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化学家将摆脱“炼金术士”般的形象

2014-08-27 13:25 来源:文汇报 李昂

 

  原标题:化学前行魔幻继续(附照片)

  化学或许是对我们生活影响最大的科学。《自然》近期推出的《2014,化学家的选择》的专题报道,让大家有机会一睹化学领域可能出现的激动人心的变化。

  一些关键信息来自两周前刚结束的美国化学会2014年秋季会议,最重头的与“梦之机器”有关——化学家们正在努力尝试构筑这样一台机器,它能合成任何化合物;其他亮点还包括在实验室中模拟光合作用的研究,以及利用先进技术对液态水精细结构进行表征、一种可以合成形貌单一的纳米管的新方法等。

  在全球化学界,美国化学会会议相当于一座风向标,它的议题往往指向化学研究和化工产业的方向。这项盛会每年春秋举行两次,通常云集着全美近1.5万名化学家、工程师,以及全球一大批化学精英。在今年的秋季会议上,越来越多迹象表明,机械、电子等技术和工艺将更大幅度渗透到化学的领地,进而极大地改观化学的面貌。

  ——编者

  “科学家梦寐以求的目标是造出这样一台机器:输入‘抵御H7N9流感病毒’,它就会将此功能“翻译”成化学结构,并自动设计合成路线、输出产品。”

  有机合成化学与日常生活息息相关,它从医药、材料、能源等方面深刻影响了人们的生活方式。进入21世纪,我们越来越依赖于合成产品。而与此形成强烈反差的是,合成化学家却只给人们留下了一个模糊不清的影像——正如《自然》杂志报道中所描绘的“炼金术士”那样,一副远离世事的样子。

  这种“疏离感”恰好反映了有机合成研究工作的专业性。有机合成化学家通常要接受长年的职业学习和训练,很多人需要取得硕士和博士学位;即便如此,精细的专业划分也使他们局限在自己所擅长的领域,和其他学科泾渭分明。

  然而,有机合成领域的积累和思考,加上工程科学、信息科学、分析科学等其他学科的强大助推,可能会使这一学科及其技术在不久的将来以全新的面貌为人们提供更好的服务。

  在2014年美国化学会秋季会议召开之际,《自然》杂志刊发这组报道,对有机化学近年来的深刻变革进行了深入浅出的介绍,也带来了有益的思考。美国化学会年会是世界上规模最大、历史最悠久的化学界盛会之一,迄今已有100余年历史。它是全世界化学家共同的舞台,不仅展示科研成果,更带来科学思维的碰撞。近年来,对于化学科学的许多新生长点,例如绿色化学、能源化学、可持续性化学等,它都起到显著的推动作用。

  “炼金术士”变革的第一步,是用自动合成机器代替人工,合成化学前沿研究所需的分子。如果一个大学生能替代数十个“炼金术士”,那么,从节约人力和时间的角度,这个方向无疑具有巨大的吸引力。

  为此,我们需要一部异常精密、可靠的自动合成机器。它的任务比任何一台数控机床都要复杂得多——它加工的对象,是在由原子组合而成的千变万化的有机分子,而“刀具”则是微观上操控共价键的化学反应。

  值得欣喜的是,以美国麻省理工学院、日本东京大学,以及英国剑桥大学和南安普敦大学的化学家为代表的研究人员,已在自动合成机器方面取得了长足进步。更重要的是,他们的技术和理念已对制药工业产生立竿见影的影响。

  接下来的一步则要困难得多——为自动合成机器再装上一个懂得化学的“智能大脑”,利用大数据分析能力,就可以找到几乎能合成任意有机分子的最优方法,而这正是众多顶级“炼金术士”穷其毕生精力试图获得的秘方。

  这样,一个粗通化学基本常识的中学生,只要输入一个有机分子的结构,机器将很快直接输出真实的合成产品。

  通过麻省理工学院化学家的不懈努力,我们看到了造出这种智能机器的可能性。当然,如果这类机器发展到较高阶段,“炼金术士”的主要职责也将从“炼金”转为研制“炼金炉”,而具体的操作任务将变得极其简化。

  最后一步在目前看来仍旧是遥不可及的梦想。如果我们在机器上输入一种功能,例如“抗禽流感病毒H7N9”,那么它就可以将这种功能“翻译”成化学结构,并自动设计合成路线,输出产品。这是药物研发领域梦寐以求的图景,也将对我们的未来产生巨大而积极的改变。

  20世纪初的化学大师们根本无法想像今天的化学所达到的高度,同样,我们也无法预料未来的化学将以何种神奇的方式改变人类。可以肯定的是,尽管面临很多挑战,经过化学家的不断思考和探索,化学合成将会更绿色、高效、易懂,也更贴近我们每个人的生活。

  (作者为中科院上海有机化学研究所研究员)

  本版文章除署名外,由中科院上海有机所在读博士郑庆飞编译

(责任编辑:王蔚)

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