从学科交叉来重新划分，如与生命科学交叉的化学生物学，与材料科学交叉的纳米（材料）化学，与资源和环境科学交叉的绿色化学，与数学、信息和生命科学交叉的化学信息学等。随之而来对化学科学的定义也有必要重新考虑。香山会议提出了一个很有参考价值的定义，即：化学是主要研究从原子、分子片、分子、超分子，到分子和原子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态的合成和反应，分离和分析，结构和形态，物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科学[4]。

3.    化学与其它学科的交叉前沿和突破口的思考
从目前国际化学发展的趋势和热点来看，化学科学的前沿和热点集中在[5-8]：（1）认识化学反应过程的化学反应动态学和以混合量子与经典方法的含时统计理论为代表的理论化学；（2）具有生物活性，具有光、电、磁等性能的功能化合物的高选择性合成与制备；（3）化学催化、生命体系中的化学过程以及化学生物学；（4）极端条件下的化学行为以及与人类生存相关的分析和超快速、超微量、在位、活体分析和检测手段；(5) 分子以上层次化学与纳米化学以及化学反应的尺度效应以及（6）以可持续发展为目标的绿色化学等六个方面。
有三个领域的内容值得研究。第一，什么是化学信息学？是否应该使化学信息学发展成为一个新的二级学科？第二，最新出现的所谓化学生物学，它与生物化学有何不同？香山会议认为化学生物学应该成为化学发展的一个重要领域，并预期很可能成为化学科学发展的一个新的增长点。第三关于化学中的理论问题，值得注意的有相干控制的化学，化学中的非线形问题和手性（类手性）对称性问题，分子自复制中的理论问题，遗产密码如何控制自复制化学过程的问题，以及纳米凝聚相的化学活性问题等。会议认为理论化学和化学生物学可能是化学发展将要出现的新“突破口”，而绿色化学将成为21世纪人类安全和生态经济和工业的关键。
在对化学反应的理解方面，现代科学技术的发展使我们有可能阐明化学反应的全过程，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，阐明决定化学反应速度的各种因素和各种反应机理。现在化学科学已具有新的研究手段，能够及时地观察最快的化学反应过程，对反应的位能面进行理论计算，在微观的水平上考察化学变化，追踪分子内和分子间的能量转移。
21世纪化学科学的研究层次将会拓宽，多层次分子间的相互作用将会成为化学家关注的重点之一。虽然分子间的作用力如氢键和范德华力等是化学中的基本概念，但这些弱作用力的本质，这些弱作用力对分子聚集的影响等问题，还有待解决。在化学界，已经有了一个基本的共识：注重分子间的弱相互作用研究，将会开辟一个全新的化学研究空间，给化学科学带来新的发展机遇，同时对材料科学和生命科学的发展有重要意义。
生命体系中的化学问题研究仍将是科学研究的前沿。值得注意的是，以利用化学理论、研究方法和手段来探索生物医学问题的化学生物学正在形成。有迹象表明，化学生物学将成为未来20年或更长一些时间内的重要前沿学科方向之一。
近年来，纳米化学和分子纳米技术越来越受到世界各国科技界的关注。纳米化学的发展使人们对纳米物质本性的认识有了深入了解的可能，这将对发现新的纳米材料，开发具有特殊性能的纳米材料，如纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米催化剂、纳米信息材料、纳米润滑材料等，以及开辟新的应用途径起到巨大的推动作用。
自90年代以来，绿色化学得到普遍关注。绿色化学的主体思想是采用无毒、无害的原料和溶剂，新化学反应达到选择性高，生产环境友好的产品，并且经济合理。绿色化学是与生态环境协调发展的、更高境界的化学，它要求化学家重新考虑化学问题，从源头上消除任何污染[9]。这是21世纪赋予化学家们的一项重要任务。

4.    化学未来新发展的契机

化学界普遍认为，化学正酝酿着重要进展。这是由于（1）各相关科学（主要是生物和材料科学）与化学在大量问题上相遇，化学家开始发现其中的化学基础问题，而相关学科的科学家也意识到需要解决的化学问题；（2）可持续发展的战略向化学科学提出了大量化学基础问题，国民经济的需求和化学学科自身发展的需求也已经结合成为推动21世纪化学学科发展的动力；（3）化学已经在理论和方法上有了相当的积累成果。但是必须把握下列几点原则，才能使化学科学有更大发展：第一，微观研究与宏观研究结合；第二，注重多层次、多尺度的研究；第三，研究要由复杂到简单，由简单到复杂，不断升华；第四，注重静态与动态（过程）研究的结合；第五，寻找其它领域中必须化学解决、而化学还未能解决的基本问题。

