近日，《自然 · 化學(xué)》雜志（Nature Chemistry）以“化學(xué)求索之路”（Charting a course for chemistry）為題發(fā)表了紀(jì)念創(chuàng)刊十周年的專題（Feature）論文。雜志特邀了全球59位知名化學(xué)家共同撰文，提出化學(xué)各領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性問題，為面臨的重要挑戰(zhàn)及其演變方式提供具有指導(dǎo)意義的藍(lán)圖。

引言：不管“化學(xué)求索之路”（Charting a course for chemistry）這個概念最初是由一位著名的物理學(xué)家、受人愛戴的棒球運動員還是其他人提出的，預(yù)測，尤其是對未來的預(yù)測，毫無疑問是非常困難的。然而，還有另外一句著名的話（出處稍加確定）：自己創(chuàng)造未來，也許是最佳的預(yù)測未來的辦法。因此，我們有信心，本文提出的所有看法——來自積極推動化學(xué)前沿發(fā)展并幫助創(chuàng)造其未來的研究人員——為我們的課題即將面臨的挑戰(zhàn)以及未來幾年的發(fā)展趨勢提供了一個可信的藍(lán)圖。

游書力（上海有機化學(xué)研究所）：精確合成無疑是合成化學(xué)的首要目標(biāo)?；瘜W(xué)家應(yīng)該思考如何最大限度地利用化學(xué)原料，包括化石資源和生物質(zhì)，以提高催化化學(xué)轉(zhuǎn)化的效率和選擇性，并提高最終產(chǎn)品的多樣性。就個人而言，我希望看見具有高效和高選擇性轉(zhuǎn)化能力的惰性化學(xué)鍵和惰性化學(xué)系統(tǒng)進一步發(fā)展，并期待高層次理論計算和人工智能將會如何會從根本上改變有機化學(xué)。

陳鵬（北京大學(xué)）：以類似于DNA和RNA分子聚合酶鏈反應(yīng)的方式擴增蛋白質(zhì)的方法將開辟許多令人興奮的前沿，從單分子蛋白質(zhì)測序到單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)。然而，蛋白質(zhì)更為復(fù)雜的性質(zhì)，尤其是20種不同氨基酸側(cè)鏈的性質(zhì)，是阻礙這一夢想實現(xiàn)的巨大挑戰(zhàn)。然而，一系列高效的、正交的化學(xué)或酶反應(yīng)的發(fā)展，結(jié)合創(chuàng)新的數(shù)據(jù)處理方法，可以選擇性地將不同類型的氨基酸轉(zhuǎn)化為可放大和可區(qū)分的信號，最終可能產(chǎn)生一種突破性的技術(shù)，將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為可放大的分子。

樊春海（上海交通大學(xué)）：一個令人激動的學(xué)科前沿是理解人工設(shè)計的核酸結(jié)構(gòu)如何在活細(xì)胞和動物體內(nèi)組裝并發(fā)揮作用。創(chuàng)造新的工具來控制活細(xì)胞內(nèi)的天然和人工核酸分子的組裝過程，將有可能為核酸化學(xué)領(lǐng)域帶來革命性的變化，從而推動納米診療和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。更長遠(yuǎn)考慮的話，另一個大有可為的研究方向是探索和發(fā)展具有人工智能的DNA或RNA機器人，并在動物和人體內(nèi)工作。

馮新亮（上海交通大學(xué)）：合成化學(xué)的一個主要目標(biāo)是開發(fā)有助于應(yīng)對當(dāng)前社會挑戰(zhàn)的新材料，從而更多地使用可持續(xù)能源、智能制造或健康信息學(xué)。長期以來，可用于傳輸電子、自旋、離子和光子且具有神秘物理或化學(xué)性質(zhì)的新型凝聚態(tài)物質(zhì)一直是化學(xué)合成的目標(biāo)。合成這些新物質(zhì)需要開發(fā)新的合成方法和策略。開發(fā)過程本身就需要創(chuàng)造性思維，才可在原子和分子水平上設(shè)計并可控合成出具有特殊結(jié)構(gòu)和可定制性能的理想材料。

Vivian W.-W. Yam（香港大學(xué)）：盡管化學(xué)家們展示了令人印象深刻的創(chuàng)造力和高超的合成技術(shù)，但要精確控制分子的排列、對齊和自組裝方式來制造功能性分子材料仍然很困難。這一目標(biāo)的實現(xiàn)將依賴于對各種非共價分子間作用力的微妙平衡的控制，這些力使分子結(jié)合在一起，同時分子內(nèi)作用力會控制分子形貌和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，通過混合自旋態(tài)及引入金屬特性可以得到基態(tài)產(chǎn)物，并對基態(tài)產(chǎn)物進行利用可以擴展豐富的分子庫，進而為發(fā)光、光催化和光致技術(shù)的突破創(chuàng)造幾乎無限的可能。

Xueming Yang（大連化學(xué)物理研究所）：研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)最令人興奮的方面是我們有能力在實驗和理論中開發(fā)出新的強大工具。真空紫外區(qū)和x射線區(qū)的自由電子激光器等新工具使我們能夠以前所未有的分辨率/靈敏度探測簡單的化學(xué)反應(yīng)，并研究更復(fù)雜的化學(xué)過程。理論的發(fā)展，如更精確的DFT，使我們能夠更準(zhǔn)確地研究和理解更復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)機理。更重要的是，理論和實驗之間日益增長的相互作用必將促進化學(xué)作為一門真正精確的科學(xué)的發(fā)展。

