化学诺奖:81岁“不聪明”横跨二十一年的两次获奖

作者: 李研

来源: 知识分子

发布日期: 2022-10-05 18:50:10

2022年诺贝尔化学奖授予三位科学家,表彰他们在点击化学和生物正交化学领域的贡献。其中,卡尔·巴里·沙普利斯是第二次获得诺贝尔奖。点击化学理念强调快速可靠地完成分子合成,而沙普利斯的研究团队在2014年提出了一种新型点击化学反应,显示出巨大的应用前景。

2022年诺贝尔化学奖授予美国化学家凯罗琳·贝尔托西(Carolyn R. Bertozzi),丹麦化学家莫滕·梅尔达(Morten Meldal)和美国化学家卡尔·巴里·沙普利斯(K. Barry Sharpless),表彰他们对“发展点击化学和生物正交化学”做出的贡献。其中,沙普利斯是第二次获得诺奖。

历史上获得两次诺奖的科学家只有4位,居里夫人(物理奖、化学奖)、巴丁(物理奖、物理奖)、鲍林(化学奖、和平奖)、桑戈(化学奖、化学奖)。今天美国科学家Sharpless成为第五位获得两次诺奖的科学家。他上次获奖是2001年,今天第二次获奖。他的姓Sharpless可以开玩笑曲解为“不聪明”。请允许我们小小幽默一下。

根据诺奖官网介绍,Barry Sharpless和Morten Meldal的工作为化学的功能形式——点击化学——奠定了基础,使得分子结构单元快速有效地结合在一起。而Carolyn Bertozzi将点击化学提升到了一个新的维度,并开始在生物体中使用它。

Carolyn Bertozzi的学生、北京大学化学学院院长陈兴说:生物正交和点击化学分别从生物标记和有机合成的特异、高效出发,殊途同归,成为了在化学、生命和材料科学个领域应用最广泛的化学反应。获得2022年的诺贝尔化学奖,体现了有机化学的强大以及学科交叉的魅力。

迅速崛起的热点:新型点击化学技术凸显巨大应用前景。

2014年,诺贝尔化学奖得主Karl Barry Sharpless的研究团队在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上报道了一种基于六价硫氟交换(SuFEx)的点击化学反应。这是文章报道了有关磺酰氟系列反应的原创研究成果,但却是以综述的形式发表,而且是一篇带有几百页补充材料的综述。这种前所未有的独特报道方式能够发表,凸显了作者和期刊编辑对这一研究成果的高度重视。

点击化学(Click Chemistry),有时也被译为链接化学,是Sharpless教授最先提出的一种合成理念。回顾点击化学理念提出之前的有机合成发展,二战后美国主导了该领域的前沿,研究工作侧重于通过碳碳键(C-C)的构建合成复杂的分子结构(特别是天然产物),涌现出以R. B. Woodward和E. J. Corey等为代表的全合成大师。

他们的工作体现了人们挑战自然的勇气,报道的一些新颖合成方法也让有机化学的内容更加丰富和系统化,但这些反应常因为操作难度高或产率较低,而不易被其他领域的研究者广泛应用。核酸和蛋白质是自然界中常见的生物大分子,复杂的化学结构和丰富的生物功能由小分子单元借助碳-杂原子键(磷酸酯键和肽键)的链接而实现。

受此启发,Sharpless在2001年提出点击化学理念,强调以碳杂原子键(C-X-C)甚至无机连接的合成为基础,快速可靠地完成形形色色分子的化学合成。点击化学理念的倡导者认为,在化学和其它学科(材料,生物)的交叉领域,化学合成能处于核心地位,其本质是作为一门工具,而工具的复杂程度往往与它的应用性成反比,追求过分专业和高度复杂的工具是舍本逐末。

分子的形式(Form)与分子的功能(Function)直接相关,但更重要的是实现功能。

正所谓“良剑期乎断,不期乎镆铘;良马期乎千里,不期乎骥骜”,点击化学的核心思想似乎与中国古代朴素实用的哲学思想颇有一些相通之处。紧随点击化学概念的提出,一价铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应(CuAAC反应)在2002年被Sharpless和Medal组分别独立报道。该反应可谓点击化学中的第一个经典之作。

叠氮和端炔在绝大多数化学条件下保持稳定,却可以在一价铜催化条件下,高效专一地转换为1,3-取代的三氮唑。与其结构完全一致的链接基团在自然界中尚未被发现,但条件温和、产率高、具有很高的化学选择性且不受水氧干扰等特点成为该反应的突出优势。虽然点击化学的意义并不仅仅在于降低操作难度,但相对简单的操作确实为这种技术的广泛使用创造了条件。

如果用摄影技术来类比有机合成,那么天然产物全合成中用到的一些高难方法犹如需要反复摸索才能掌握的单反相机,让凡夫俗子只有欣赏的份儿,但点击化学好像便捷的手机拍照,使更多人可以轻松上手。

CuAAC反应取得了巨大的成功,但是这个反应在应用上也有弱点:必须将叠氮基团引入有机化合物,这就导致反应放大时可能带来安全隐患;环加成反应生成的三氮唑堪称一个完美的链接方式,但此类化合物具有较大的极性和较低的溶解度,这些都在一定程度上限制了该反应在合成聚合物的材料领域和药物合成领域的应用。

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