5.    原始创新是化学学科发展的灵魂
基础研究是人类文明进步的动力，是科技与经济发展的源泉和后盾，是新技术、新发明的先导，也是培养人才的摇篮。基础研究的核心在于创新，而创新就要允许失败。要努力营造一个有利于激励原始创新的良好环境，推动化学源头的创新，取得基础研究的突破，加快发展我国的化学基础研究的发展。要在坚持运用竞争机制、择优支持的同时，营造一个开放的、宽松的环境，以充分尊重和保护科学家的兴趣和首创精神，使不同学术思想、观点、学派之间能进行平等的竞争，鼓励科学工作者在学术上树立敢为人先的意识。要提倡对不同学科、不同类型的研究工作采用不同的评估标准，不搞一刀切。要坚持以质取胜的原则，不简单地以论文数量的多寡分高低[12]。要允许失败，不能急功近利，克服浮躁情绪，争取重大突破。拥有原创性研究成果、拥有中国自有知识产权是化学界和整个中国科学界的最重要的任务。应该扎实地做原始创新性工作，并在开展国家重大需求的研究的同时，予以自由基础研究一席之地，使创造性的基础成果更多一些。
原始创新是科研的灵魂，但是科学的创新不可能脱离原有研究基础，而且也有不同模式和水平。既有思想或思路上的突破，也有方法学上的革命。思路上的创新中或是原有研究思路的延伸和扩展、或与原有方向相反、或为两种思路的衔接和交叉等不同模式。方法学上的革命曾经树立了许多科学的里程碑。组合化学就是反向思维加上方法学革命（摆脱有单一目标的定向合成技术和各个化合物分别筛选的方法）的结果。
我们从一位古人所做诗的四条创新精神，或许对我们考虑研究工作的创新有些启发。这位诗人说：“诗有四种高妙。一曰理高妙，二曰意高妙，三曰想高妙，四曰自然高妙。碍而实通，曰理高妙；出自意外，曰意高妙；写出幽微，如清潭见底，曰想高妙；非奇非怪，剥落文采，知其妙而不知其所以妙，曰自然高妙。”如果我们计划中的工作或是本来路线已经是通的，或是结果是可以预期的，或者计划的研究深度不够“幽微彻底”，或者预计的结果并不高妙到不易解释，那么我们的工作是否缺少创新的思路呢？

6.    化学科学与人类安全的关系[10-11]
  回顾人类认识和利用物质的历史，可以看出认识提高的三个阶段。这三个阶段是决定科技发展能否与人类进步同步的三个组成部分。在第一阶段，人类活动只为满足生存的基本需要；后来就进一步要求满足日益增长的生存质量的需要；再后到20世纪后期才认识到要在保证生存安全的前提下提高生存质量。既要保证现今地球上的人，也要保证未来子孙后代。因此提出了可持续性发展的战略思想。现在大家都知道可持续性发展要依赖科技进步；但也要知道并非一切科技进步都支持可持续性发展。只有满足人类生存、生存质量和生存安全三方面的要求，科技进步才能够成为人类不断进步的推动力。
  化学的创造力的确给我们营造了一个全新的物质环境。这些成果一度使人们乐以忘优。先发达国家的人们毫无顾虑地改变着和影响着自然。但是经过100多年的工业大发展之后，人们才渐渐明白了一件事实：生产和生活上的不当会反过来影响人类的安全。其中最引人注意的是天然资源的滥采和化学品的滥用所引起的负面作用。因此，合理使用化学品成为20世纪末提到科学技术界的极其重要的问题。
  事实上任何物质和能量以至生物对人类来说都有两面性。天然化合物也有两面性，甚至有的有非常强的毒性。不论化学创造的新物质和自然界原有的物质，都要合理使用。化学对于人类的贡献利弊共存，是一把双刃剑。化学能够帮助我们了解化学物质的性质和变化规律，了解它们的两面性的本质。这是合理使用它们的科学基础。化学也能帮助我们认识自然界发生的各种化学过程，使我们能够正确地使用它们和控制它们。例如通过化学的研究，人们发现破坏臭氧层的是氟里昂之类的化学物质。但是破坏臭氧层的化学物质并非只有氟里昂；而且影响臭氧层的也并非都是化学品。反到是靠化学才解决了臭氧层的形成和破坏的机理，才找到了保护臭氧层的途径。Molina，Rowland和Crutzen就是因为他们在研究大气层化学，特别是臭氧层的形成和破坏方面所取得的成果获得了 1997 Nobel化学奖的。化学不仅对于解决化学品问题上起关键作用,在处理物理的和生物的危险因素方面也能够发挥主要作用。例如对受到放射性、紫外线等辐照的人的处理与治疗就是利用螯合排除金属，或者用自由基清除剂、抑制剂以及细胞保护剂等化学物质去阻止对人体的损伤。

