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近日，《自然 · 化学》杂志（Nature Chemistry）以“化学求索之路”（Charting a course for chemistry）为题发表了纪念创刊十周年的专题（Feature）论文。杂志特邀了全球59位知名化学家共同撰文，提出化学各领域的挑战性问题，为面临的重要挑战及其演变方式提供具有指导意义的蓝图。 引言：不管“化学求索之路”（Charting a course for chemistry）这个概念最初是由一位著名的物理学家、受人爱戴的棒球运动员还是其他人提出的，预测，尤其是对未来的预测，毫无疑问是非常困难的。然而，还有另外一句著名的话（出处稍加确定）：自己创造未来，也许是最佳的预测未来的办法。因此，我们有信心，本文提出的所有看法——来自积极推动化学前沿发展并帮助创造其未来的研究人员——为我们的课题即将面临的挑战以及未来几年的发展趋势提供了一个可信的蓝图。 游书力（上海有机化学研究所）：精确合成无疑是合成化学的首要目标。化学家应该思考如何最大限度地利用化学原料，包括化石资源和生物质，以提高催化化学转化的效率和选择性，并提高最终产品的多样性。就个人而言，我希望看见具有高效和高选择性转化能力的惰性化学键和惰性化学系统进一步发展，并期待高层次理论计算和人工智能将会如何会从根本上改变有机化学。 陈鹏（北京大学）：以类似于DNA和RNA分子聚合酶链反应的方式扩增蛋白质的方法将开辟许多令人兴奋的前沿，从单分子蛋白质测序到单细胞蛋白质组学。然而，蛋白质更为复杂的性质，尤其是20种不同氨基酸侧链的性质，是阻碍这一梦想实现的巨大挑战。然而，一系列高效的、正交的化学或酶反应的发展，结合创新的数据处理方法，可以选择性地将不同类型的氨基酸转化为可放大和可区分的信号，最终可能产生一种突破性的技术，将蛋白质转化为可放大的分子。 樊春海（上海交通大学）：一个令人激动的学科前沿是理解人工设计的核酸结构如何在活细胞和动物体内组装并发挥作用。创造新的工具来控制活细胞内的天然和人工核酸分子的组装过程，将有可能为核酸化学领域带来革命性的变化，从而推动纳米诊疗和精准医学的发展。更长远考虑的话，另一个大有可为的研究方向是探索和发展具有人工智能的DNA或RNA机器人，并在动物和人体内工作。 冯新亮（上海交通大学）：合成化学的一个主要目标是开发有助于应对当前社会挑战的新材料，从而更多地使用可持续能源、智能制造或健康信息学。长期以来，可用于传输电子、自旋、离子和光子且具有神秘物理或化学性质的新型凝聚态物质一直是化学合成的目标。合成这些新物质需要开发新的合成方法和策略。开发过程本身就需要创造性思维，才可在原子和分子水平上设计并可控合成出具有特殊结构和可定制性能的理想材料。 Vivian W.-W. Yam（香港大学）：尽管化学家们展示了令人印象深刻的创造力和高超的合成技术，但要精确控制分子的排列、对齐和自组装方式来制造功能性分子材料仍然很困难。这一目标的实现将依赖于对各种非共价分子间作用力的微妙平衡的控制，这些力使分子结合在一起，同时分子内作用力会控制分子形貌和拓扑结构。此外，通过混合自旋态及引入金属特性可以得到基态产物，并对基态产物进行利用可以扩展丰富的分子库，进而为发光、光催化和光致技术的突破创造几乎无限的可能。 Xueming Yang（大连化学物理研究所）：研究化学反应动力学最令人兴奋的方面是我们有能力在实验和理论中开发出新的强大工具。真空紫外区和x射线区的自由电子激光器等新工具使我们能够以前所未有的分辨率/灵敏度探测简单的化学反应，并研究更复杂的化学过程。理论的发展，如更精确的DFT，使我们能够更准确地研究和理解更复杂的化学反应机理。更重要的是，理论和实验之间日益增长的相互作用必将促进化学作为一门真正精确的科学的发展。 