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诺奖问答| 2022 年诺贝尔化学奖授予点击化学和生物正交化学 ，有哪些信息值得关注？****** 相比起今年诺贝尔生理学或医学奖 、物理学奖 的高冷，今年诺贝尔化学奖其实是相当接地气了 。 你或身边人正在用 的某些药物 ，很有可能就来自他们的贡献。
2022 年诺贝尔化学奖因「点击化学和生物正交化学」而共同授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西、丹麦化学家莫滕·梅尔达 、美国化学家巴里·夏普莱斯（第5位两次获得诺贝尔奖的科学家）。 一、夏普莱斯：两次获得诺贝尔化学奖 2001年，巴里·夏普莱斯因为「手性催化氧化反应[1] [2] [3]」获得诺贝尔化学奖，对药物合成（以及香料等领域）做出了巨大贡献。 今年，他第二次获奖的「点击化学」 ，同样与药物合成有关。 1998年，已经 是手性催化领军人物 的夏普莱斯，发现了传统生物药物合成 的一个弊端 。
过去200年 ，人们主要在自然界植物 、动物，以及微生物中能寻找能发挥药物作用 的成分 ，然后尽可能地人工构建相同分子，以用作药物。 虽然相关药物 的工业化，让现代医学取得了巨大 的成功 。然而随着所需分子越来越复杂 ，人工构建的难度也在指数级地上升。 虽然有 的化学家 ，的确能够在实验室构造出令人惊叹 的分子 ，但要实现工业化几乎不可能 。 有机催化是一个复杂的过程，涉及到诸多的步骤 。 任何一个步骤都可能产生或多或少的副产品。在实验过程中，必须不断耗费成本去去除这些副产品。 不仅成本高，这还 是一个极其费时 的过程 ，甚至最后可能还得不到理想 的产物 。 为了解决这些问题 ，夏普莱斯凭借过人智慧，提出了「点击化学（Click chemistry）」的概念[4] 。 点击化学 的确定也并非一蹴而就 的 ，经过三年 的沉淀 ，到了2001年，获得诺奖 的这一年，夏普莱斯团队才完善了「点击化学」 。 点击化学又被称为“链接化学”，实质上是通过链接各种小分子，来合成复杂 的大分子。 夏普莱斯之所以有这样 的构想 ，其实也 是来自大自然 的启发。 大自然就像一个有着神奇能力的化学家，它通过少数 的单体小构件，合成丰富多样的复杂化合物 。 大自然创造分子 的多样性是远远超过人类的，她总 是会用一些精巧 的催化剂，利用复杂 的反应完成合成过程，人类 的技术比起来，实在是太粗糙简单了。 大自然 的一些催化过程，人类几乎是不可能完成 的。 一些药物研发 ，到了最后却破产了 ，恰恰是卡在了大自然设下 的巨大陷阱中 。 夏普莱斯不禁在想 ，既然大自然创造 的难度，人类无法逾越，为什么不还给大自然，我们跳过这个步骤呢 ？ 大自然有 的 是不需要从头构建C-C键，以及不需要重组起始材料和中间体。 在对大型化合物做加法时 ，这些C-C键 的构建可能十分困难 。但直接用大自然现有 的，找到一个办法把它们拼接起来 ，同样可以构建复杂的化合物 。 其实这种方法，就像搭积木或搭乐高一样 ，先组装好固定的模块（甚至点击化学可能不需要自己组装模块 ，直接用大自然现成 的），然后再想一个方法把模块拼接起来。 诺贝尔平台给三位化学家 的配图，可谓是形象生动[5] [6] ：
夏普莱斯从碳-杂原子键上获得启发 ，构想出了碳-杂原子键（C-X-C）为基础 的合成方法 。 他 的最终目标 ， 是开发一套能不断扩展的模块，这些模块具有高选择性，在小型和大型应用中都能稳定可靠地工作。 「点击化学」的工作 ，建立在严格的实验标准上： 反应必须是模块化 ，应用范围广泛 具有非常高的产量 仅生成无害的副产品 反应有很强 的立体选择性 反应条件简单(理想情况下，应该对氧气和水不敏感) 原料和试剂易于获得 不使用溶剂或在良性溶剂中进行(最好是水) ，且容易移除 可简单分离 ，或者使用结晶或蒸馏等非色谱方法，且产物在生理条件下稳定 反应需高热力学驱动力（>84kJ/mol） 符合原子经济 夏尔普莱斯总结归纳了大量碳-杂原子 ，并在2002年 的一篇论文[7]中指出 ，叠氮化物和炔烃之间的铜催化反应 是能在水中进行 的可靠反应 ，化学家可以利用这个反应 ，轻松地连接不同的分子 。 他认为这个反应 的潜力是巨大的，可在医药领域发挥巨大作用 。 二、梅尔达尔 ：筛选可用药物 夏尔普莱斯的直觉 是多么地敏锐，在他发表这篇论文的这一年 ，另外一位化学家在这方面有了关键性 的发现 。 他就 是莫滕·梅尔达尔。
梅尔达尔在叠氮化物和炔烃反应的研究发现之前 ，其实与“点击化学”并没有直接 的联系。他反而是一个在“传统”药物研发上 ，走得很深 的一位科学家。 为了寻找潜在药物及相关方法，他构建了巨大 的分子库，囊括了数十万种不同的化合物 。 他日积月累地不断筛选，意图筛选出可用 的药物 。 在一次利用铜离子催化炔与酰基卤化物反应时，发生了意外，炔与酰基卤化物分子的错误端（叠氮）发生了反应，成了一个环状结构——三唑 。 三唑 是各类药品、染料，以及农业化学品关键成分的化学构件。过去的研发，生产三唑 的过程中，总是会产生大量 的副产品。而这个意外过程 ，在铜离子 的控制下 ，竟然没有副产品产生。 2002年 ，梅尔达尔发表了相关论文。 夏尔普莱斯和梅尔达尔也正式在“点击化学”领域交汇，并促使铜催化 的叠氮-炔基Husigen环加成反应（Copper-Catalyzed Azide–Alkyne Cycloaddition） ，成为了医药生物领域应用最为广泛的点击化学反应。
