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已故院士唐有祺的世纪展望:21世纪的化学将如何前行?

已故院士唐有祺的世纪展望:21世纪的化学将如何前行?

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2022年11月8日13时34分,我国著名化学家、教育家、中国科学院院士、中国晶体与结构化学奠基人之一、北京大学化学与分子工程学院教授、中国共产党党员唐有祺先生,病逝于北京大学第三医院,享年103岁。1998年唐有祺院士从学科规划的角度,展望了化学在21世纪的发展道路光阴荏苒,二十余年过去,这一展望又将给我们怎样的启发知社全文附上,供读者阅览。

唐有祺院士   图片来源:同济大学官网

唐有祺院士1920年7月出生于上海市南汇县新场镇,1942年毕业于同济大学,后赴美国加州理工学院学习,1950年博士毕业。他的导师把国际上刚刚兴起的用X射线解析蛋白质结构的重任交给了他,让他以博士后的身份继续从事研究工作。自此,唐有祺成为国际上首批接触蛋白质晶体学及分子生物学的少数学者之一,为他后来在中国倡导化学生物学奠定了坚实的基础。

唐有祺开创了我国晶体化学研究,在胰岛素晶体结构测定、氧化物高温超导体等多个重要体系的结构研究中做出了重要贡献;提出了自发单层分散理论,与合作者一起开展长期系统研究,揭示的自发单层分散原理对高效催化剂、吸附剂等功能体系的研制起到重要指导作用;创建了分子工程学学科,推动了我国化学与生物学交叉学科发展;曾荣获国家自然科学二等奖2项,国家技术发明二等奖1项,国家自然科学三等奖1项,国家教委科技进步一等奖4项等多项奖励。

唐有祺对物理、化学、生物学、数学都始终关注,且精通化学的各个学科门类。他对科学问题常有超前思维,并勇于开拓新的研究领域。这种对学科发展方向的敏锐触觉,结合唐有祺对中国科学发展现状的思考以及对中国科学研究力量的整合,使得唐有祺为中国化学学科的发展做出了影响深远的奠基和启蒙工作。他培养的研究团队不仅限于北大,还包括中科院、复旦大学、吉林大学等,整合的研究人员不仅限于化学领域,还触及到物理学界、生物学界和地质学界。

20世纪80年代中后期,唐有祺不仅在中国首次提出并阐述化学生物学的概念,强调化学与生物学交叉的重要性,他还意识到,仅仅将他对学科发展的敏锐嗅觉局限于研究团队之内还不够。为了让化学研究工作重视生物学问题,唐有祺以“生命过程中重要化学问题研究”攀登项目为平台,团结并鼓励了一大批化学家转向从事化学与生物学的交叉研究。


图片来源:同济大学官网


《展望今后化学之发展》

唐有祺

际此世纪交替之时,正好就化学这个学科有所回顾,并展望今后之发展。然兹事体大,且难免仁、智之见,此举意在抛砖引玉,何如?

1 化学的地位和作用 

在自然科学的各个分支中,化学侧重在原子-分子水平上研究物质的组成、结构和性能以及相互转化的学科。在这种称为化学反应或化学过程的转化中,原子相互结合的方式或结构是要改变的。从天然资源中制取我们所需物资一般都要通过化学过程,从而出现基于化学的种种产业。化学过程的重要性还在于它们普遍进行于包括生物界在内的大自然中。迄今能源工业在很大程度上也有赖于化学过程。

回顾我国在开发天然资源以满足人民生活需求的情况,我们当不难体会化学在解决亿万人民温饱问题中的作用。基于化学的产业要从天然资源中制取大量化肥、农药、农膜以及钢铁、塑料和水泥等原材料,并生产大量合成纤维和橡胶等以补农林业之不足。能源开发以及医药卫生也离不开化学。总之,要使生活所需的衣、食、住、行、用以及医药等物资越来越富足,很难离开化学所能发挥的直接或间接的作用。

化学是分工负责物质在分子层次上变化的学科。化学掌管着百来个化学元素, 而且还在不断耕耘元素周期系和整理天然产物,从而发现的化合物每十年几乎要翻上一番。现在化学手中的百来个化学元素和二千万上下的化学物种是当今人类所能依赖的物质宝库。它们能满足人类的物资需求。人类对物资的需求,不论在质量和数量上,总是要不断发展的。围绕这个需求的核心基础学科是化学。在包括经济、文化、科技和教育在内的社会需求的驱使下,化学学科之发展仍有赖于其他学科和一系列新技术的推动,其中化学与物理的关系特别密切。它们早期曾有过约定俗成的分工。