Ang Li（上海有机化学所）：在天然产物合成领域，利用计算机设计合成路线可能成为一个越来越有吸引力的方向。与“扁平”药物相比，具有复杂立体化学的天然产物仍然是计算方法中的一个难点。基于对生物合成网络的系统分析而揭示未被充分重视的反合成的策略可以显著提高计算机设计路线的实用性和通用性。此外，在自然产物生物合成中负责酶反应(或反应级联)的基因簇可能成为计算机的一个有利工具，在不久的将来可能使化学和酶的结合路线更常见。 张华（香港城市大学）：纳米材料因其在光、电、磁、传感器、催化、清洁能源和生物医学等领域具有广阔的应用前景而受到广泛关注。目前已经发展了许多制备各种纳米材料的方法，这些纳米材料的形成主要依靠控制复合物形成、材料尺寸、维度、切面、形貌及构架。我们组研究的另一路线，即相工程法（phase-engineering），该方法专注于：发现具有新晶相的材料（尤其是亚稳型材料），简单的无定型结构、材料的大规模可控合成以及相依赖的物理化学性质在实际应用中的开发。 Yang Shao-Horn（麻省理工学院）：一个令人兴奋的前沿领域将是利用超分子化学在生物催化和多相催化之间架起桥梁，按需并可持续地生产化学品和燃料，同时减少水、氮或二氧化碳的排放。为了发展基础知识和应用，我们需要脱离传统的二维催化剂，在三维空间中设计催化位点，同时使用实验和计算，以及从“生物水”的知识来控制催化位点附近的水结构。在传统学科界限外工作、发展原位、时间分辨调查的新技术是这个领域的中心过程，可以促进结构与功能的结合，优化催化设计。
Alán Aspuru-Guzik（多伦多大学）：计算机化学家的最终目标之一是实现逆设计，即从需要的性能出发找到稳定的、可合成的分子。利用人工智能（AI）驱动能够“创造”新的替代分子的生产模型能够将逆设计变成现实。将AI、机器人与化学合成、表征整合在一起是我目前专注的领域之一。此外，量子计算机计算能力的日益增长和针对分子模拟的量子算法的发展都会对经典计算机造成冲击。
Mu-Hyun Baik（韩国科学技术高级研究院）：随着针对化学反应的计算机模型的可靠性越来越高，我们需要学会利用这些模型实现进一步的创造和革新。虽然机器学习和人工智能会对此有所帮助，但是在接下来的20年内，人工学习和自然智能仍占据主导地位。我们能够利用计算机模型设计出一种能够对难以进行的反应进行催化的全新的催化剂吗？能够实现挑战化学常识的真正的颠覆性创新吗？我认为只要我们去做，这是完全有可能实现的。但遗憾的是，真正做起来比说要难多了。
Shankar Balasubramanian（剑桥大学）：随着科技发展，目前人类基因组的DNA一级结构可以被快速测定，使得DNA测序能够在更大范围内进行。下一个十年，我们将更全面地了解，这些基因信息在什么条件下，如何阐述“我们是谁”这个问题，并且加强人们对疾病的治疗。在分子层面，人们很清晰地了解到，在生命系统中，DNA的结构和共价化学是动态的。理解DNA何时、为什么以及如何进行这些改变会帮助揭示分子机制的秘密—除了沃森克里克碱基配对，DNA还会通过什么方式存储及传送指令。毕竟大自然探索DNA纳米科学的时间比我们在实验室做的探索要久多了。
Rahul Banerjee（印度科学教育研究所）：下一代多孔结晶聚合物及共价-有机框架材料将会突破动态共价化学（DCC）的限制。由于不同的有机单元具有不同的性质，组成单元之间的连接方式也多有差别，因此共价键的多样性能够赋予制备的材料突出的性能。曾经我们突破DCC的范畴合成了多孔结晶聚合物，这些材料不仅有多样性的结构，同时还具备一些新性能，为这些材料在聚合物工业中的商业应用研究提供了更多可能。这类材料的另一个优势在于对柔性、响应性结晶共价网络的设计。
