清华大学博士生：化学的终极问题是什么？

2017-10-06 化学加

原载微信公众号“听石先生的文字”（化学加获得授权转载），科学网博客亦有刊发，作者为邓耿博士（清华大学化学系博士生）。

导读

近日，2017年度诺贝尔化学学奖揭晓，授予瑞士洛桑大学科学家雅克·迪波什，美国哥伦比亚大学科学家约阿基姆·弗兰克，英国剑桥大学科学家理查德·亨德森，以表彰他们发展了冷冻电子显微镜技术，以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子的结构。有网友称这是一个颁给物理学家的诺贝尔化学奖，来表彰他们对生物学做出的贡献。纵观往届其实也有不少这样的说法，更有人称化学奖其实是一个理综奖。那化学到底是研究什么的，它的终极问题是什么？

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作为一位化学专业博士生，笔者常常听到身边有人提到这个观点：化学没有 “终极问题”，甚至有人以此为据否定化学的一级学科地位。物理学的终极问题是 “How did He create the world”，生物学的终极问题是 “How did He create us”，那么化学呢？

题图来自 Nature, 2015, 528, 327, 绘制者 David Parkins

与其他自然科学相比，可能化学的终极问题确实并不那么人尽皆知。但如果化学家自己都觉得化学没有终极问题，这就有些尴尬了。事实上，化学的终极问题应当是通过对分子层面的操纵创造新物质，如果用类似于物理和生物的句式来表达的话，那就是 “How to create the world as Him”。

化学史的主题是创造新物质

化学的历史，有别于认识世界的天文、地理、生物和理解世界的物理，其主题是创造新物质。历史学的常识告诉我们，对金属的发现、使用和冶炼是文明断代的标志，石器时代、青铜时代和铁器时代是人类文明发展的标准分期，而其中核心科技——冶金无疑是化学问题，青铜与钢铁都是人类创造的新材料，其中孕育了早期的化学知识。除了冶金之外，酿酒和发酵工艺是原始的食品化学工艺，药物发现和提纯工艺是早期药物化学，这些都是各文明共有的化学萌芽。

2015 年江西南昌海昏侯墓出土的青铜蒸煮器（约公元前 60 年）。本器是该墓中体型最大的青铜器，具有复杂的内外双层结构和类似蒸馏头的部件（图中右上角），被发现时其中尚有芋头和栗子等淀粉类食物残余。专家猜测其可能是早期发酵与蒸馏酒的器具，这将把蒸馏酒的历史提前一千年。也有人提出可能是一种水钟。无论如何，这件复杂精巧的青铜器本身就说明了冶金技术的发达。照片摄于首都博物馆。

中世纪的炼金术尤其体现了化学的创造新物质特点，以至于其名称 Alchemistry 成为现代化学一词 Chemistry 的来源。科学革命以后，化学成为一门科学，其中一个不可割裂的贡献来自于炼金术的研究范式。炼金术将经验事实与客观规律结合起来，超越了冶金、食品、药物等领域纯技术的限制，试图从实验事实中发现某种客观规律，并以之指导新的实践。炼金术士们追求的、能够点铁成金的 “哲人石”（Philosopher's stone，拉丁文作 lapis philosophorum）固然是不经之谈，但他们在炼制哲人石的过程中使用的思维范式构成了化学科学的部分基础。他们提出的一些基本概念，例如元素、酸碱、溶剂，仍在化学领域中使用，甚至他们总结的某些规律（例如 “相似相溶”，拉丁文作 Similia similibus solvuntur）仍具有一定现实意义。将化学称为现代 “炼金术”，不是完全没有道理的。

近代以来，合成与创造新物质更是化学发展的主线。氧气的制备（1774，J. Priestley）为推翻燃素说奠定了基础。尿素的合成（1828，F. Wöhler）开创了有机化学。进入现代以来，合成化学在无机、有机、催化、高分子和超分子等领域得到了蓬勃发展，其产物在现代社会的各方面获得广泛应用。徐光宪院士曾经在长文《21 世纪是信息科学、合成化学和生命科学共同繁荣的世纪》中有过详细的论述：