三、贝尔托齐西 ：把点击化学运用在人体内 不过，把点击化学进一步升华 的却是美国科学家——卡罗琳·贝尔托西 。
虽然诺奖三人平分 ，但不难发现，卡罗琳·贝尔托西排在首位，在“点击化学”构图中，她也在C位 。 诺贝尔化学奖颁奖时，也提到 ，她把点击化学带到了一个新 的维度 。 她解决了一个十分关键 的问题 ，把“点击化学”运用到人体之内 ，这个运用也完全超出创始人夏尔普莱斯意料之外 的。 这便是所谓 的生物正交反应，即活细胞化学修饰，在生物体内不干扰自身生化反应而进行 的化学反应 。 卡罗琳·贝尔托西打开生物正交反应这扇大门 ，其实最开始也和“点击化学”无关。 20世纪90年代，随着分子生物学 的爆发式发展，基因和蛋白质地图 的绘制正在全球范围内如火如荼地进行 。 然而位于蛋白质和细胞表面 ，发挥着重要作用的聚糖 ，在当时却没有工具用来分析 。 当时，卡罗琳·贝尔托西意图绘制一种能将免疫细胞吸引到淋巴结的聚糖图谱，但仅仅为了掌握多聚糖 的功能就用了整整四年的时间。 后来 ，受到一位德国科学家的启发 ，她打算在聚糖上面添加可识别的化学手柄来识别它们 的结构 。 由于要在人体中反应且不影响人体 ，所以这种手柄必须对所有 的东西都不敏感 ，不与细胞内的任何其他物质发生反应。 经过翻阅大量文献 ，卡罗琳·贝尔托西最终找到了最佳 的化学手柄 。 巧合是 ，这个最佳化学手柄 ，正 是一种叠氮化物，点击化学 的灵魂。通过叠氮化物把荧光物质与细胞聚糖结合起来，便可以很好地分析聚糖 的结构 。 虽然贝尔托西的研究成果已经 是划时代 的 ，但她依旧不满意 ，因为叠氮化物 的反应速度很不够理想 。 就在这时，她注意到了巴里·夏普莱斯和莫滕·梅尔达尔的点击化学反应。 她发现铜离子可以加快荧光物质 的结合速度 ，但铜离子对生物体却有很大毒性，她必须想到一个没有铜离子参与 ，还能加快反应速度 的方式 。 大量翻阅文献后 ，贝尔托西惊讶地发现，早在1961年，就有研究发现当炔被强迫形成一个环状化学结构后，与叠氮化物便会以爆炸式地进行反应 。
2004年 ，她正式确立无铜点击化学反应（又被称为应变促进叠氮-炔化物环加成），由此成为点击化学的重大里程碑事件。
贝尔托西不仅绘制了相应的细胞聚糖图谱，更是运用到了肿瘤领域。 在肿瘤的表面会形成聚糖，从而可以保护肿瘤不受免疫系统 的伤害。贝尔托西团队利用生物正交反应 ，发明了一种专门针对肿瘤聚糖的药物。这种药物进入人体后 ，会靶向破坏肿瘤聚糖 ，从而激活人体免疫保护。 目前该药物正在晚期癌症病人身上进行临床试验 。 不难发现，虽然「点击化学」和「生物正交化学」的翻译，看起来很晦涩难懂 ，但其实背后 是很朴素 的原理。一个是如同卡扣般 的拼接 ，一个 是可以直接在人体内的运用 。 「 点击化学」和「生物正交化学」都还 是一个很年轻 的领域，或许对人类未来还有更加深远的影响。（宋云江） 参考 https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2001/press-release/ Pfenninger, A. Asymmetric Epoxidation of Allylic Alcohols: The Sharpless Epoxidation[J]. Synthesis, 1986, 1986(02):89-116. Rao A S . Addition Reactions with Formation of Carbon–Oxygen Bonds: (i) General Methods of Epoxidation - ScienceDirect[J]. Comprehensive Organic Synthesis, 1991, 7:357-387. Kolb HC, Finn MG, Sharpless KB. Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions. Angew Chem Int Ed Engl. 2001 Jun 1;40(11):2004-2021. https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/popular-chemistryprize2022.pdf https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/advanced-chemistryprize2022.pdf Demko ZP, Sharpless KB. A click chemistry approach to tetrazoles by Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition: synthesis of 5-acyltetrazoles from azides and acyl cyanides. Angew Chem Int Ed Engl. 2002 Jun 17;41(12):2113-6. PMID: 19746613. 幸运快三彩票计划地图 |
