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