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快播:點擊一下 ,獲取今年諾獎點擊化學(xué)的知識點!

時間:2022-10-12 16:42:40    來源:科普中國網(wǎng)    

北京時間2022年10月5日,2022年度自然科學(xué)類諾貝爾獎揭曉了最后一個獎項。美國化學(xué)家卡羅琳·R.貝爾托西(Carolyn R. Bertozzi),丹麥化學(xué)家莫滕·梅爾達(dá)爾(Morten Meldal)以及美國化學(xué)家K.巴里·沙普利斯(K. Barry Sharpless)榮獲本年度諾貝爾化學(xué)獎。他們的獲獎理由是表彰他們“對點擊化學(xué)和生物正交化學(xué)的發(fā)展”的貢獻(xiàn)。

(圖片來源:諾獎官網(wǎng))

值得一提的是,沙普利斯已經(jīng)于2001年因“手性催化反應(yīng)”獲得過諾貝爾化學(xué)獎,他也成了第五位兩獲諾獎的科學(xué)家。貝爾托西則是一位女性化學(xué)家??磥斫衲甑闹Z貝爾化學(xué)獎自帶了一波話題性。


【資料圖】

很多人都表示,讓沙普利斯和梅爾達(dá)爾獲獎的點擊化學(xué)光聽名字完全摸不著頭腦。那么,點擊化學(xué)到底是一種怎樣的化學(xué)?其實它的中文譯名略有歧義,讓人沒法見文知意。今天,我們就來用通俗的語言講解一下點擊化學(xué)的基礎(chǔ)知識。

化學(xué)家:我體會到女媧的快樂了

分子的功能和其結(jié)構(gòu)密切相關(guān),很多時候,化學(xué)就是一種設(shè)計和構(gòu)建分子的學(xué)科。

對一般人來說,我們更為看重的是分子的“功能”,因此,通過開發(fā)出新的分子結(jié)構(gòu)從而創(chuàng)造新的功能性分子也是化學(xué)研究的目標(biāo)。我們身邊的調(diào)味品、染料、塑料以及新藥等,從本質(zhì)上來說都是各種功能性分子。

分子結(jié)構(gòu)的多樣性是無限的,例如,即使是僅由H、C、N、O、P、S、F、Cl和Br組成的不超過30個原子大小的分子,也可以有10的63次方種可能的分子結(jié)構(gòu)。這個數(shù)字大約是構(gòu)成太陽的原子總數(shù)的100萬倍。

在數(shù)量如此龐大的候選分子中,自然有許多分子具有人類所需的功能,極端地講,這些分子幾乎能夠為人類的任何要求提供解決方案。然而,人類面臨的問題是“如何找到答案”。

當(dāng)化學(xué)家試圖創(chuàng)造一個具有新功能的分子時,最大的困難其實是人類構(gòu)建新分子的工具有限。也就是說,化學(xué)家并不能隨心所欲地設(shè)計自己想要的分子,而只能依賴現(xiàn)有的反應(yīng)去制造有限種類的分子。

這就好比我們想要組裝一部汽車,如果手頭的螺栓和螺母是專門為某輛汽車而設(shè)計的特殊零件,那么我們就很難用它們造出與這輛車完全不同的一架飛機(jī)。也正是因為螺栓和螺母決定了部件之間的連接方式,產(chǎn)品的最終形狀也就固定了下來。換成化學(xué)的語言就是,分子連接的方式,決定了最終產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)。

點擊化學(xué)——化學(xué)家用了都說好

在150多年的歷史中,現(xiàn)代化學(xué)已經(jīng)發(fā)展出了許多優(yōu)秀的技術(shù)來制造分子,或者將小分子的各個部分結(jié)合在一起形成更大的分子。