Ang Li（上海有機化學(xué)所）：在天然產(chǎn)物合成領(lǐng)域，利用計算機設(shè)計合成路線可能成為一個越來越有吸引力的方向。與“扁平”藥物相比，具有復(fù)雜立體化學(xué)的天然產(chǎn)物仍然是計算方法中的一個難點?；趯ι锖铣删W(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析而揭示未被充分重視的反合成的策略可以顯著提高計算機設(shè)計路線的實用性和通用性。此外，在自然產(chǎn)物生物合成中負(fù)責(zé)酶反應(yīng)(或反應(yīng)級聯(lián))的基因簇可能成為計算機的一個有利工具，在不久的將來可能使化學(xué)和酶的結(jié)合路線更常見。

張華（香港城市大學(xué)）：納米材料因其在光、電、磁、傳感器、催化、清潔能源和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景而受到廣泛關(guān)注。目前已經(jīng)發(fā)展了許多制備各種納米材料的方法，這些納米材料的形成主要依靠控制復(fù)合物形成、材料尺寸、維度、切面、形貌及構(gòu)架。我們組研究的另一路線，即相工程法（phase-engineering），該方法專注于：發(fā)現(xiàn)具有新晶相的材料（尤其是亞穩(wěn)型材料），簡單的無定型結(jié)構(gòu)、材料的大規(guī)模可控合成以及相依賴的物理化學(xué)性質(zhì)在實際應(yīng)用中的開發(fā)。

Yang Shao-Horn（麻省理工學(xué)院）：一個令人興奮的前沿領(lǐng)域?qū)⑹抢?strong>超分子化學(xué)在生物催化和多相催化之間架起橋梁，按需并可持續(xù)地生產(chǎn)化學(xué)品和燃料，同時減少水、氮或二氧化碳的排放。為了發(fā)展基礎(chǔ)知識和應(yīng)用，我們需要脫離傳統(tǒng)的二維催化劑，在三維空間中設(shè)計催化位點，同時使用實驗和計算，以及從“生物水”的知識來控制催化位點附近的水結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)學(xué)科界限外工作、發(fā)展原位、時間分辨調(diào)查的新技術(shù)是這個領(lǐng)域的中心過程，可以促進結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)合，優(yōu)化催化設(shè)計。

Alán Aspuru-Guzik（多倫多大學(xué)）：計算機化學(xué)家的最終目標(biāo)之一是實現(xiàn)逆設(shè)計，即從需要的性能出發(fā)找到穩(wěn)定的、可合成的分子。利用人工智能（AI）驅(qū)動能夠“創(chuàng)造”新的替代分子的生產(chǎn)模型能夠?qū)⒛嬖O(shè)計變成現(xiàn)實。將AI、機器人與化學(xué)合成、表征整合在一起是我目前專注的領(lǐng)域之一。此外，量子計算機計算能力的日益增長和針對分子模擬的量子算法的發(fā)展都會對經(jīng)典計算機造成沖擊。

Mu-Hyun Baik（韓國科學(xué)技術(shù)高級研究院）：隨著針對化學(xué)反應(yīng)的計算機模型的可靠性越來越高，我們需要學(xué)會利用這些模型實現(xiàn)進一步的創(chuàng)造和革新。雖然機器學(xué)習(xí)和人工智能會對此有所幫助，但是在接下來的20年內(nèi)，人工學(xué)習(xí)和自然智能仍占據(jù)主導(dǎo)地位。我們能夠利用計算機模型設(shè)計出一種能夠?qū)﹄y以進行的反應(yīng)進行催化的全新的催化劑嗎？能夠?qū)崿F(xiàn)挑戰(zhàn)化學(xué)常識的真正的顛覆性創(chuàng)新嗎？我認(rèn)為只要我們?nèi)プ觯@是完全有可能實現(xiàn)的。但遺憾的是，真正做起來比說要難多了。

Shankar Balasubramanian（劍橋大學(xué)）：隨著科技發(fā)展，目前人類基因組的DNA一級結(jié)構(gòu)可以被快速測定，使得DNA測序能夠在更大范圍內(nèi)進行。下一個十年，我們將更全面地了解，這些基因信息在什么條件下，如何闡述“我們是誰”這個問題，并且加強人們對疾病的治療。在分子層面，人們很清晰地了解到，在生命系統(tǒng)中，DNA的結(jié)構(gòu)和共價化學(xué)是動態(tài)的。理解DNA何時、為什么以及如何進行這些改變會幫助揭示分子機制的秘密—除了沃森克里克堿基配對，DNA還會通過什么方式存儲及傳送指令。畢竟大自然探索DNA納米科學(xué)的時間比我們在實驗室做的探索要久多了。

Rahul Banerjee（印度科學(xué)教育研究所）：下一代多孔結(jié)晶聚合物及共價-有機框架材料將會突破動態(tài)共價化學(xué)（DCC）的限制。由于不同的有機單元具有不同的性質(zhì)，組成單元之間的連接方式也多有差別，因此共價鍵的多樣性能夠賦予制備的材料突出的性能。曾經(jīng)我們突破DCC的范疇合成了多孔結(jié)晶聚合物，這些材料不僅有多樣性的結(jié)構(gòu)，同時還具備一些新性能，為這些材料在聚合物工業(yè)中的商業(yè)應(yīng)用研究提供了更多可能。這類材料的另一個優(yōu)勢在于對柔性、響應(yīng)性結(jié)晶共價網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

Suzanne Bart（普渡大學(xué)）：錒系化合物化學(xué)家處于無機合成化學(xué)的前沿，每天都要突破元素周期表的界限。5f元素所產(chǎn)生的令人驚詫的反應(yīng)產(chǎn)物不斷挑戰(zhàn)著錒系元素科學(xué)家的開放性和創(chuàng)造性思維。最近在設(shè)備和計算技術(shù)方面的進展減輕了處理放射性物質(zhì)的困難，為這一領(lǐng)域的進一步研究開辟了新天地。通過有機合成幫助建立基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)并發(fā)現(xiàn)這些元素的基本反應(yīng)是一項令人激動的工作。