Suzanne Bart（普渡大学）：锕系化合物化学家处于无机合成化学的前沿，每天都要突破元素周期表的界限。5f元素所产生的令人惊诧的反应产物不断挑战着锕系元素科学家的开放性和创造性思维。最近在设备和计算技术方面的进展减轻了处理放射性物质的困难，为这一领域的进一步研究开辟了新天地。通过有机合成帮助建立基础化学性质并发现这些元素的基本反应是一项令人激动的工作。
Nadine Borduas-Dedekind（苏黎世联邦理工大学）：多亏了原位、实时分析的发展，尤其是质谱，大气化学家现在掌握了前所未有的关于当今大气中气体和粒子的分子组成信息。在未来的气候研究中，我们的工作是量化气候变化中的人类指纹。其中一个有潜力的，但是充满挑战的方法是对偏僻区域的大气组成进行测量并建模。在大气质量研究中，其目标弄明白不利健康的影响因素与我们生活的多组分大气环境的关系。我对大气化学家给室内空气质量研究带来的创新感到兴奋，这项研究是通过量化反应活性组分、学习短期污染物的生命历程及其对人类健康的影响进行的。
Sukbok Chang（韩国科学技术高级研究院）：对发展能够使得不利于动力学和热力学发生的反应成为可能的催化剂系统的基础机制的理解是合成化学中的一个研究热点。特别是通过可获得的原料——例如简单的碳氢化合物——的直接C-H功能化获得增值化合物是目前一个研究热点。一个直接的方法是使用C-H键活化策略和环境友好的氧化方法实现碳氢化合物的脱氢交叉耦合。通过设计催化剂系统可以对反应活性和选择性进行调控，同时避免原材料预功能化和危险副产物的产生。
Clemence Corminboeuf（洛桑联邦理工学院）：随着机器学习、大数据分析、GPU（图像处理器）加速软件和量子计算机上量子化学的发展，计算机化学正在经历一些根本性变化。特别是具有量子化学性质的机器学习正在蓬勃发展，有可能造成量子化学计算的加速，为快速有效地筛选和发现新的分子和材料提供新的框架和思路。虽然传统方法将继续存在，但机器学习使用的增加将改变一些可以通过计算解决的问题的性质、规模和复杂性。一些剩余的跨种类的限制可以通过创建国家和国际合作的网络、联合不同科学模块被克服。
François-Xavier Coudert（法国科学研究中心）：机器学习已经在改变计算化学，它将原子间势、密度泛函理论(DFT)泛函和结构与性质的关系等方法学进行不同层次集成。目前面临的最大挑战是：在遵循开放科学原则的前提下，根据每个团队的最新研究进展的数据集合将所有努力最大化。开放性科学原则包括：完全开放性、准确定义的元数据和可互相编辑的格式。这不仅可以提高重现性，加快新发现的步伐，还将在化学领域以一种从未有过的方式实现数据挖掘：每一个计算、每一个实验——不论合成的成功与否——都会通过你的指尖创造下一个突破和神奇的材料。
Leroy Cronin（格拉斯大学）：在寻找一种真正自下而上的、不依赖于当前生物学或技术信息的人工生命形式的过程中，开发能够处理自身信息的化学系统(不受观察者干扰)是至关重要的。现在，这样的系统是受人类化学家或分子水平的生物机械控制。但如果有可能产生一个系统，可以创造自己和自己的信息，使化学信使告知其结构或功能，那会怎样呢？自编程化学系统的出现，将成为由“沙子到细胞”这一从无到有的方式创造的自主人工组装技术发展的一个重要里程碑。
Cathleen Crudden（皇后大学）：将分子水平的合成方法和分析技术引入材料化学是非常困难的，但也非常有趣。我们正通过使用n杂环碳烯(NHCs)作为金属超原子簇的配体来解决这一难题。碳烯化合物的优点是，金属-碳键为核磁共振分析提供了一个完美的解决方法，可以对配体-纳米团簇的键接进行直接表征。NHCs简洁的分子化学特性促进了纳米团簇合理的合成路线的发展，我们希望将来它能应用于各种纳米材料。
