超分子化学，即超越分子水平的化学，已经成为化学研究中最重要、最有活力的研究前沿之一，这个概念是由诺贝尔化学奖得主让-马里·莱恩（Jean-Marie Lehn）于1973年首次提出的。人们对于“超分子化学”这一概念的灵感最早可能源自生物大分子，例如蛋白质、脂类以及它们的相互作用。然而，它也具有高度的学科交叉性，因此它不仅吸引了化学家，也吸引了生物学家、环境科学家、工程学家、物理学家、理论学家、数学家，甚至很多其他领域的研究者也都为之着迷。事实上，在过去的二十年中，超分子化学已经得到了极大的发展。1987年诺贝尔化学奖颁发给莱恩、唐纳德·克拉姆（Donald Cram）和查尔斯·佩得森（Charles Pedersen），他们开发并使用了多种高选择性和结构特异性的分子相互作用体系，这大大促进了超分子化学的发展。

 

　　超分子化学的概念、原理、方法学和材料都不仅仅局限于化学领域，在生命科学、医药学、材料科学和催化领域均有广泛的应用。超分子聚合物、主客体识别、大环配体化学、有机-无机骨架复合材料以及通过非共价相互作用实现的自组装过程均是超分子化学研究领域的热点问题。相信在未来的研究过程中，超分子化学家们一定还会进一步地将之与其他学科相互促进融合，并同时从其他学科的研究成果中获得更多的灵感。

 

　　从合成化学的角度来说，催化是一个使反应过程更为“绿色”的有效方法。开发高效、高选择性、高原子经济性的催化反应，能够使化学转化过程更简约、更节能，也更环保。若想达到这样一个理想的终极目标，不仅许多技术问题有待改进，更有很多基础化学的研究工作有待开展。对于化学反应过程及其内在机制的进一步理解，将有助于我们设计更有效的化学反应并理解其为何能进行又是如何进行的。

 

　　计算化学在化学反应机制的研究中起到重要作用，并给有机化学的发展也带来了巨大影响。通过计算化学与实验化学的相结合，我们可以更有目的性地设计新的催化剂和新反应。最近马修·西格曼（Matthew Sigman）结合立体效应和电子效应，开发了一种三维自由能相关算法，用于设计和优化不对称酮基炔丙基化反应中的配体。我们可以期待，计算化学将成为21世纪绝大多数有机合成化学实验室中不可或缺的手段之一。因此，chemistry（化学）一词可以巧妙地被余志祥等拆成“chem is try”（化学即尝试），而这样的尝试则可以通过计算和实验相结合的方式来完成，有机化学的研究也将如此。

 

　　在过去的十年中，已报道了大量有机反应机制的研究成果，这些成功的实例主要集中在钯催化的C-C键和C-N键形成反应以及空气氧化的反应等。通过实验方法可以有效地研究反应机理，主要手段包括动力学研究、反应中间体分离、利用X射线衍射进行结构测定或利用原位谱学方法研究立体效应与电子效应对可能中间体的影响，以及溶剂效应和盐效应对于反应过程的影响等。通过逐步地对与反应机理的认识，我们可以去发现和设计更好的化学过程。

 

　　我们经常保留这样一个观点：“化学是一门中心的、有用的并且富有创造力的科学。”身为化学家的我们，有责任承担起为社会造福的义务。理查德·斯莫利（Richard Smalley）曾经提及十点人类发展所面临的迫切需求，而其中排名第一的就是能源问题。太阳能是最为重要的一种可再生能源，太阳能转化材料的设计、合成及应用是有机化学最为感兴趣的研究热点之一，而在有机光伏器件以及本体异质结（BHJ）聚合物太阳能电池的研究领域已经取得了相当大的进展。BHJ聚合物太阳能电池是一类新理念，在过去的二十年中才开始逐渐进入人们的视野。Ching Tang在该领域中做出了开创性的贡献；艾伦·黑格（Alan Heeger）及其合作者们也在《Science》杂志中发表了相关论文，并被视为是这一新兴领域的里程碑式工作。

 