Nadine Borduas-Dedekind（蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)）：多虧了原位、實時分析的發(fā)展，尤其是質(zhì)譜，大氣化學(xué)家現(xiàn)在掌握了前所未有的關(guān)于當(dāng)今大氣中氣體和粒子的分子組成信息。在未來的氣候研究中，我們的工作是量化氣候變化中的人類指紋。其中一個有潛力的，但是充滿挑戰(zhàn)的方法是對偏僻區(qū)域的大氣組成進行測量并建模。在大氣質(zhì)量研究中，其目標(biāo)弄明白不利健康的影響因素與我們生活的多組分大氣環(huán)境的關(guān)系。我對大氣化學(xué)家給室內(nèi)空氣質(zhì)量研究帶來的創(chuàng)新感到興奮，這項研究是通過量化反應(yīng)活性組分、學(xué)習(xí)短期污染物的生命歷程及其對人類健康的影響進行的。

Sukbok Chang（韓國科學(xué)技術(shù)高級研究院）：對發(fā)展能夠使得不利于動力學(xué)和熱力學(xué)發(fā)生的反應(yīng)成為可能的催化劑系統(tǒng)的基礎(chǔ)機制的理解是合成化學(xué)中的一個研究熱點。特別是通過可獲得的原料——例如簡單的碳?xì)浠衔铩闹苯?strong>C-H功能化獲得增值化合物是目前一個研究熱點。一個直接的方法是使用C-H鍵活化策略和環(huán)境友好的氧化方法實現(xiàn)碳?xì)浠衔锏拿摎浣徊骜詈稀Ｍㄟ^設(shè)計催化劑系統(tǒng)可以對反應(yīng)活性和選擇性進行調(diào)控，同時避免原材料預(yù)功能化和危險副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

Clemence Corminboeuf（洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院）：隨著機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析、GPU（圖像處理器）加速軟件和量子計算機上量子化學(xué)的發(fā)展，計算機化學(xué)正在經(jīng)歷一些根本性變化。特別是具有量子化學(xué)性質(zhì)的機器學(xué)習(xí)正在蓬勃發(fā)展，有可能造成量子化學(xué)計算的加速，為快速有效地篩選和發(fā)現(xiàn)新的分子和材料提供新的框架和思路。雖然傳統(tǒng)方法將繼續(xù)存在，但機器學(xué)習(xí)使用的增加將改變一些可以通過計算解決的問題的性質(zhì)、規(guī)模和復(fù)雜性。一些剩余的跨種類的限制可以通過創(chuàng)建國家和國際合作的網(wǎng)絡(luò)、聯(lián)合不同科學(xué)模塊被克服。

Fran?ois-Xavier Coudert（法國科學(xué)研究中心）：機器學(xué)習(xí)已經(jīng)在改變計算化學(xué)，它將原子間勢、密度泛函理論(DFT)泛函和結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系等方法學(xué)進行不同層次集成。目前面臨的最大挑戰(zhàn)是：在遵循開放科學(xué)原則的前提下，根據(jù)每個團隊的最新研究進展的數(shù)據(jù)集合將所有努力最大化。開放性科學(xué)原則包括：完全開放性、準(zhǔn)確定義的元數(shù)據(jù)和可互相編輯的格式。這不僅可以提高重現(xiàn)性，加快新發(fā)現(xiàn)的步伐，還將在化學(xué)領(lǐng)域以一種從未有過的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘：每一個計算、每一個實驗——不論合成的成功與否——都會通過你的指尖創(chuàng)造下一個突破和神奇的材料。

Leroy Cronin（格拉斯大學(xué)）：在尋找一種真正自下而上的、不依賴于當(dāng)前生物學(xué)或技術(shù)信息的人工生命形式的過程中，開發(fā)能夠處理自身信息的化學(xué)系統(tǒng)(不受觀察者干擾)是至關(guān)重要的。現(xiàn)在，這樣的系統(tǒng)是受人類化學(xué)家或分子水平的生物機械控制。但如果有可能產(chǎn)生一個系統(tǒng)，可以創(chuàng)造自己和自己的信息，使化學(xué)信使告知其結(jié)構(gòu)或功能，那會怎樣呢？自編程化學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)，將成為由“沙子到細(xì)胞”這一從無到有的方式創(chuàng)造的自主人工組裝技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。

Cathleen Crudden（皇后大學(xué)）：將分子水平的合成方法和分析技術(shù)引入材料化學(xué)是非常困難的，但也非常有趣。我們正通過使用n雜環(huán)碳烯(NHCs)作為金屬超原子簇的配體來解決這一難題。碳烯化合物的優(yōu)點是，金屬-碳鍵為核磁共振分析提供了一個完美的解決方法，可以對配體-納米團簇的鍵接進行直接表征。NHCs簡潔的分子化學(xué)特性促進了納米團簇合理的合成路線的發(fā)展，我們希望將來它能應(yīng)用于各種納米材料。

Tanja Cuk（科羅拉多大學(xué)）：研究表面化學(xué)轉(zhuǎn)化最令人興奮的地方是有機會揭示催化循環(huán)的真實動力學(xué)。我們的目標(biāo)不僅是及時捕獲催化中間體，還要監(jiān)控它們?nèi)绾卧诒砻嬉苿樱嗷プ饔?，生成下一個中間體，最后形成產(chǎn)物的化學(xué)鍵。為了建立這種機制上的理解，我們需要將先進的光譜技術(shù)原位應(yīng)用到催化反應(yīng)中，該技術(shù)在多個數(shù)量級上具有高時間分辨率。簡而言之，如果我們能確定使催化產(chǎn)物不斷進化的過渡態(tài)是如何進行的，多相催化領(lǐng)域?qū)⑦M入一個全新的領(lǐng)域。