Tanja Cuk（科罗拉多大学）：研究表面化学转化最令人兴奋的地方是有机会揭示催化循环的真实动力学。我们的目标不仅是及时捕获催化中间体，还要监控它们如何在表面移动，相互作用，生成下一个中间体，最后形成产物的化学键。为了建立这种机制上的理解，我们需要将先进的光谱技术原位应用到催化反应中，该技术在多个数量级上具有高时间分辨率。简而言之，如果我们能确定使催化产物不断进化的过渡态是如何进行的，多相催化领域将进入一个全新的领域。
Abigail G. Doyle（普林斯顿大学）：化学反应和分子结构处于十分复杂的高维空间。合成化学家们对此领域有着广阔的知识和直觉，但对化学反应的发现和优化仍消耗了他们大量的时间和资源，而且对数据的利用度也有限。将机器学习和化学相结合的工具的发明将会扩大当前的实践范围，加快发现分子的步伐。分子的发现对许多社会关注的突出问题而言是非常重要的。想要取得进步就需要各种科学家和工程师发明数据收集及监管、化学空间描述和针对化学问题的预测及解释算法的新方法。
Danna Freedman（西北大学）：量子信息科学有望改变我们的科学格局。化学推导的量子位元在量子传感的子领域特别有吸引力。在子领域中，一个物种的量子特性被用来探测非常小的信号，比如温度、磁场或电场的微小变化。在未来的几十年里，这一领域可能会有新的进展，比如对质子和电子自旋的单分子传感可实现单分子核磁共振，它将使检测处于特定目标状态的一小部分酶(如催化中间体)成为可能。从感知整体到感知单个分子的进步将影响我们对反应机制、生物系统和外来物质的理解。
Shuhei Furukawa（东京大学）：金属-有机框架材料(MOFs)的一个令人激动的前沿研究在于它们在机械应力作用下的可重构的微孔结构。我们现在才刚刚开始了解MOFs的灵活性机制，并设计具有多井势能的材料。进一步了解宏观力是如何转化为层级结构中的分子运动，将有助于对微孔隙度的调控。实现这种“机械孔隙”的关键是协调远程协同和局部结构自由；我相信，最近的研究趋势——控制框架缺陷和无序程度以及制造如凝胶等软物质——将导致这一领域的进展。
Suhrit Ghosh（印度科学普及协会）：超分子聚合物虽然内部有序，但缺乏宏观结构的规律性。最新研究表明，将单体暂时困在休眠状态，利用合适的引发剂可实现超分子链可控增长。近年来，合成具有低分散度和可预测的聚合度的超分子已经成为可能。与共价嵌段聚合物相类似的具备可控序列的含有多个构建单元的超分子共聚正在研究中。这一基本进展为实现在不同长度都具备结构精度的复杂分子的组装开辟了新的道路，例如在生物系统中普遍存在的分子组装。
Frank Glorius（明斯特大学）：这是催化的黄金时代，随着大量催化技术和不断改进的分析工具的开发，最令人兴奋和重要的挑战正等待着我们。我尤其对三个发展领域感兴趣。首先，多相催化，需要更深入的分子理解，才能设计出新的、更高效的工业过程催化剂。其次，用于复杂分子后期功能化（例如，使用C-H活化）的新策略和改进的催化。最后，我相信，通过基于信息的策略，如智能筛选或人工智能和机器学习发现的新反应，将极大地改变催化和化学领域。
Malika Jeffries-EL（波士顿大学）：近年来，有机半导体的发展已经超越了基础的学术研究，并被用于许多商业应用。虽然具备很大的潜力，但是通过简单合成步骤制备的具有理想性能的新材料才是真正需要的，能够使“塑料电子”成为可能。有机半导体的性能取决于其结构与光电特性之间的相互作用，它们都依赖于许多相关变量的优化，如能级、带隙和电荷输运。因此，为了迎接这些挑战，需要新的计算工具、合成路线以及有机化学家、理论家、物理学家、材料科学家和电气工程师的协同合作。
Nathalie Katsonis（特温特大学）：在我的研究领域中，最令人兴奋的挑战是解开分子运动的规律，因为它们将帮助我们使无生命的物质运动起来。我们仍然不知道非生物化学是如何过渡到定向运动的，而定向运动是生命的一个基本特征。但我强烈地感觉到，我所研究的人工分子机器将解开这个秘密。在这个过程中，我期待着无与伦比的人造分子机器的产生，这种分子机器可以通过反馈回路和非线性响应协同工作，并产生自适应运动。最终，这些化学变化也许能创造出能够进行出集体、有目的的行为的可移动原始细胞。