分工的要点是化学要追究物质的组成,而物理在研究中则要回避物质组成的变化 。这种分工曾是双方乐意的,并且也取得了种瓜得瓜、种豆得豆的效果。迷恋于追究物质组成的化学在19世纪建成了原子-分子理论,发现和合成了大量化合物,揭示了元素周期律和碳原子价键的四面体向等重大规律,对物质世界的认识从此大为深入而开阔,并为天然资源的开发提供了依据,但化学若要再深入一步就需要迎接外来的契机了。幸好摆弄热、声、光、电和磁等效应的经典物理也已取得了累累成果,为机电工业奠立了科学基础,并从19世纪末起终于在揭示原子内部结构和波-粒二象性中将牛顿力学发展为量子力学,使物理学进入近代物理时期。近代物理对化学的发展不论在实验和理论上都提 供了新的起点。化学与生物等学科也有很深的渊源关系。

当然,化学学科在发展中除了满足社会对它提出的需求外,也对其他学科和技术的发展给予了丰硕的回报。化学在最近半个世纪中,新的需求不但使自身及其各个分支取得了很大进展,而且还在分子生物学和材料科学等新学科的奠立上起了十分积极的作用,同时还迎来了计算机、激光、磁共振、新材料和重组 DNA技术等新事物以及新的发展机会。在这个时期中,化学在认识原子结合成分子的方式、依据和规律方面已日趋深入而系统。

这个进展足以代表化学学科为其他学科和技术的发展所作回报的一个方面。体系的结构和过程的机制是化学研究中需要探索的两个带有普遍性的阶段性目 标。在此激光、分子束和脉冲等技术大显神通的时代,化学动力学和动态学也都取得了重大进展,而且代表着化学学科建设中的另一个主流方向。此外,高分子化学、有机化学、无机化学和分析化学等分支学科也取得了划时代的重大发展。

展望化学今后之发展,努力方向当可归纳成三个方面:(1) 研究化学反应理论并开发新过程;(2) 揭示结构及其与性能之间关系的规律,开发新产物;(3) 利用新技术和新原理强化分析和测试方法的威力,使化学工作的耳目趋于灵敏和可靠。

2 化学反应的新趋向 

在很大程度上化学反应是化学的同义语。它们是化学最有特色的研究对象。谈到开发新过程, 原来对选择性的要求已经很严峻,而且还在不断上升。由于原料限制和环境问题越来越突出,对化学反应还提出了一个原子节约 (Atom Economy) 的要求。这在重有机化学中已早有考虑,但我最近看到Trost的文章,要求精细有机化学反应也要考虑原子节约问题,并将它与选择性并列为反应效能 (Efficiency)的两个方面。这相当于做衣服既要完全合身,还要不出一点废料。这样,靠当量消耗的试剂主要起个活化和导向的作用就不行了,那就只能靠自身几乎不消耗的催化剂这样的所谓分子机器来为反应同时解决选择性和原子节约问题。此外,化学过程若要放大到生产规模时一般也离不开化学工程学。下面要分别谈到原子节约反应和分子机器。

2.1 原子节约的反应 

已经过了将近60年了,我对有机化学课中读到的苯酚和丙酮两个化合物仍留有较深印象。它们当时都是供不应求的物资。丙酮要通过淀粉发酵制得,而苯酚要通过钠融法制取。后者我在实验课中有过体验,确实不易。将近30年前,我们曾下房山化工厂的苯酚-丙酮车间逗留过一个时期, 让我体会到了化学反应的一种新趋向。在这个车间中,一个异丙苯分子经过两步温和的反应就与一个氧分子正好给出一个苯酚分子和一个丙酮分子,如下式所示:

这样的反应可称为流线型化的化学反应(Streamlined Reaction),是值得为重有机化学向往和追求的。当时,我们也接触到环氧乙烷的银催化剂。环氧乙烷原来是通过一个迂回的方法制备的:

发现银催化剂后,反应就按下列原子节约反应进行:

