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

（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”獲得過諾貝爾化學獎，他也成了第五位兩獲諾獎的科學家。貝爾托西則是一位女性化學家?？磥斫衲甑闹Z貝爾化學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爾獲獎的點擊化學光聽名字完全摸不著頭腦。那么，點擊化學到底是一種怎樣的化學？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的基礎知識。

化學家：我體會到女媧的快樂了

分子的功能和其結構密切相關，很多時候，化學就是一種設計和構建分子的學科。

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)出新的分子結構從而創(chuàng)造新的功能性分子也是化學研究的目標。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。

分子結構的多樣性是無限的，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構。這個數(shù)字大約是構成太陽的原子總數(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”。

當化學家試圖創(chuàng)造一個具有新功能的分子時，最大的困難其實是人類構建新分子的工具有限。也就是說，化學家并不能隨心所欲地設計自己想要的分子，而只能依賴現(xiàn)有的反應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。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。換成化學的語言就是，分子連接的方式，決定了最終產(chǎn)物的分子結構。

點擊化學——化學家用了都說好

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

然而，這些反應的條件大多十分苛刻，需要科學家用很高的技巧才能完成。比如科學家需要在嚴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，他們將其命名為“點擊化學”。這一反應執(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。且此反應在各種條件下都能有效進行，包括在水中也可以正常地發(fā)生反應。

“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。點擊化學的先驅(qū)者們，認為自己開發(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”就作為公認的譯名流行開來。

實際中的點擊化學，構成“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”叫“咔嗒化學”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

點擊化學的概念以及成功實例誕生后，化學家們開始相信，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雜的分子。于是相關研究的熱潮迅速風靡全球，夏普萊斯教授的第一篇點擊化學論文，20年間已有近萬次引用，足見該學科的影響力之大。

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

點擊化學反應實例：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在夏普萊斯提出點擊化學之前就已經(jīng)有個別實例，但夏普萊斯和梅爾達爾等人開發(fā)出了若干實用、易用、好用的點擊化學反應，他們的貢獻讓點擊化學成了真正的熱門學科。

不過，必須指出的是，目前符合點擊化學要求的反應，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成果誕生。

出品：科普中國

作者：張昊

標簽： 分子結構 諾貝爾化學獎 螺栓和螺母