报刊上常说 20 世纪发明了六大技术：(1)信息技术；(2)生物技术；(3)核科学和核武器技术；(4)航空航天和导弹技术；(5)激光技术；(6)纳米技术。但却很少有人提到包括合成氨、合成尿素、合成抗生素、新药物、新材料和高分子的化学合成（包括分离）技术。
上述六大技术如果缺少一二个，人类照样能够生存。但如果没有 Haber 在 1909 年发明的用铁作催化剂的高压合成氨技术，世界粮食产量至少要减半，60 亿人口有 30 亿要饿死。……
如果没有合成各种抗生素和大量新药物的技术，人类不能控制传染病，无法缓解心脑血管病，平均寿命就要缩短 25 年。如果没有合成纤维、合成塑料、合成橡胶的技术，人类生活要受到很大影响。信息技术的核心是集成电路芯片，这是化学合成硅单晶片上经过光刻生产的，计算机的存储器材料也是化学合成的，其它部件用了大量合成高分子材料。又如核电站的关键是核燃料，而核燃料铀、钚等的生产和后处理、废水处理等都是化学工业。激光、航空、航天、导弹和纳米等技术无不需要化学合成的高新材料。所以如果没有化学合成技术，上述六大技术根本无法实现。这些都是无可争辩的事实。
——化学通报，2003，66(1)，3-11
化学理论与实验的关系

作为一门科学，只有经验和技术是不够的。化学的主题是创造新物质，并不是说化学不需要理论，而是在创造新物质的过程中理解、丰富和更新理论，并用理论指导创造新物质的过程。这里的理论指的是对于化学领域的实践有指导意义的科学原理，并不完全等价于所谓 “理论化学”。基于物理和数学方法的计算化学本质上是一种数值实验，它与化学理论还有不同。

真正的化学理论不能完全还原为更低层次上的物理（例如量子力学），这是由复杂系统的特点决定的。从某种意义上说，化学理论可以是看作粗粒化的物理理论。现代化学研究的分子以及超分子体系固然在量子力学讨论的范畴之内，但并不是量子力学原理的简单应用，其原因是分子组成、结构、构型、构象的复杂性使得原子的量子性质被分子整体的性质 “遮蔽” 了，而分子的量子性质，特别是大分子和超分子，现在还难以得到可靠的从头计算结果。这并不是说分子的结构与运动没有规律，但这种规律是在底层原子组合的基础上涌现出来的规律，可以脱离量子力学的语言独立存在，这就是 “粗粒化” 的物理理论的含义。

化学键理论是上述 “粗粒化” 理论的一个很好例子。早期化学家并没有量子力学的指导，但他们已经独立得出了化合价（1803，J. J. Berzelius）、分子立体结构（1848，L. Pasteur；1874，van't Hoff）、共价键与八隅体（1916，G. N. Lewis）等概念和理论。在量子力学的发展推动下，二十世纪的化学家深入了解了共价键的本质。但这并不意味着化学家从此就一定要使用物理语言描述化学行为，事实上这也被证明是繁琐而困难的。化学家采用自己的理论和语言，例如杂化、共轭、前线轨道等方式解释和预测化学键的行为。这些理论之所以能够成立，根本原因是量子化学的细节在分子层面上可以被忽略，而新的规律自然涌现出来。

氢分子的分子轨道图形和能量关系。化学家使用 H—H 表示这根共价键，这并不妨碍化学家对共价键、对氢原子化学性质有更深入的理解。
上面的讨论并不是证明化学理论可以离开物理而发展，而是说明化学理论的发展需经过一个 “归纳—演绎—再归纳” 的历程。在化学领域中也存在其它许多经验理论，它们来自化学经验的总结，在特定情形下具有一定指导意义。这并不意味着我们要满足于此，而是要通过努力建立其与物理本质的关系，之后再行抽象，才能真正认识这些规律。这方面一个著名的例子是软硬酸碱理论（Hard-Soft-Acid-Base theory），1963 年 R. G. Pearson 最初提出 HSAB 理论时（JACS，1963，85，3533），它是一个纯粹经验的规律。1968 年，G. Klopman 提出了解释 HSAB 理论的量子力学模型（JACS，1968，90，223），在此基础上，1983 年 Pearson 从分子能量与电子数的关系角度定义了严格的化学硬度（JACS，1983，105，7512），得到了 HSAB 序列的最佳解释。今天，HSAB 理论已经不再是一个经验规律，而是有严格量子化学基础的可靠理论，并衍生出最大硬度原理等化学理论。