　　有机化学在BHJ聚合物太阳能电池的研发过程中起到了不可或缺的作用：在构筑给体聚合物的过程中使用了金属催化偶联反应；富勒烯的衍生物被用于制造受体原件；通过计算化学预测给体-受体交界面的激子离解；扩大吸收光谱范围以便与太阳光相匹配；利用活性聚合来制备嵌段聚合物等等。当然，若想成功研制实用、大面积、高能量转换效率（PCE）、稳定而又低成本的BHJ设备，仅仅靠有机化学家的工作是不够的，还需要高分子科学家、物理学家、电子工程师和其他领域研究者的共同努力才能够实现。科研工作者们希望最终得以商业用途的BHJ太阳电池的功率转换效率可以达到10%，而截止到2010年已有功率转换效率达到了7.4%的BHJ聚合物材料问世，这距离PCE达到10%的最终目标已经只有一步之遥了。

 

　　有机π-共轭化合物目前已被广泛地应用于有机半导体和有机光伏材料中。此类化合物不仅在能源问题上起到重要作用，也是制备发光二极管（LED）和晶体管的重要材料之一。多种共轭有机分子可以用于作为光伏器件中的P型或n型半导体材料。关于有机π-共轭化合物的发展方向主要集中在以下三个方面：（1）开发在空气中稳定、具有高迁移率、可用溶液法加工的n型有机半导体材料；（2）构筑新型三维小分子；（3）开发含杂原子的共轭分子体系（除了S、Se、N、B这些常用杂原子外，还可以使用Si甚至是金属原子）。这三个方向是有机化学家和材料科学家都感兴趣的挑战项目，并为我们提供了很大的想象、设计和合成的空间。

 

　　二氧化碳具有一定的温室气体特征并且在大气中逐步储蓄积累，它被视为目前地球环境恶化的元凶之一。据预测，在2030年以前，全世界范围内至少80%～85%能源还将由含碳的化石燃料来提供。如今，对二氧化碳气体产生和排放的控制是科学界和工业界共同面临的核心问题。在化学家看来，将二氧化碳在化学反应过程中转化为另一种化学品会是一种降低其排放量的方法，然而在这些途径中的有限使用却不能解决大气中二氧化碳已经千亿吨级集聚的问题。另外，值得注意的还有，通过化学品产生的二氧化碳仅占其总排放量的10%，而其余的90%均来源于能量获取过程（例如火力发电站等）。因此，如果能够开发一种可将二氧化碳转化为能量丰富产品（即燃料）的高效技术，那么大量的二氧化碳将有望被转化为有用的产品。这项技术的研发成功将会使化学品生产和能源生产工艺同时迈出重要的一步，甚至可能会实现接近零的碳排放水平。

 

　　化学家们在将二氧化碳转化为有用产品的这一研究方向上付出了巨大的努力，而金属有机催化仍然在其中占有核心的地位。野崎京子和他的合作者们最近报告了一例通过对二氧化碳氢化来制备甲酸的反应，他们通过使用一种具有钳式配体的铱络合物，使得该反应的转化数达到了惊人的3.5×106，这样的一个催化效率在均相催化反应中位列前三甲。甲酸是一种具有潜力的能源物质，并可能成为储氢材料。在这样的指导思想下，马蒂亚斯·贝勒（Matthias Beller）报告了一类高效的甲酸脱氢反应，他使用Fe(BF4)2作为含铁催化剂，并配合使用了一种膦配体，该反应的催化效率也相当高，其转化数高达92 000。

 

　　众所周知，有机高分子材料对于人类生活的改善起到了重要作用。石油化学工业在规模生产的体量上已经超过了钢铁工业。二十世纪七十年代的经济繁荣很大程度上归功于聚烯烃的生产，而聚烯烃的大规模生产则又是由齐格勒·纳塔（Ziegler-Natta）催化剂催生而来的。由W·卡明斯基（W·Kaminsky）开发的茂金属催化剂一经问世便引起了巨大震动――茂金属催化的特点是单中心的催化位点，可以通过修改茂金属催化剂中有机配体的部分来控制烯烃的聚合。由此可以联想到，通过对于金属中心的筛选和有机配体的置换，我们将得到具有不同特性的烯烃聚合催化体系。于是莫里斯·布鲁克哈特（Maurice Brookhardt）和弗农·吉布森（Vernon Gibson）各自独立开发了高效烯烃聚合催化剂，并将金属络合物的金属中心向后过渡金属（Ni、Fe、Co）转移，而能获得成功的原因主要源于大位阻配体的设计和运用。