Sara Snogerup Linse（隆德大学）：分子自组装是膜、细胞器和多聚体蛋白等生物结构形成的基础过程。蛋白质和多肽的自组装也与一些毁灭性的人类疾病相关，尽管在许多情况下，组装过程和病理之间的确切联系仍有待发现。聚集是一个原因、结果，还是影响因素或者别的？我们能否根据物理化学原理，使用调制器来控制组装和解组装？我们是否可以向自然学习制备性能可调控的可切换组装材料？为了回答这些问题，我们需要对区分有益及致病组装体的化学特性有一定的了解。
Silvia Marchesan（里雅斯特大学）：近两个世纪以来，化学家们对手性有着很大的研究兴趣。从亚原子尺度到银河，手性带来了许多意想不到的奇迹。同质性在自然界中发挥着重要作用，但异质组合在构建功能宏观网络中的重要性和潜在的应用价值不容低估。渴望模仿自然优雅的复杂性的超分子系统也需要具备可持续性。其中一个重大的挑战在于破译自然的设计规则，从而使得我们能够对信息进行编码得到不同层级的构建模块，这些构建模块自组装得到具有层次性和特定功能的动态结构，正如我们所知道的，大自然将生命的各个组成部分组装起来一样。
Nuno Maulide（维也纳大学）：有机合成领域令人兴奋的机遇当然包括为有机化合物中对C-H键进行量身定做的操纵方法的发展，以及对“解构”丰富的人造化合物和生物质的新反应的发现。的确，有机化学领域毫无疑问已经对C-C键形成反应产生了兴趣，但相比之下，同样强大的C-C键裂解过程的研究却落后了。将精细的化学工艺扩展到智能材料和适应性强的有机分子领域，也可能是一项改变游戏规则的努力。
Anat Milo（本·古里安大学）：在这个自动化的时代，合成化学得到了更多的改进，分子设计被算法所增强，这些算法能够处理我们无法轻易在头脑中捕捉到的众多特征，合成的未来是光明且迷人的。目前一个主要的挑战将在于我们需要把对化学的理解融入21世纪的技术中，而不是简单地跟随最新的趋势。除了完善制造分子的任务，我们作为化学家更需要利用我们工具箱里的所有方法——旧的、新的和那些尚待发现的方法——来实现它们的潜力、阐明机制并设计一个可持续的未来
Alison R. H. Narayan（密歇根大学）：随着可用的天然蛋白质序列数目的指数增长和蛋白质设计能力的提升，生物催化的潜力达到了空前的高度。未来10年，生物催化对合成化学的影响局限于化学家在利用自然平台进行催化的创造性，以及他们是否愿意将酶放入烧瓶中。了解这些体系中控制催化和选择性的机制，将使多种新反应成为可能，并为传统方法无法克服的难题提供解决方案。
Panče Naumov（拉德克利夫哈佛大学高级研究所）：分子晶体是一类独特的材料，它将各向异性所固有的结构控制与中相材料类似的快速能量转移、机械顺应性和柔性相结合。大量报道描述了它们的结构，但仍有一个问题始终存在，即它们适合使用吗？这个问题的答案根植于工程设计原理和优化，是一种化学家不甚了解的语言。这项研究的重点必须从结构向性质和功能转移，除非建立性能指标，否则分子晶体的优异的性质将会在炒作和承诺之间徘徊。
Cristina Nevado（苏黎世大学）：由增长的人口造成的需求量增加和日益紧缩的自然资源所带来的挑战需要从化学方面找到解决办法。这包括发展具有高度选择性、高能效和环境友好的方法以生产具有特定性质的革命性新材料，以及开拓对现有原料的有效转变过程，以确保新物质和现有物质的可持续生产。各种形式的催化作用，以及对化学过程更深层次的机械学的理解，将在满足当前和未来社会需求方面发挥核心作用。