Abigail G. Doyle（普林斯頓大學(xué)）：化學(xué)反應(yīng)和分子結(jié)構(gòu)處于十分復(fù)雜的高維空間。合成化學(xué)家們對此領(lǐng)域有著廣闊的知識和直覺，但對化學(xué)反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化仍消耗了他們大量的時間和資源，而且對數(shù)據(jù)的利用度也有限。將機器學(xué)習(xí)和化學(xué)相結(jié)合的工具的發(fā)明將會擴大當(dāng)前的實踐范圍，加快發(fā)現(xiàn)分子的步伐。分子的發(fā)現(xiàn)對許多社會關(guān)注的突出問題而言是非常重要的。想要取得進步就需要各種科學(xué)家和工程師發(fā)明數(shù)據(jù)收集及監(jiān)管、化學(xué)空間描述和針對化學(xué)問題的預(yù)測及解釋算法的新方法。

Danna Freedman（西北大學(xué)）：量子信息科學(xué)有望改變我們的科學(xué)格局?；瘜W(xué)推導(dǎo)的量子位元在量子傳感的子領(lǐng)域特別有吸引力。在子領(lǐng)域中，一個物種的量子特性被用來探測非常小的信號，比如溫度、磁場或電場的微小變化。在未來的幾十年里，這一領(lǐng)域可能會有新的進展，比如對質(zhì)子和電子自旋的單分子傳感可實現(xiàn)單分子核磁共振，它將使檢測處于特定目標(biāo)狀態(tài)的一小部分酶(如催化中間體)成為可能。從感知整體到感知單個分子的進步將影響我們對反應(yīng)機制、生物系統(tǒng)和外來物質(zhì)的理解。

Shuhei Furukawa（東京大學(xué)）：金屬-有機框架材料(MOFs)的一個令人激動的前沿研究在于它們在機械應(yīng)力作用下的可重構(gòu)的微孔結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在才剛剛開始了解MOFs的靈活性機制，并設(shè)計具有多井勢能的材料。進一步了解宏觀力是如何轉(zhuǎn)化為層級結(jié)構(gòu)中的分子運動，將有助于對微孔隙度的調(diào)控。實現(xiàn)這種“機械孔隙”的關(guān)鍵是協(xié)調(diào)遠(yuǎn)程協(xié)同和局部結(jié)構(gòu)自由；我相信，最近的研究趨勢——控制框架缺陷和無序程度以及制造如凝膠等軟物質(zhì)——將導(dǎo)致這一領(lǐng)域的進展。

Suhrit Ghosh（印度科學(xué)普及協(xié)會）：超分子聚合物雖然內(nèi)部有序，但缺乏宏觀結(jié)構(gòu)的規(guī)律性。最新研究表明，將單體暫時困在休眠狀態(tài)，利用合適的引發(fā)劑可實現(xiàn)超分子鏈可控增長。近年來，合成具有低分散度和可預(yù)測的聚合度的超分子已經(jīng)成為可能。與共價嵌段聚合物相類似的具備可控序列的含有多個構(gòu)建單元的超分子共聚正在研究中。這一基本進展為實現(xiàn)在不同長度都具備結(jié)構(gòu)精度的復(fù)雜分子的組裝開辟了新的道路，例如在生物系統(tǒng)中普遍存在的分子組裝。

Frank Glorius（明斯特大學(xué)）：這是催化的黃金時代，隨著大量催化技術(shù)和不斷改進的分析工具的開發(fā)，最令人興奮和重要的挑戰(zhàn)正等待著我們。我尤其對三個發(fā)展領(lǐng)域感興趣。首先，多相催化，需要更深入的分子理解，才能設(shè)計出新的、更高效的工業(yè)過程催化劑。其次，用于復(fù)雜分子后期功能化（例如，使用C-H活化）的新策略和改進的催化。最后，我相信，通過基于信息的策略，如智能篩選或人工智能和機器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)的新反應(yīng)，將極大地改變催化和化學(xué)領(lǐng)域。

Malika Jeffries-EL（波士頓大學(xué)）：近年來，有機半導(dǎo)體的發(fā)展已經(jīng)超越了基礎(chǔ)的學(xué)術(shù)研究，并被用于許多商業(yè)應(yīng)用。雖然具備很大的潛力，但是通過簡單合成步驟制備的具有理想性能的新材料才是真正需要的，能夠使“塑料電子”成為可能。有機半導(dǎo)體的性能取決于其結(jié)構(gòu)與光電特性之間的相互作用，它們都依賴于許多相關(guān)變量的優(yōu)化，如能級、帶隙和電荷輸運。因此，為了迎接這些挑戰(zhàn)，需要新的計算工具、合成路線以及有機化學(xué)家、理論家、物理學(xué)家、材料科學(xué)家和電氣工程師的協(xié)同合作。

Nathalie Katsonis（特溫特大學(xué)）：在我的研究領(lǐng)域中，最令人興奮的挑戰(zhàn)是解開分子運動的規(guī)律，因為它們將幫助我們使無生命的物質(zhì)運動起來。我們?nèi)匀徊恢婪巧锘瘜W(xué)是如何過渡到定向運動的，而定向運動是生命的一個基本特征。但我強烈地感覺到，我所研究的人工分子機器將解開這個秘密。在這個過程中，我期待著無與倫比的人造分子機器的產(chǎn)生，這種分子機器可以通過反饋回路和非線性響應(yīng)協(xié)同工作，并產(chǎn)生自適應(yīng)運動。最終，這些化學(xué)變化也許能創(chuàng)造出能夠進行出集體、有目的的行為的可移動原始細(xì)胞。