然而,這些反應(yīng)的條件大多十分苛刻,需要科學(xué)家用很高的技巧才能完成。比如科學(xué)家需要在嚴(yán)格的條件下小心地處理易燃易爆的高活性試劑,十分危險。同時,副反應(yīng)往往極大地影響產(chǎn)率,很多時候,人類真正想要獲得的分子僅僅只有百分之幾的產(chǎn)率,效率極低,這讓隨后的分離和提純也十分困難。

為了克服這些缺點,夏普萊斯等人在2001年開發(fā)了一個優(yōu)秀的反應(yīng),他們將其命名為“點擊化學(xué)”。這一反應(yīng)執(zhí)行起來非常簡單,能夠很容易地將不同類型的分子連接在一起,以很高的效率得到所需的產(chǎn)品,沒有或只有極少量的副產(chǎn)品。且此反應(yīng)在各種條件下都能有效進(jìn)行,包括在水中也可以正常地發(fā)生反應(yīng)。

“點擊”一詞的中文翻譯其實略微偏離原意,本來“click”一詞具有的一個義項是指兩個部件連接時發(fā)出“咔嗒”聲。點擊化學(xué)的先驅(qū)者們,認(rèn)為自己開發(fā)的方法可以輕松地將兩個分子連接在一起,就像安全帶的扣子扣上時發(fā)出“咔嗒”一聲。由于“click”更為常見的義項是“點擊”,而點擊也暗含有便利、輕松之義,因此“點擊化學(xué)”就作為公認(rèn)的譯名流行開來。

實際中的點擊化學(xué),構(gòu)成“卡扣”的兩個分子只要在彼此可觸及的范圍內(nèi)就會相互連接,無論它們的另外一端連接在什么部位。此外,“卡扣”的兩端只與它們的伙伴彼此相連,不會隨意與分子的其他部分相連。

也許,“點擊化學(xué)”叫“咔嗒化學(xué)”更合適

(圖片來源:諾獎官網(wǎng))

功成名就?諾獎只是人家的起點

點擊化學(xué)的概念以及成功實例誕生后,化學(xué)家們開始相信,就算不用“矯情”的傳統(tǒng)合成方法,也能夠用簡單的方法輕松合成復(fù)雜的分子。于是相關(guān)研究的熱潮迅速風(fēng)靡全球,夏普萊斯教授的第一篇點擊化學(xué)論文,20年間已有近萬次引用,足見該學(xué)科的影響力之大。

關(guān)于點擊化學(xué)到底是一類怎樣的反應(yīng),由于涉及一定深度的化學(xué)知識,我們就不舉例說明了。一般來說,符合點擊化學(xué)要求的反應(yīng)具有下面的特征。第一,具有很高的產(chǎn)率。第二,作為起始原料的小分子結(jié)構(gòu)簡單。第三,幾乎不發(fā)生副反應(yīng)。第四,實驗操作簡便,無需層析一類精制流程。第五,能夠在水中進(jìn)行反應(yīng)。

點擊化學(xué)反應(yīng)實例:在催化劑(Cu離子)存在的條件下,疊氮化物和炔烴可以合成三唑(經(jīng)典的抗真菌藥物)

(圖片來源:諾獎官網(wǎng))

實際上,滿足上述要求的反應(yīng)在夏普萊斯提出點擊化學(xué)之前就已經(jīng)有個別實例,但夏普萊斯和梅爾達(dá)爾等人開發(fā)出了若干實用、易用、好用的點擊化學(xué)反應(yīng),他們的貢獻(xiàn)讓點擊化學(xué)成了真正的熱門學(xué)科。

不過,必須指出的是,目前符合點擊化學(xué)要求的反應(yīng),種類仍然有限。我們可以說人類開發(fā)了新的工具,但不能說這種工具已經(jīng)被我們用到了極限。隨著夏普萊斯等人獲得諾獎,相信在未來會有更多的點擊化學(xué)成果誕生。

出品:科普中國

作者:張昊

標(biāo)簽: 分子結(jié)構(gòu) 諾貝爾化學(xué)獎 螺栓和螺母

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