Tebello Nyokong（日罗兹大学）：微生物对药物的耐药性，以及持续不断的空气和水污染，构成了重大的科学挑战。作为光催化剂的新型“智能杂化”材料在这些关键领域具有令人看好的前景。这些杂化材料在不同的组分中结合了不同的需要的性能，但综合之后，它们形成了一个独特的多功能结构。利用可持续的绿色光催化剂是一个明智的方法，因为它们在水处理过程中不会释放任何额外的污染物，而微生物对它们产生耐药性的可能性很低。这一领域的进展将依赖于能够降解污染物同时消除病原体的杂化材料的发展。
Rosa Palacin（巴塞罗那材料科学研究所）：目前电池研究是一个有前景的领域，主要的研究方向受交通电气化和可再生资源集成等相关的应用所掌控的。主要目标是通过使用金属阳极提高电池寿命和能量密度，需要电化学、材料科学和工程方面的技能。机器学习和人工智能最近已经成为有望催生颠覆性发现的途径。最后但同样重要的是，可持续性是至关重要的：必须避免使用有害材料，促进循环利用，并强制使用低二氧化碳排放的制造工艺。
Marc Reid（斯克莱德大学）：《自然化学》的十周年纪念日与谢莉·桑吉(Sheri Sangji)因洛杉矶加州大学一场本可避免的实验室事故而不幸去世的十周年日期十分接近。尽管人们看好未来的反应监测技术、化学信息学和可编程的晚期甲基化化学的发展前景是可以理解的，但如果这些研究不能被安全完成，那么这些研究都无关紧要。如果我们上班不回家，所有的一切都无关紧要。因此，我们面临的最大挑战是：我们如何才能更好地理解并消除我们在实验室安全方面的失误？
Carol Robinson（牛津大学）：质谱分析可用于了解膜蛋白与脂质环境的相互作用。但这具有一定的挑战性，因为大多数实验都需要从细胞膜中提取蛋白质，而这个过程往往会干扰蛋白质和脂质之间的相互作用。现在的主要目标是：将复合物转移到气相的过程中仍然保持膜蛋白处于原始状态及相关脂质的完整性。将蛋白质复合物从脂质囊泡中释放出来并直接被发射到质谱仪中对我们而言是一个较大的突破。未来的发展也包括将这项技术运用于不同类型组织的膜中。
Gregory Robinson（佐治亚大学）：我们面临的全球挑战——例如发展可再生能源、根除疾病、建立更有效的粮食生产流程和应对气候变化——都令人生畏。虽然这些不同问题的解决办法必然是多方面的，但地球上丰富的元素和主要的群元素的化学过程无疑将发挥重要作用。值得注意的是，这些问题的化学过程以及这些问题的解决方法的化学过程都应该公开地向大众和政府官员进行有效的宣传。因此，在培养化学家时，我们必须更加重视公众演讲和一般写作技巧。未来需要优雅的化学和雄辩的化学传播者。
Richmond Sarpong（加利福尼亚大学伯克利分校）：有机合成在很大程度上支撑着改善我们生活的制药、材料和农业化学工业。在21世纪，我们不仅要掌握操纵有机分子外围电子的能力，而且要准确地打破和改造有机化合物的C-C键结构，所谓的“C-C激活”。可以通过信息和计算机技术的发展以及如机器学习和数据科学等多学科的交叉实现的另一个吸人眼球的方向是利用计算机促进科学家发现合成复杂分子的有效途径（策略）。真正实用的计算机辅助合成具有可预见的光明的未来！
Corinna Schindler（密歇根大学）：路易斯酸催化羰基烯烃转位反应是近年来发展起来的一种新的C-C键的形成方法。这些转变最令人兴奋的方面在于，它们有望成为羰基烯烃化反应和烯烃功能化的替代策略。然而，为了显著拓宽催化羰基烯烃化合的底物范围，需要新的、更强的路易斯酸。因此，开发能够有效地激活目前无反活性的底物，扩大我们能够制备的产物范围的新的催化系统，将是该领域未来研究中最有趣和最有价值的方面。
Gabriela S. Schlau-Cohen（麻省理工学院）：眼见为实！众所周知，膜蛋白在生命的各个领域负责管理信息和物质的流动，但人们对于造成这一非凡成就的基础的认识仍然是模糊的。分子水平的操作和测量技术的进步使我们对这些蛋白质在空间和时间上的认识更加清晰。对它们的化学动力学和能量特性的控制——甚至实时控制——是下一个前沿领域。在该领域，针对人类健康和农业以及对能够这些重要且普遍存在的分子的有基本了解的新技术具有很大的潜力。
