导 读

1883年，美国物理学会第一任主席兼约翰·霍普金斯大学物理学教授Henry A. Rowland在美国科学促进会年会上做了“为纯科学呼吁”的主题演讲，该文同年发表在Science杂志上。以中国火药这一人类文明史上的伟大发明为例，他强调为了研究应用“科学”，“科学”本身必须存在。许多世纪以来，仅应用科学（通常在技术方面）被视为对文明具有决定性的作用，而“科学”本身的作用在世界各个角落被逐渐遗忘。如今，众所周知，纯科学对于整个世界都至关重要。

“科学”(science)起源于拉丁语的“scientia”，意为“知识”。本文以有机合成这一具有广泛应用领域的主题为例来为纯科学呼吁。要将纯科学的元素植入有机合成中，至关重要的是首先将有机合成确立为一门学科。因此，不言而喻，有机合成可以构建天然存在的复杂而有趣的分子或它们的变体，以促进生物学，药学和医学应用。因为这些天然分子及其衍生物通常可用作先导药物分子或生物学工具。有机合成作为一门涉及通过化学程序构建分子的创新科学，能够合成新分子。可能用途包括：食品，药品，衣物，燃料，聚合物，染料，油漆，化妆品，香水，工程材料等。

图1 维生素B12和红霉素

将有机合成提升到纯科学的高度，我们需要向两位有机合成大师致敬。第一个经典的例子是Woodward-Hoffmann Rules。该规则用于合理化预测立体化学和周环反应活化能的某些方面——周环反应是有机化学中的重要反应类别。在维生素B12（图1）的全合成过程中，哈佛大学的Robert B. Woodward教授遇到了一系列令人费解的反应（图2）。Woodward教授随后寻求与理论化学家合作——哈佛大学Roald Hoffmann教授，以期解决这些挑战，最终制定了Woodward-Hoffmann Rules。这些规则指出周环反应期间发生的电子结构变化，取决于相互作用的分子轨道的相位。Hoffmann教授因发现Woodward-Hoffmann Rules而于1981年获得诺贝尔化学奖，他与京都大学的Kenichi Fukui教授分享了这一荣耀。由于Woodward教授已在1981年诺贝尔奖宣布前两年去世，他没能与Hoffmann教授和Fukui教授分享该奖项。Woodward-Hoffmann Rules的制定是一个很好的例子：纯科学可以指导实验走出困境。这些规则还可以用于其它类型周环反应的预测及解释，由于其简单和通用的特点，已经让几代有机合成化学家受益极大。

图2 Woodward-Hoffmann规则 

第二个经典的例子是逆合成分析法（retrosynthetic analysis）的发展。该方法由哈佛大学Elias J. Corey教授于1995年提出。逆合成分析又称切断法，是一种将目标分子断开成更简单的中间体，从而解决合成问题的技术（图3）。通过探索断开化学键方式，直到获得非常简单或可方便商购的起始原料。由于有机合成通常存在不止一种可能的合成路线，因此这些不同的断开连接将为目标分子提供大量可用的合成策略。这将会生成具有许多分支的逆合成树，从而形成不同的路线和不同的合成前体。因此，合成树表示出通往目标分子的多种潜在合成路线，并且可以对其进行设计、比较和评估，然后根据合理的分析从中选择最有效的方法。Corey教授因其有机合成理论和方法论的发展，特别是逆合成分析法，在1990年获得诺贝尔化学奖。

图3 逆合成分析法

难能可贵的是，因推动有机合成进步而享誉世界的Woodward和Corey教授走出他们的舒适区，接受了诸如分子轨道理论、合成步骤分析和计算机应用等新概念。他们是造诣很深的有机合成大师——将纯科学元素引入有机合成中做出了巨大贡献。要在纯科学领域取得进步，就不应该因商业利益对这些纯科学研究提出质疑。许多纯科学研究结果在短期内似乎毫无用处，但时间会证明它的价值。比如“模糊逻辑”起源于1920年的纯数学理论，但如今已应用于从控制理论到人工智能等诸多领域。

总结和展望

正如Woodward和Corey教授的上述伟大成就所证明的那样，纯科学可以带来伟大的科学发现和重大的观念突破。我们必须倡导对纯科学的追求，这样我们的社会就会为追求卓越科学而奋斗。为了实现这一目标，鼓励下一代年轻人要保持好奇心，并时刻准备问“为什么”是至关重要的。最重要的是，下一代年轻人应该具备独立思考和批判性思维的能力，勇于挑战权威，在科学研究中表现出实现既定目标的坚定决心。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00011-4

本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第二卷第一期将发表的Editorial文章“Organic Synthesis: A Plea for Pure Science” (投稿: 2021-01-07；接收: 2021-01-25；在线刊出: 2021-02-07)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100086 

引用格式：Henry W. (2021). Organic Synthesis: A Plea for Pure Science. The Innovation. 2(1),100086.

Translator: Lihong Jing

作者简介

黄乃正，The Innovation编委，中国科学院院士，发展中世界科学院院士，香港科学院创院院士，英国皇家化学学会院士，香港中文大学新亚书院院长，南方科技大学长期访问杰出教授。黄乃正院士1973年毕业于香港中文大学；1976年伦敦大学学院获得哲学博士学位；1983年至今任职香港中文大学。研究领域包括：1）具有生物及药理活性的天然产物全合成；2）四苯并环辛四烯化合物的合成和性质研究，并以之作为砌块合成含Pt，Ti 及Si 等金属中心离子的手性大分子；3）环境友好型合成方法学研究 (包括有机小分子催化，Fe、Au及其他过渡金属催化领域等)。其中以其博士导师（Franz Sondheimer）及其本人姓氏命名的Sondheimer-Wong diyne （二苯并环辛二炔）已经被广泛用于有机合成以及化学生物学研究中。

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