HSAB 理论的发展历程
化学理论与实验的关系是交相促进的。理论指导实验的例子很多，而实验也能有助于理论。化学家研究化学理论的独特方法是合成新物质。在有机化学发展的早期，确定未知物质结构的方法之一就是采用已知化学过程和立体化学的路径将该未知物质合成出来，开创了今天的全合成（Total Synthesis）学科。二十世纪中期，围绕碳正离子经典与非经典展开了长期争议，问题的解决是靠 G. A. Olah 等人用超强酸在低温下得到降冰片正离子的方法，2013 年的 Science 上报道的合成出低温非经典碳正离子[C7H11]+Al2Br7]−，并得到了它的晶体结构（Science, 2013, 341, 62），为这一问题划上了句号。

如果将化学理论与实验的发展比作 “摸着石头过河” 的话，那么石头是理论，河就是创造新物质的实验。大部分时间里理论与实验的发展程度不相符合，化学的发展靠两条腿走路：有时候理论走在前头，要靠实验验证；有时候实验走在前头，要靠理论配合。没有摸清楚河里的石头就过了河，下次再过的时候就不好办。光顾着摸石头而忘了过河，又会失去了化学创造新物质的本意。化学理论与实验的关系应当是互相支持、互相进步的。

创造新物质的导向

前面已经说明，只要涉及分子层面的操纵而创造新物质的研究都是化学。如果我们不囿于传统学科分类，那么实际上有大量的科学领域都是化学，例如合成生物学、一部分凝聚态物理学、材料和纳米科学的很多部分等。更广义一点，创造新物质、创造有利于 “创造新物质” 的物质以及创造 “创造新物质” 的方法，或者说对合成、合成方法和合成条件的研究都应当属于是化学。

什么样的合成研究才是好的化学？当然从最直接的角度来看，合成的物质是新物质的才是化学，否则就是技术与工程。那么，新物质一定要是从未有过的物质吗？不一定。如果从统计力学角度做一极端思考，任何物质组成都可能在宇宙中涨落出来过，例如为人熟知的 Boltzmann 大脑。化学家要合成的新物质或探索的新方法是改变物质在现实世界中的布居，让我们想要的时候它就有，想不要的时候它就没有。当然后者更难。前者的具体表现是各种合成化学工业，而后者的一个现实应用是环境污染的治理。

新物质一定要有用吗？2015 年，P. Ball 在 Nature 上发表的 Why Synthesize 一文（Nature, 2015, 528, 327）中讨论了这个问题。首先，有必要厘清一下什么是 “有用”。具有现实的社会经济效益是有用，具有验证理论或挑战理论的意义也是有用。有用的创造自然重要，但没用的也不是不重要。如果有趣，也是值得尝试的。“有趣” 与 “有用” 是两个不同的概念，不应当也没有必要用未来可能有用来为现实的有趣寻找意义，可能有的东西就是只有有趣的意义。有趣反映了化学家的审美取向和智力高度，就像新奇的建筑设计一样，有趣本身就有意义。

具有空间拓扑手性的三叶结（Trefoil knot）分子（Angew.Chem. Int. Ed. 1989, 28, 189），一个有趣而没有明显现实意义的化学合成实例。
谈到建筑，那么建筑是不是化学？答案当然不是，因为建筑虽然也是创造新物体，但没有分子层面的变化。然而诸如纳米粒子合成、超分子组装等化学家研究的过程也可能没有分子的变化，它们是化学研究吗？答案应当是肯定的，因为纳米粒子的合成和超分子的组装本身需要从分子层面予以操纵。那么一个自然的问题是，会不会出现不需要分子层面的操纵、又能 “合成” 出某种新物质的学科？当然有可能，比方说纳米粒子之间的组装可能就会有这样的效果，但目前实践似乎证明，其自组装仍然与分子层面的调控有关（Adv. Mater. 2013, 25, 4829）。这里化学规律的 “湮灭” 和更高层次上规律的涌现一如量子化学规律在原子和分子层面上的演化。如果新物质的尺度已经大到分子层面的调控失去意义，那么这正是将分子 “粗粒化” 的结果。其结果有可能进入的是宏观领域，也有可能进入的是其他未知领域，它们都会有适用于自身的规律。我们不将其称为化学，因为化学规律已经不再适用，但它们仍然可以是创造新物体的科学。