Timothy W. Schmidt（新南威尔士大学）：单线态裂变在许多分子系统中都有发生，针对快速高效吸热的单线态裂变的设计规则正在出现。为了正确利用这一现象并提高太阳能转换效率，我们必须学习如何有效地将分子三重态激子直接或由光子介导转移到硅等半导体上。最具挑战性的发展将是发现不会再阳光下降解的有效的吸热单线态裂变材料。
Roberta Sessoli（佛罗伦萨大学）：性能更好的催化剂、能耗更低的设备和更高效的能源生产流程构成了通往可持续世界的必由之路。电子的自旋在所有涉及电子转移的过程中起着关键的作用，手性选择性作为关键成分，帮助自然进化对这些过程进行优化。我们也是刚刚了解自旋自由度和分子手性之间复杂的相互作用。在分子尺度上研究和控制自旋相关电子输运的新工具的开发，也可能为量子技术的新兴领域开辟新的前景。
Hanadi Sleiman（麦吉尔大学）：作为治疗、诊断工具的核酸和纳米结构有望改变医学和材料科学的面貌。该领域的两大挑战是细胞递送和大规模合成。随着去年第一个siRNA治疗药物被批准，中等规模的合成已经实现，我们正在取得卓越的进展。但要理解核酸物质与生物环境之间的界面，还有很长的路要走。尽管我们许多人梦想着将DNA这种前所未有的可编程性应用到光学、电子、磁性或刺激响应材料上，但实现这一梦想将需要规模化的合成和稳定的DNA结构。
John Sutherland（MRC分子生物学实验室）：在过去的十年里，系统化学方法加速了对氨基酸、核酸和现存生物脂质构造单元的生物前可行性路线的发现，除此之外并没有更多的进展，这也让我们拒绝相信化学选择与自然选择一样有力这一观念。提炼这些以合成为基础的通用化学指导的地球化学设想应该反过来让化学简化。我们现在在脂质囊泡中寻找RNA和多肽的协同、复制组装过程。我们也必须思考在非平衡状态下能量耗散是如何维持这一系统的以及如何能激发这种过程。
Annette Taylor（谢菲尔德大学）：在细胞内发生的反应仍然是产生许多复杂化学物质的最有效途径。系统及合成生物学的发展也使得细胞过程更加可控。受到创造人造生命的目的的启发，另一种替代方式是划分相互作用的化学物质网络。然而，在我们能够像生物学那样以同样的稳定性控制这些混合物之前，在系统化学方面还有很长的路要走。在未来，随着我们越来越擅长设计受生物启发的反应网络，从微生物工厂可能会转向合成细胞工厂。
Akif Tezcan（加州大学圣地亚哥分校）：蛋白质是构建复杂生化机器和动态材料的基本构建单元，从nm到mm尺度，使得无生命变成有生命。分子设计的一个重要的前沿领域是对该长度尺寸下自组装蛋白质构建单元的控制能力，以及他们以时间或空间控制的方式对其与有机、重组以及其他生物或非生物物质的相互作用的预测能力。沿着这些思路，另一个有前景的方法是设计并改进合成蛋白质或蛋白质组装行为，比现代生物利用更多元素周期表中的元素。
Mariola Tortosa（马德里自治大学）：开发利用被认为是惰性官能团的催化转化体系是一个持续的挑战。C-C键活化的方法仍处于起步阶段，该领域的进展改变了科学家设计新分子的方式。人们需要有选择性的催化剂来扩大高度衍生化合物后期功能化的方法，这方面的研究将对加速药物发现过程产生深远的影响。生物聚合物的选择性修饰是另一个令人兴奋的前沿领域，设计生物偶联的新方法为合成化学家提供了最具挑战性的机会之一。
Aron Walsh（伦敦帝国理工学院）：是时候让化学家放下他们的实验室外套，学习如何编码了。目前计算化学领域发生了许多令人兴奋的变化，从开放源码协作工具的使用、结构属性数据库的扩展，到化学系统机器学习的首次成功。化学、数学、计算机科学和工程学的学科交叉是具有挑战性的，但也是让我们受益良多的。通过利用这些工具，未来我们将探索新的化学成分，并发现具有远超出在自然界所发现的奇异特性的材料