Sara Snogerup Linse（隆德大學(xué)）：分子自組裝是膜、細(xì)胞器和多聚體蛋白等生物結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)過程。蛋白質(zhì)和多肽的自組裝也與一些毀滅性的人類疾病相關(guān)，盡管在許多情況下，組裝過程和病理之間的確切聯(lián)系仍有待發(fā)現(xiàn)。聚集是一個原因、結(jié)果，還是影響因素或者別的？我們能否根據(jù)物理化學(xué)原理，使用調(diào)制器來控制組裝和解組裝？我們是否可以向自然學(xué)習(xí)制備性能可調(diào)控的可切換組裝材料？為了回答這些問題，我們需要對區(qū)分有益及致病組裝體的化學(xué)特性有一定的了解。

Silvia Marchesan（里雅斯特大學(xué)）：近兩個世紀(jì)以來，化學(xué)家們對手性有著很大的研究興趣。從亞原子尺度到銀河，手性帶來了許多意想不到的奇跡。同質(zhì)性在自然界中發(fā)揮著重要作用，但異質(zhì)組合在構(gòu)建功能宏觀網(wǎng)絡(luò)中的重要性和潛在的應(yīng)用價值不容低估?？释７伦匀粌?yōu)雅的復(fù)雜性的超分子系統(tǒng)也需要具備可持續(xù)性。其中一個重大的挑戰(zhàn)在于破譯自然的設(shè)計規(guī)則，從而使得我們能夠?qū)π畔⑦M行編碼得到不同層級的構(gòu)建模塊，這些構(gòu)建模塊自組裝得到具有層次性和特定功能的動態(tài)結(jié)構(gòu)，正如我們所知道的，大自然將生命的各個組成部分組裝起來一樣。

Nuno Maulide（維也納大學(xué)）：有機合成領(lǐng)域令人興奮的機遇當(dāng)然包括為有機化合物中對C-H鍵進行量身定做的操縱方法的發(fā)展，以及對“解構(gòu)”豐富的人造化合物和生物質(zhì)的新反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。的確，有機化學(xué)領(lǐng)域毫無疑問已經(jīng)對C-C鍵形成反應(yīng)產(chǎn)生了興趣，但相比之下，同樣強大的C-C鍵裂解過程的研究卻落后了。將精細(xì)的化學(xué)工藝擴展到智能材料和適應(yīng)性強的有機分子領(lǐng)域，也可能是一項改變游戲規(guī)則的努力。

Anat Milo（本·古里安大學(xué)）：在這個自動化的時代，合成化學(xué)得到了更多的改進，分子設(shè)計被算法所增強，這些算法能夠處理我們無法輕易在頭腦中捕捉到的眾多特征，合成的未來是光明且迷人的。目前一個主要的挑戰(zhàn)將在于我們需要把對化學(xué)的理解融入21世紀(jì)的技術(shù)中，而不是簡單地跟隨最新的趨勢。除了完善制造分子的任務(wù)，我們作為化學(xué)家更需要利用我們工具箱里的所有方法——舊的、新的和那些尚待發(fā)現(xiàn)的方法——來實現(xiàn)它們的潛力、闡明機制并設(shè)計一個可持續(xù)的未來

Alison R. H. Narayan（密歇根大學(xué)）：隨著可用的天然蛋白質(zhì)序列數(shù)目的指數(shù)增長和蛋白質(zhì)設(shè)計能力的提升，生物催化的潛力達到了空前的高度。未來10年，生物催化對合成化學(xué)的影響局限于化學(xué)家在利用自然平臺進行催化的創(chuàng)造性，以及他們是否愿意將酶放入燒瓶中。了解這些體系中控制催化和選擇性的機制，將使多種新反應(yīng)成為可能，并為傳統(tǒng)方法無法克服的難題提供解決方案。

Pan?e Naumov（拉德克利夫哈佛大學(xué)高級研究所）：分子晶體是一類獨特的材料，它將各向異性所固有的結(jié)構(gòu)控制與中相材料類似的快速能量轉(zhuǎn)移、機械順應(yīng)性和柔性相結(jié)合。大量報道描述了它們的結(jié)構(gòu)，但仍有一個問題始終存在，即它們適合使用嗎？這個問題的答案根植于工程設(shè)計原理和優(yōu)化，是一種化學(xué)家不甚了解的語言。這項研究的重點必須從結(jié)構(gòu)向性質(zhì)和功能轉(zhuǎn)移，除非建立性能指標(biāo)，否則分子晶體的優(yōu)異的性質(zhì)將會在炒作和承諾之間徘徊。

Cristina Nevado（蘇黎世大學(xué)）：由增長的人口造成的需求量增加和日益緊縮的自然資源所帶來的挑戰(zhàn)需要從化學(xué)方面找到解決辦法。這包括發(fā)展具有高度選擇性、高能效和環(huán)境友好的方法以生產(chǎn)具有特定性質(zhì)的革命性新材料，以及開拓對現(xiàn)有原料的有效轉(zhuǎn)變過程，以確保新物質(zhì)和現(xiàn)有物質(zhì)的可持續(xù)生產(chǎn)。各種形式的催化作用，以及對化學(xué)過程更深層次的機械學(xué)的理解，將在滿足當(dāng)前和未來社會需求方面發(fā)揮核心作用。

Tebello Nyokong（日羅茲大學(xué)）：微生物對藥物的耐藥性，以及持續(xù)不斷的空氣和水污染，構(gòu)成了重大的科學(xué)挑戰(zhàn)。作為光催化劑的新型“智能雜化”材料在這些關(guān)鍵領(lǐng)域具有令人看好的前景。這些雜化材料在不同的組分中結(jié)合了不同的需要的性能，但綜合之后，它們形成了一個獨特的多功能結(jié)構(gòu)。利用可持續(xù)的綠色光催化劑是一個明智的方法，因為它們在水處理過程中不會釋放任何額外的污染物，而微生物對它們產(chǎn)生耐藥性的可能性很低。這一領(lǐng)域的進展將依賴于能夠降解污染物同時消除病原體的雜化材料的發(fā)展。