 

　　此后，对于催化烯烃聚合反应的研究风起云涌，迅速扩展到学术界和工业界，化学家们也开始寻找不含茂金属的烯烃聚合催化剂。而使用的金属也开始覆盖整个过渡金属周期：从前过渡金属到后过渡金属。利用后过渡金属的一个例子就是一类用于催化烯烃与含氧单体，如醇、酯的共聚的镍络合催化剂，它可以较好地耐受含氧官能团。格拉布和布鲁克哈特各自的工作还揭示了与前过渡金属相比后过渡金属具有更低的亲氧性和更高的杂原子耐受性。而管志彬则构想出了一个使用Pd-α-二亚胺络合物作为催化体系的新策略，用以控制聚合物的拓扑结构。他尝试调控聚合的链增长过程和链转移（链步移）过程，同时发现乙烯气体的压力可以控制这两个过程的竞争，从而实现从直链聚乙烯到超支链聚乙烯的拓扑结构转变。而关于前过渡金属催化的例子，藤田照典及其在三井化学公司的同事们开发了一种使用前过渡金属的FI催化体系。随着各种特殊属性聚乙烯的合成、FI催化体系的使用以及在该领域中众多其他小组的研究成果，我们相信藤田照典所说的“烯烃聚合新时代的大门”已经开始打开，更多的新型聚烯烃将迅速面世。

 

　　虽然聚烯烃是世界上最常见的合成聚合物之一，它们的单体看上去也是最为简单的，甚至有些人认为对烯烃聚合进一步探究的空间已不太大。但是，最近却报道了不少新型聚烯烃的发现，其中之一就是陶氏化学公司提出的“嵌段烯烃共聚物”。以简单的烯烃为原料来合成嵌段烯烃共聚物曾长期以来被认为是一个难点。陶氏化学公司的研发者们通过使用一种精巧、复杂的链穿梭过程达成了这一目标。这些嵌段共聚物具有高熔点和低玻璃化转变温度，更可贵的是这类聚合物在高温下依然保持着优良的弹性。另一个例子是桑杰·拉斯托吉（Sanjay Rastogi）于2010年报告的一种具有超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)，是利用全氟代的FI催化剂在低温下制备得到的，通过表征发现其主链是非缠绕的，而且在高达10 000个的碳原子数中不存在支链。上海有机化学研究所的唐勇也于2010年报道了一类高线性的超高分子量聚乙烯，他们则是通过使用一种单中心的Ziegler-Natta催化剂制备成功的。

 

　　值得一提的是，以上两个实验室各自独立开发的UHMWPE材料都很容易进行加工处理，而这个特性必将大大拓展其应用范围。另外，唐勇团队开发的[O-，N，X]三齿催化剂是一类多功能催化剂，在乙烯均聚反应、乙烯与α-烯烃共聚反应、乙烯与含官能团烯烃的共聚反应等方面均表现出色。此类催化剂的多功能性、热稳定性以及制备的简易性都将是其进入工业生产线的有利条件。

 

　　我们借用复旦大学杨玉良教授的一句话作为本文的结语：“更好的化学，更好的生活”。这句话很容易让人联想起2010年上海世博会的口号：“更好的城市，更好的生活”。当然，不是每个城市都可以给予其市民更好的生活，只有不断进步的城市才有此能力。化学亦是如此，一次爆炸、一次火灾，或者一个河流污染事件都会降低化学在大众心中的可信度。因此，化学家和化学工程师在本世纪中负有重大的责任，我们要把化学工业彻彻底底地打造成一个绿色的产业。不可以再危及化工厂附近生活的人们，也更不能吓跑可能立志选择化学研究作为终身事业的学生。

 

　　“更好的化学”是一种能够全面达到绿色环保标准的化学，是一种高产率、高选择性、高效率、零（或少）副产物、源于绿色可再生原料并具低能耗特征的化学。

 

　　今天，有机化学在飞速发展的同时也仍然面临着种种严峻的考验，包括布雷斯罗夫在本书中也列出了诸多方面对化学的挑战。让我们努力做出好的化学，做出更好的化学，为解决这些挑战、为满足人类各方面的需求而不懈奋斗。