Allan J. B. Watson（圣安德鲁斯大学）：催化反应先验设计的计算预测将是合成化学发展的一个重要课题。通过对具有良好特定性能催化体系的参数化研究，这一技术已然出现。这一领域的一个重大挑战在于如何对动力学进行合理化设计并最终加以控制。理解多配体和多金属系统的动力学并从反应过程之初对反应进行较好的控制将会对新催化反应的发展大有裨益，促进新应用产生，加快化学合成。
Bert M. Weckhuysen（乌得勒支大学）：我们的社会应该变得更加可持续，因此我们将不得不考虑“循环”。目前的化学过程旨在有效地将X转换成Y，但尚未将Y在使用后转换回X的研究。因此，分子或材料Y必须被加以设计，这样我们才能很容易地将它回收，并制造出X或一个全新的分子或材料。这种思维方式（“原子和分子的循环”）将影响化学的许多领域，包括催化、有机化学和材料化学，因为我们将不得不合成我们的日常用品，在耐用的同时，还要能够进行化学回收。
Emily Weiss（西北大学）：我相信，激发态（非热态）化学即将成为合成化学的中坚力量。使反应分子脱离电子平衡，或者创造新的反应系统-环境相互作用从而将整个反应系统脱离热力学平衡都可以很快地对光化学和光催化反应的反应活性以及选择性进行控制。这种干涉可以通过将系统与谐振腔耦合来创建一个新的极化子势表面，或者通过与能对反应作出机械或化学响应的材料的耦合来实现，这样反馈回路就会放大催化作用。这中方法天然酶的功能相类似。
Daniela Wilson（内梅亨大学）：复杂的类生命分子系统的发展道路上一个重大挑战是理解并设计能够通过收集来自不同资源的能量产生定向移动和能够对环境变化进行感知、交流、相互作用和响应的并能适应环境改变的自发系统。这些仿生运动系统最终能够根据复杂的生物环境中的变化来控制它们的运动、方向、速度和行为。这些特性可能会改变生物医学领域的游戏规则，目前生物医学领域仅依赖被动高剂量药物传输系统。
Jackie Y. Ying（新加坡纳米生物实验室）：化学将对新生物材料的应用产生越来越广泛的影响，特别是随着更复杂的系统变得可用和实用。能够实现药物和疫苗—最好是口服药物和疫苗—可控递送和基因药物靶向递送的生物相容性载体的设计和合成尤其需要研究上的突破。为了控制传染性疾病在人类、动物、植物和环境中的传播，人们迫切地需要开发一种新型的、以有机或无机材料合成的且不会产生耐药性的抗菌剂。
Tehshik Yoon（威斯康辛大学）：对映体选择性反应需要一些手性信息。在实践中的手性通常是由手性化学试剂提供的，但长期以来人们一直假设手性物理作用力也可能影响反应的立体化学。圆偏振光(CPL)是一种固有的手性物理作用力，它由各种天文现象自然产生，被认为是生命起源以前同手性的潜在来源。迄今为止，CPL唯一的成功在于具有较低选择性的原理验证试验。然而，对这一问题的一般性解决方案可以深刻地影响立体选择性合成，并对生命起源提供见解。
Aldo J. G. Zarbin（巴拉那联邦大学）：全球对能源需求的不断增长开辟了令人激动的新领域，即发展在提升可持续能源技术效率的同时不破坏环境的、具有成本效益的材料。随着世纪的推移，对新结构、新合成路线以及在薄膜等材料中复合其它材料的新的加工技术的研究将会变得非常重要。此外，了解新兴材料——例如纳米碳化物、二维材料、钙钛矿、金属和半导体纳米颗粒以及纳米复合材料——在高效太阳能光伏转换、电解水制氢、大容量电池和超级电容器以及水环境操作装置等方面的应用潜力也是一项巨大的挑战。 原文于2019年3月22日发布在Nature Chemistry官网。 全文链接： https://www./articles/s41557-019-0236-7
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