Rosa Palacin（巴塞羅那材料科學(xué)研究所）：目前電池研究是一個有前景的領(lǐng)域，主要的研究方向受交通電氣化和可再生資源集成等相關(guān)的應(yīng)用所掌控的。主要目標(biāo)是通過使用金屬陽極提高電池壽命和能量密度，需要電化學(xué)、材料科學(xué)和工程方面的技能。機器學(xué)習(xí)和人工智能最近已經(jīng)成為有望催生顛覆性發(fā)現(xiàn)的途徑。最后但同樣重要的是，可持續(xù)性是至關(guān)重要的：必須避免使用有害材料，促進循環(huán)利用，并強制使用低二氧化碳排放的制造工藝。

Marc Reid（斯克萊德大學(xué)）：《自然化學(xué)》的十周年紀(jì)念日與謝莉·桑吉(Sheri Sangji)因洛杉磯加州大學(xué)一場本可避免的實驗室事故而不幸去世的十周年日期十分接近。盡管人們看好未來的反應(yīng)監(jiān)測技術(shù)、化學(xué)信息學(xué)和可編程的晚期甲基化化學(xué)的發(fā)展前景是可以理解的，但如果這些研究不能被安全完成，那么這些研究都無關(guān)緊要。如果我們上班不回家，所有的一切都無關(guān)緊要。因此，我們面臨的最大挑戰(zhàn)是：我們?nèi)绾尾拍芨玫乩斫獠⑾覀冊趯嶒炇野踩矫娴氖д`？

Carol Robinson（牛津大學(xué)）：質(zhì)譜分析可用于了解膜蛋白與脂質(zhì)環(huán)境的相互作用。但這具有一定的挑戰(zhàn)性，因為大多數(shù)實驗都需要從細(xì)胞膜中提取蛋白質(zhì)，而這個過程往往會干擾蛋白質(zhì)和脂質(zhì)之間的相互作用。現(xiàn)在的主要目標(biāo)是：將復(fù)合物轉(zhuǎn)移到氣相的過程中仍然保持膜蛋白處于原始狀態(tài)及相關(guān)脂質(zhì)的完整性。將蛋白質(zhì)復(fù)合物從脂質(zhì)囊泡中釋放出來并直接被發(fā)射到質(zhì)譜儀中對我們而言是一個較大的突破。未來的發(fā)展也包括將這項技術(shù)運用于不同類型組織的膜中。

Gregory Robinson（佐治亞大學(xué)）：我們面臨的全球挑戰(zhàn)——例如發(fā)展可再生能源、根除疾病、建立更有效的糧食生產(chǎn)流程和應(yīng)對氣候變化——都令人生畏。雖然這些不同問題的解決辦法必然是多方面的，但地球上豐富的元素和主要的群元素的化學(xué)過程無疑將發(fā)揮重要作用。值得注意的是，這些問題的化學(xué)過程以及這些問題的解決方法的化學(xué)過程都應(yīng)該公開地向大眾和政府官員進行有效的宣傳。因此，在培養(yǎng)化學(xué)家時，我們必須更加重視公眾演講和一般寫作技巧。未來需要優(yōu)雅的化學(xué)和雄辯的化學(xué)傳播者。

Richmond Sarpong（加利福尼亞大學(xué)伯克利分校）：有機合成在很大程度上支撐著改善我們生活的制藥、材料和農(nóng)業(yè)化學(xué)工業(yè)。在21世紀(jì)，我們不僅要掌握操縱有機分子外圍電子的能力，而且要準(zhǔn)確地打破和改造有機化合物的C-C鍵結(jié)構(gòu)，所謂的“C-C激活”?？梢酝ㄟ^信息和計算機技術(shù)的發(fā)展以及如機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)科學(xué)等多學(xué)科的交叉實現(xiàn)的另一個吸人眼球的方向是利用計算機促進科學(xué)家發(fā)現(xiàn)合成復(fù)雜分子的有效途徑（策略）。真正實用的計算機輔助合成具有可預(yù)見的光明的未來！

Corinna Schindler（密歇根大學(xué)）：路易斯酸催化羰基烯烴轉(zhuǎn)位反應(yīng)是近年來發(fā)展起來的一種新的C-C鍵的形成方法。這些轉(zhuǎn)變最令人興奮的方面在于，它們有望成為羰基烯烴化反應(yīng)和烯烴功能化的替代策略。然而，為了顯著拓寬催化羰基烯烴化合的底物范圍，需要新的、更強的路易斯酸。因此，開發(fā)能夠有效地激活目前無反活性的底物，擴大我們能夠制備的產(chǎn)物范圍的新的催化系統(tǒng)，將是該領(lǐng)域未來研究中最有趣和最有價值的方面。

Gabriela S. Schlau-Cohen（麻省理工學(xué)院）：眼見為實！眾所周知，膜蛋白在生命的各個領(lǐng)域負(fù)責(zé)管理信息和物質(zhì)的流動，但人們對于造成這一非凡成就的基礎(chǔ)的認(rèn)識仍然是模糊的。分子水平的操作和測量技術(shù)的進步使我們對這些蛋白質(zhì)在空間和時間上的認(rèn)識更加清晰。對它們的化學(xué)動力學(xué)和能量特性的控制——甚至實時控制——是下一個前沿領(lǐng)域。在該領(lǐng)域，針對人類健康和農(nóng)業(yè)以及對能夠這些重要且普遍存在的分子的有基本了解的新技術(shù)具有很大的潛力。