面向创造新物质目标的化学研究与教育

化学科研的模式是近两个世纪之前 J. von Liebig 创造的。学徒-导师制符合当时的化学发展需求，但过去化学家依靠经验和天才单枪匹马创造新分子的时代已经落幕，今天的化学界面临许多挑战：

绝大多数一线化学研究人员是硕士生或博士生，导师很少亲自参与，而这些研究生毕业又大量不再从事研究工作，而是进入技术领域工作，实际上造成了学术研究训练的无意义：既没有显著提升化学学科研究的人员素质（要么不再继续研究，继续研究的也很少自己亲自从事研究），也没有提升研究生自己的职业竞争力。
研究者集中在高校和研究所，研究内容常常脱离实际需要，而需要化学研究的企业和市场反而没有足够科研实力进行研究，在发展中国家尤甚，而恰恰是这些地方的企业需要深入开展化学研究。
学术交流方式仍然是传统的期刊、会议等，评价标准单一，存在潜在风险。同行评议制度在化学领域可能导致匿名剽窃或抄袭，不正当竞争尤其常见。期刊论文的质量也因此存在隐忧。
跨领域、跨学科的学术合作日益增多，这不只是化学家们相互合作主观行为，而常常是所研究课题的客观要求。随着专业知识的爆炸，具有专门知识的人才越来越多，而具有综合知识的人才越来越少。
以上问题当然不仅仅是化学学科的问题，但在化学领域中不能不正视。近年来，化学研究领域里一些新的趋势正在显现。首先是一些独立研究机构的出现。例如纽约的 D. E. Shaw 领导的 DE Shaw Research，在计算化学领域做出了大量原创性工作（http://www.deshawresearch.com/index.html）。这类独立研究机构的重要特点之一是招募富有经验的研究生从事研究工作，有利于开展大规模项目的研究，为科研人才的培养和发展提供了新的思路。引进市场化机制，还会有助于减少学术界对政府的依赖。将基金来源部分地社会化的有趣之处是，市场本身具有导向性，对学术研究的成果能够从有用性的角度进行筛选；但同时市场也具有长尾效应，小众的学术问题和兴趣也有希望获得合于预期的经费支持。

DE Shaw Research 在纽约市中心的工作地点。图片来自其招聘广告。
在学术出版和交流方面，数学和物理领域很早就普及了预印本方式（arvix.org），最近由冷泉港实验室主导的生物预印本 BioRvix 也得到了快速发展（biorvix.org）。但化学领域的预印本交流模式始终没有建立起来。类似预印本的在线学术交流方式将学术发明和发现的率先公布到学术共同体中，应当有利于提高交流效率，减少不当竞争，同时提高审稿可靠性。此外，搭建其它在线信息交流平台，也是跨学科交流和合作的重要方式。例如 2015 年，为了解决化学生物学研究中抑制剂和探针分子的文献数据质量问题，数十位化学生物学家联合倡议（Nature Chem. Biol. 2015, 11, 536）建立交流网站 Chemical Probes （http://www.chemicalprobes.org/），以提供可靠规范的数据来源。

二十世纪后半叶的化学理论和实验都有很大发展，但化学专业高等教育的内容还没有完全体现这些发展。例如前文所属的软硬酸碱 HSAB 理论，至今还有大量化学工作者认为这是一个经验规律，以至于被作为化学缺乏严格理论的反面例证。在基础教育中值得全面整理现有理论，重新审视各部分的物理意义和化学意义，改变重科研轻基础的风气，对学生的发展和综合素质的养成应当是长远有利的。

结语

“哲学家们只是用不同的方式解释世界，而问题在于改变世界。”（K. Marx语）化学作为自然科学的一个重要组成部分，其核心技术和终极问题就是创造新物质，过去化学发展的历程说明了这一主题的持久性，未来化学自身的发展、化学研究模式的转变也应当围绕着这个主题展开。化学的终极问题不会有确定的答案：因为新物质永无止境，化学的未来永不停歇。

物理学家通过认识世界来成为造物主，
化学家通过成为造物主来认识世界。