当时我们把重有机化学向往的这一特色“概括为直接性(Directness)。这就是说,要尽量减少反应步数,从原料到产品尽可能做到直达,在生产过程中尽可能不采用那些对产品的化学组成来说没有必要的物料” 。当我们数年后看到有人提到反应的原子节约性,即要求反应物中的原子极大限度地出现在产物中的重要意义时,难免不无所见略同的感触。

2.2 分子机器 

1990年我在中国科学院上海有机化学研究所建所40周年报告会上谈过生命及其分子机器 。一般说来,生命过程最需要专一性和原子节约性了。在生物体中化学反应都由酶分子充当执行高度专一和原子节约反应的催化剂或分子机器。这种分子机器的大小以纳米计,从生物化学或分子生物学书中可以找到一些酶的高级结构图及其作用机制的图示,的确很象一台工作万无一失的机器。

蛋白质分子的高级结构与功能之间关系的认识已如此深入,足以使人取于设想从所需功能设计高级结构,并从后者设计多肽的序列,以便进行合成。这就是蛋白质工程学。它必将为21世纪的医药和健康产业大显身手。为其他反应,特别是工业中应用的反应,从长远来说,也要走开发分子机器的道路。目前为化学过程设计分子机器这样的方向还没有受到足够的重视,而且做起来要比设计光电器件还要复杂得多。化学过程的开发如能在分子水平上加强一些工程意识,成功的希望就会大些。

去年5月在 Scientific American 上有一篇题为《New Chemical T ools to Create Plastics》的文章很能说明问题。副标题是 “环戊二烯金属络合物作为(小)分子机器革新了重要塑料的工业合成” 。作者 John A. Ewen 从1980年起受雇于 Exxon 研究 Ziegler-Natta 催化剂的奥秘。Ziegler-Natta 催化剂发现于50年代,是一个烷基铝和三氯化钛固体的混合物,可在低压下生产聚乙烯和聚丙烯,但对催化剂中金属原子周围的结构以及作用机制并无所知,从而对所得聚合物的结构和性能难于调控。60年代荷兰壳牌实验室的 P. Cossee 等人为钛原子周围设定了合理的配位和原子间距离,然后通过分子轨道计算提出乙烯聚合中链增长的顺位插入机制 。这个机制让人联想到一台在分子水平上起作用的纺车,增长中的链与单体分子往复于两个顺式配位之间。现图示如下:


当时苏联科学院的 F. Dyachovskii 等的论文曾指出,在与环戊二烯的络合物中金属原子带有正电 荷,性能当与 Ziegler-Natta 催化剂中的基本一致。Ewen 在这些工作的基础上,将二环戊二烯及其 衍生物与钛等金属原子的络合物开发成为聚合乙烯和丙烯的分子机器。通过对两个环戊二烯分子 之间结构和对称性的安排就可以调控聚乙烯链的支化和聚丙烯侧链的定向问题。他还从两个环戊 二烯分子之间安排不同对称性得出了聚丙烯侧链的两种定向,正好证实 Cossee 所提的单体分子往复于两个顺式配位之间的顺位插入机制。这种机制可图示如下:

式中[ (CP) 2] 代表二环戊二烯及其衍生物,R′基要比 R基增长了一个单体,等等。

3 展望化学今后在新产业中的用武之地

化学将一如已往,积极参与材料科学和分子生物学的发展。这两个领域与化学处在同一个物质结构层次上,可以分享很大一部分原理和方法学,而且涉及光电子、信息通信以及健康和福利等产业。在即将到来的21世纪中,化学在能源和环境产业中也当大有可为。目前环境问题已经刻不容缓。防止大气和水污染以及处理污水都有化学用武之地。而在很大程度上,环境问题是与能源结构密切相关的。当前的能源结构是不可能持续很久的。利用太阳能发电和制氢以及回收 CO2 都是化学与有关学科需要一起研究的重要方向。在能源和环境产业中,电化学和催化将起到极为重要的作用。

* 本文该文系1998年5月3日唐有祺教授在“面向21世纪的化学国际学术研讨会”上的报告,全文刊载于《化学通报》。

参考资料:

  [1] 唐有祺. 展望今后化学之发展[J]. 化学通报, 1998(07):6-9.

  [2] https://news.tongji.edu.cn/info/1003/82537.htm

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