Timothy W. Schmidt（新南威爾士大學(xué)）：單線態(tài)裂變在許多分子系統(tǒng)中都有發(fā)生，針對快速高效吸熱的單線態(tài)裂變的設(shè)計規(guī)則正在出現(xiàn)。為了正確利用這一現(xiàn)象并提高太陽能轉(zhuǎn)換效率，我們必須學(xué)習(xí)如何有效地將分子三重態(tài)激子直接或由光子介導(dǎo)轉(zhuǎn)移到硅等半導(dǎo)體上。最具挑戰(zhàn)性的發(fā)展將是發(fā)現(xiàn)不會再陽光下降解的有效的吸熱單線態(tài)裂變材料。

Roberta Sessoli（佛羅倫薩大學(xué)）：性能更好的催化劑、能耗更低的設(shè)備和更高效的能源生產(chǎn)流程構(gòu)成了通往可持續(xù)世界的必由之路。電子的自旋在所有涉及電子轉(zhuǎn)移的過程中起著關(guān)鍵的作用，手性選擇性作為關(guān)鍵成分，幫助自然進化對這些過程進行優(yōu)化。我們也是剛剛了解自旋自由度和分子手性之間復(fù)雜的相互作用。在分子尺度上研究和控制自旋相關(guān)電子輸運的新工具的開發(fā)，也可能為量子技術(shù)的新興領(lǐng)域開辟新的前景。

Hanadi Sleiman（麥吉爾大學(xué)）：作為治療、診斷工具的核酸和納米結(jié)構(gòu)有望改變醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)的面貌。該領(lǐng)域的兩大挑戰(zhàn)是細(xì)胞遞送和大規(guī)模合成。隨著去年第一個siRNA治療藥物被批準(zhǔn)，中等規(guī)模的合成已經(jīng)實現(xiàn)，我們正在取得卓越的進展。但要理解核酸物質(zhì)與生物環(huán)境之間的界面，還有很長的路要走。盡管我們許多人夢想著將DNA這種前所未有的可編程性應(yīng)用到光學(xué)、電子、磁性或刺激響應(yīng)材料上，但實現(xiàn)這一夢想將需要規(guī)?；暮铣珊头€(wěn)定的DNA結(jié)構(gòu)。

John Sutherland（MRC分子生物學(xué)實驗室）：在過去的十年里，系統(tǒng)化學(xué)方法加速了對氨基酸、核酸和現(xiàn)存生物脂質(zhì)構(gòu)造單元的生物前可行性路線的發(fā)現(xiàn)，除此之外并沒有更多的進展，這也讓我們拒絕相信化學(xué)選擇與自然選擇一樣有力這一觀念。提煉這些以合成為基礎(chǔ)的通用化學(xué)指導(dǎo)的地球化學(xué)設(shè)想應(yīng)該反過來讓化學(xué)簡化。我們現(xiàn)在在脂質(zhì)囊泡中尋找RNA和多肽的協(xié)同、復(fù)制組裝過程。我們也必須思考在非平衡狀態(tài)下能量耗散是如何維持這一系統(tǒng)的以及如何能激發(fā)這種過程。

Annette Taylor（謝菲爾德大學(xué)）：在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)仍然是產(chǎn)生許多復(fù)雜化學(xué)物質(zhì)的最有效途徑。系統(tǒng)及合成生物學(xué)的發(fā)展也使得細(xì)胞過程更加可控。受到創(chuàng)造人造生命的目的的啟發(fā)，另一種替代方式是劃分相互作用的化學(xué)物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。然而，在我們能夠像生物學(xué)那樣以同樣的穩(wěn)定性控制這些混合物之前，在系統(tǒng)化學(xué)方面還有很長的路要走。在未來，隨著我們越來越擅長設(shè)計受生物啟發(fā)的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，從微生物工廠可能會轉(zhuǎn)向合成細(xì)胞工廠。

Akif Tezcan（加州大學(xué)圣地亞哥分校）：蛋白質(zhì)是構(gòu)建復(fù)雜生化機器和動態(tài)材料的基本構(gòu)建單元，從nm到mm尺度，使得無生命變成有生命。分子設(shè)計的一個重要的前沿領(lǐng)域是對該長度尺寸下自組裝蛋白質(zhì)構(gòu)建單元的控制能力，以及他們以時間或空間控制的方式對其與有機、重組以及其他生物或非生物物質(zhì)的相互作用的預(yù)測能力。沿著這些思路，另一個有前景的方法是設(shè)計并改進合成蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)組裝行為，比現(xiàn)代生物利用更多元素周期表中的元素。

Mariola Tortosa（馬德里自治大學(xué)）：開發(fā)利用被認(rèn)為是惰性官能團的催化轉(zhuǎn)化體系是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。C-C鍵活化的方法仍處于起步階段，該領(lǐng)域的進展改變了科學(xué)家設(shè)計新分子的方式。人們需要有選擇性的催化劑來擴大高度衍生化合物后期功能化的方法，這方面的研究將對加速藥物發(fā)現(xiàn)過程產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。生物聚合物的選擇性修飾是另一個令人興奮的前沿領(lǐng)域，設(shè)計生物偶聯(lián)的新方法為合成化學(xué)家提供了最具挑戰(zhàn)性的機會之一。

Aron Walsh（倫敦帝國理工學(xué)院）：是時候讓化學(xué)家放下他們的實驗室外套，學(xué)習(xí)如何編碼了。目前計算化學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了許多令人興奮的變化，從開放源碼協(xié)作工具的使用、結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)庫的擴展，到化學(xué)系統(tǒng)機器學(xué)習(xí)的首次成功?；瘜W(xué)、數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)和工程學(xué)的學(xué)科交叉是具有挑戰(zhàn)性的，但也是讓我們受益良多的。通過利用這些工具，未來我們將探索新的化學(xué)成分，并發(fā)現(xiàn)具有遠(yuǎn)超出在自然界所發(fā)現(xiàn)的奇異特性的材料