  在满足生存需要之后,不断提高生存质量和安全是人类进步的标志。 生活质量高低和安全程度要看生活水平和健康水平，由饮食、环境和精神等关键因素的合理程度决定。这些都取决于人与自然环境相互作用中,外来物质和能是否满足人体需要同时维持最佳状态。外来物质和能量（包括饮水、食物、空气、电磁波、放射性、热等）有的是有利于生存质量的提高，有的反而对健康形成威胁，还有许多有两面性。优化物质利用，避害取利是保证生存质量和安全的基础。生活质量不仅仅以个人满足感为依据,而应该考虑人以外的整个环境的应答。例如过多的汽车、空调、吸烟、不当的生产、生活方式等等都与人类生存质量有关。化学研究可以从三方面对保证生存质量的提高做出贡献：

1.    通过研究各种物质和能的生物效应（正面的和负面的）的化学基础，特别是搞清楚两面性的本质，找出最佳利用条件。

2.    研究开发对环境无害的化学品和生活用品。研究对环境无害的生产方式。以上两方面是绿色化学的两个主要内容。

3.    研究大环境和小环境（如室内环境）中不利因素的产生、转化和与人体的相互作用。提出优化环境建立洁净生活空间的途径。

  健康是重要的生存质量的标志。维持健康状态靠预防和治疗两方面，以预防为主。预防疾病将是21世纪医学发展的中心。一系列疾病，首先是肿瘤、心血管病和脑神经退行性病变等，将要在相当程度上可以预防。化学可以从分子水平了解病理过程，提出预警生物标志物的检测方法，建议预防途径。

二十一世纪化学学科发展的方向(3，11)

  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做为整体发展相结合; 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料不到的突破，但是又有可能从现时动向，从解决继续解决的问题的可能性分析较近期的发展展望。

寻求结构多样性的研究与功能研究结合

  面对日益增长的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，随着各个领域对于个种功能的分子和材料的需要迅速增加，合成化学将要开拓若干新领域：
1.    寻求结构复杂性和多样性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（Tectonics）。高级结构是以分子间弱相互作用为基础的。因此，与合成分子为目的的合成化学有所不同，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，生成的分子自组装成的。研究这两方面的可能性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（如用96孔板操作）启发而产生的。它一开始就在筛选药物方面显示潜在力量。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。我们不能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（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、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。

加强复杂化学体系的研究


  化学界最早涉及复杂性的研究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；Prigogin 非平衡态热力学；Williams提出的解释生物大分子和细胞参与的化学过程的模型。他们的工作说明一点：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的。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、环境等等领域中也无处不是。研究复杂系统的化学过程有普遍意义。在这里要加强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包括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。

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200多年的积累，特别是20世纪后期合成化学的大发展，已经收集了大量化合物的信息。包括他们的合成、结构、性质等等，现在还在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重要性质。况且，当我们总结结构与功能的关系时，需要功能表现有差别的一系列有关化合物的资料，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，又去合成各种个样的化合物提供筛选。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。是从新合成和分离、筛选好，还是从已有信息中找好，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。
  与生物衔接的化学信息学是化学信息学的重要组成部分，在生命科学中现在正处在高潮到来的前夕，其契机有二：第一，在早是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。第二，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。他给医药学、农牧业、带来新的希望。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。