■杜海峰

合成化学是人类创造物质的重要手段，不仅为人类社会提供了衣食住行和健康保障等赖以生存的物质基础，而且对材料、信息、生物和能源等其他学科及相关的高科技领域的发展至关重要。不饱和烃（烯烃、炔烃和芳烃等）是石油化工以及煤化工中的大宗重要产品，是国民经济的重要物质基础和我国可持续发展不可缺少的物质资源，从科学发展角度看，不饱和烃的物质转化极大地推动了人类物质文明的进步。

近一个世纪以来，围绕不饱和烃的物质转化研究历久弥新，一直是新物质创造科学研究的前沿和核心。例如在已授予有机化学学科的24个诺贝尔化学奖中，9个与不饱和烃的物质转化密切相关，涉及到不饱和烃新反应的发现（1950，1979，2005）、反应理论的突破（1981）和不饱和烃物质转化反应在有机合成和化学工业中的变革性应用（1963，1973，2000，2001，2005，2010）等各个方面。

围绕不饱和烃物质转化反应的研究构成了化学学科发展的源泉和动力，同时为化工产品、医药、农药、材料和其他功能分子的创制提供了先进的方法与技术，给传统的化学工业带来了突破性的变革。例如现代医药生产中绝大部分涉及不饱和烃的物质转化，从磺胺类药物到手性药物的创制都源于不饱和烃物质转化方面的科学基础。不饱和烃转化方面的突破还为包括聚烯烃、导电聚合物等在内的功能材料的创制提供了科学基础和技术支撑。例如，Ziegler基于过渡金属对烯烃（乙烯和丙烯）的活化，发现了后来被称之为Ziegler-Natta过渡金属配位催化烯烃的聚合新方法，极大地推动了高分子科学和材料科学的蓬勃发展。如今基于聚烯烃的各种材料应用到人类社会的各个角落，可以说彻底改变了人类的生产和生活方式。Heeger、MacDiarmid和Shirakawa等在基于导电共轭聚合物的发现，突破了原有导体与半导体的概念，诞生了“塑料电子学”这一全新的研究领域。

总之，半个多世纪以来，基于不饱和烃物质转化中取得的上述重要成就，充分说明这一领域本身的重要科学意义，以及对相关领域如药物、新材料、信息等产生的深远影响。不饱烃物质转化研究是兼具前沿性、战略性和前瞻性的基础研究领域，具有重要科学意义。

长期以来，虽然有关不饱和烃物质转化研究一直都是合成化学创新和突破的源泉，但不同发展阶段针对的科学问题和研究重点都不一样。进入21世纪，人类社会面临涉及生态、资源、环境及能源等影响社会可持续发展的一系列问题。其中，传统的化学工业在为人类社会创造新物质的同时，也对环境造成了比较严重的污染，为此从源头上消除污染的绿色化学在20世纪末应运而生。顺应时代的要求，不饱和烃的转化研究在新世纪将面临新的挑战与机遇。而发展高效、原子经济性和环境友好的物质转化新反应、新技术、新方法是实现绿色和可持续发展经济的必由之路。2001年诺贝尔奖得主野依良治教授指出：“未来的合成化学必须是经济的、安全的、环境友好的以及节省资源和能源的化学，化学家需要为实现‘完美的反应化学’而努力，即以100%的选择性和100%的收率只生成需要的产物而没有废物产生”。以烯烃复分解反应为杰出代表的研究成果更是体现了 “高效、原子经济性和环境友好（即可持续发展特性）”等要素在发展不饱和烃物质转化反应中的重要性。我国《中长期科技发展纲要》把“新物质的创造和转化”和“绿色化学”作为我国基础科学研究领域的重要内容，而面向原子经济和环境友好的不饱和烃的高效转化则是该领域中最具挑战性的课题之一，其将为我国化学工业可持续发展提供源头创新，为我国大宗化工产品下游产业绿色化提供技术支撑，为我国的低碳经济建设提供重要保障。

因此，发展温和条件下“原子经济性和环境友好”的不饱和烃高效转化反应是当前该研究领域的前沿科学问题，也是迫切需要解决的关键基础科学问题。实现不饱和烃的高效转化需要从原子经济性的不饱和烃高效转化新反应、不饱和烃高效转化中的新催化体系、环境友好和实用的不饱和烃转化新方法等几个方面进行深入的、有针对性的探索与研究。

发明和发展新反应是解决合成工艺中反应经济性，包括原子经济性、步骤经济性（即用尽可能少的步骤）和氧化还原经济性的根本途径。例如烯烃复分解反应实现了两个烯烃的一步偶联和交叉偶联，反应中只产生一分子乙烯副产物，是高度原子经济性催化反应的完美体现。与此形成鲜明对比的是，传统的化学合成需要至少5步方能实现两个端烯的偶联，而且产生大量的废料。复分解反应不仅大幅度提高了效率，还至少降低了95％的废物排放量。

发展新型的、高效的催化剂是实现不饱和烃原子经济性转化的重要途径。目前，由合成化学工业提供的化学产品超过80％是通过催化过程产生的，而其中的核心问题就是新型催化剂。众多知名反应的发现和发展，大都离不开新催化剂和催化体系的创新。例如烯烃复分解反应广泛应用就得益于活性更高、稳定性更好、官能团兼容性更广的Grubbs催化剂（包括第一代、第二代和第三代催化剂）的发展。新催化剂的发展除了能对已知转化反应带来革命性的突破外，也能有效促进新反应类型的发现和发展，极大提高合成反应的效率和原子经济性。一个典型的例子是环辛四烯的合成，报道的最初合成路线需要13步，只有1％~2％的产率；而利用新型镍催化剂，能够以简单的乙炔为原料，一步即以90％的产率得到环辛四烯。

在全球低碳减排的严峻形势下，“环境友好和可持续发展”已成为化学学科和化学工业的基本发展准则。基于不饱和烃的物质转化反应，发展相关环境友好的新技术和新方法也是当前研究的热点和趋势。例如多组分串连反应的发展有助于进一步提高物质转化的效率、极大增强高附加值产物的多样性；而环境友好反应介质的合理化使用和相关技术的开发有望解决有毒有害有机溶剂的使用问题，属于前沿的实用绿色合成新技术。

我国作为发展中国家，人口多、自然资源短缺、生态环境脆弱，而且目前我国化学工业面临着效率低、工艺冗长、污染大、资源浪费等重大问题，使我国在环境保护和资源合理高效利用等方面形势非常严峻，已经成为制约我国可持续发展的重要因素。因此，在当前我国政府倡导的低碳和可持续发展的形势下，如何更有效地利用不饱和烃资源，实现原子经济性的不饱和烃高效转化已经刻不容缓。从科学研究观点看，是面向我国化学工业可持续发展的源头创新，不仅符合现代科学发展的要求，而且将会为工业发展带来革命性的技术变革；从环境友好观点看，是从源头上消除污染，为我国现阶段大宗化学工业产品下游产业绿色化的必要技术支撑；从经济发展观点看，是综合利用资源、降低生产成本、发展创制高附加值产品经济的推动力，符合可持续发展的要求，对加速我国经济转型具有重要的现实意义。

（作者系中国科学院化学研究所研究员， “973”计划“不饱和烃高效转化中的前沿科学问题”项目组成员/项目编号：2011CB808600）