Allan J. B. Watson（圣安德魯斯大學(xué)）：催化反應(yīng)先驗設(shè)計的計算預(yù)測將是合成化學(xué)發(fā)展的一個重要課題。通過對具有良好特定性能催化體系的參數(shù)化研究，這一技術(shù)已然出現(xiàn)。這一領(lǐng)域的一個重大挑戰(zhàn)在于如何對動力學(xué)進行合理化設(shè)計并最終加以控制。理解多配體和多金屬系統(tǒng)的動力學(xué)并從反應(yīng)過程之初對反應(yīng)進行較好的控制將會對新催化反應(yīng)的發(fā)展大有裨益，促進新應(yīng)用產(chǎn)生，加快化學(xué)合成。

Bert M. Weckhuysen（烏得勒支大學(xué)）：我們的社會應(yīng)該變得更加可持續(xù)，因此我們將不得不考慮“循環(huán)”。目前的化學(xué)過程旨在有效地將X轉(zhuǎn)換成Y，但尚未將Y在使用后轉(zhuǎn)換回X的研究。因此，分子或材料Y必須被加以設(shè)計，這樣我們才能很容易地將它回收，并制造出X或一個全新的分子或材料。這種思維方式（“原子和分子的循環(huán)”）將影響化學(xué)的許多領(lǐng)域，包括催化、有機化學(xué)和材料化學(xué)，因為我們將不得不合成我們的日常用品，在耐用的同時，還要能夠進行化學(xué)回收。

Emily Weiss（西北大學(xué)）：我相信，激發(fā)態(tài)（非熱態(tài)）化學(xué)即將成為合成化學(xué)的中堅力量。使反應(yīng)分子脫離電子平衡，或者創(chuàng)造新的反應(yīng)系統(tǒng)-環(huán)境相互作用從而將整個反應(yīng)系統(tǒng)脫離熱力學(xué)平衡都可以很快地對光化學(xué)和光催化反應(yīng)的反應(yīng)活性以及選擇性進行控制。這種干涉可以通過將系統(tǒng)與諧振腔耦合來創(chuàng)建一個新的極化子勢表面，或者通過與能對反應(yīng)作出機械或化學(xué)響應(yīng)的材料的耦合來實現(xiàn)，這樣反饋回路就會放大催化作用。這中方法天然酶的功能相類似。

Daniela Wilson（內(nèi)梅亨大學(xué)）：復(fù)雜的類生命分子系統(tǒng)的發(fā)展道路上一個重大挑戰(zhàn)是理解并設(shè)計能夠通過收集來自不同資源的能量產(chǎn)生定向移動和能夠?qū)Νh(huán)境變化進行感知、交流、相互作用和響應(yīng)的并能適應(yīng)環(huán)境改變的自發(fā)系統(tǒng)。這些仿生運動系統(tǒng)最終能夠根據(jù)復(fù)雜的生物環(huán)境中的變化來控制它們的運動、方向、速度和行為。這些特性可能會改變生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的游戲規(guī)則，目前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域僅依賴被動高劑量藥物傳輸系統(tǒng)。

Jackie Y. Ying（新加坡納米生物實驗室）：化學(xué)將對新生物材料的應(yīng)用產(chǎn)生越來越廣泛的影響，特別是隨著更復(fù)雜的系統(tǒng)變得可用和實用。能夠?qū)崿F(xiàn)藥物和疫苗—最好是口服藥物和疫苗—可控遞送和基因藥物靶向遞送的生物相容性載體的設(shè)計和合成尤其需要研究上的突破。為了控制傳染性疾病在人類、動物、植物和環(huán)境中的傳播，人們迫切地需要開發(fā)一種新型的、以有機或無機材料合成的且不會產(chǎn)生耐藥性的抗菌劑。

Tehshik Yoon（威斯康辛大學(xué)）：對映體選擇性反應(yīng)需要一些手性信息。在實踐中的手性通常是由手性化學(xué)試劑提供的，但長期以來人們一直假設(shè)手性物理作用力也可能影響反應(yīng)的立體化學(xué)。圓偏振光(CPL)是一種固有的手性物理作用力，它由各種天文現(xiàn)象自然產(chǎn)生，被認(rèn)為是生命起源以前同手性的潛在來源。迄今為止，CPL唯一的成功在于具有較低選擇性的原理驗證試驗。然而，對這一問題的一般性解決方案可以深刻地影響立體選擇性合成，并對生命起源提供見解。

Aldo J. G. Zarbin（巴拉那聯(lián)邦大學(xué)）：全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L開辟了令人激動的新領(lǐng)域，即發(fā)展在提升可持續(xù)能源技術(shù)效率的同時不破壞環(huán)境的、具有成本效益的材料。隨著世紀(jì)的推移，對新結(jié)構(gòu)、新合成路線以及在薄膜等材料中復(fù)合其它材料的新的加工技術(shù)的研究將會變得非常重要。此外，了解新興材料——例如納米碳化物、二維材料、鈣鈦礦、金屬和半導(dǎo)體納米顆粒以及納米復(fù)合材料——在高效太陽能光伏轉(zhuǎn)換、電解水制氫、大容量電池和超級電容器以及水環(huán)境操作裝置等方面的應(yīng)用潛力也是一項巨大的挑戰(zhàn)。

原文于2019年3月22日發(fā)布在Nature Chemistry官網(wǎng)。

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https://www./articles/s41557-019-0236-7