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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.

古都西安：唐风时尚迎新年******

　　新华社西安1月1日电（记者蔡馨逸李亚楠）“白天西安，夜晚长安，在如此浓郁 的历史文化氛围中跨年，真 的不虚此行。”来自江西的游客周娇换上唐朝装扮在长安十二时辰主题街区里欣赏仿唐乐舞、参加文化沙龙 ，流连忘返 。

　　在新年来临之际，古城西安多个景区推出特色文化活动 ，让游客在唐风古韵与时尚新潮的碰撞中品味文化跨年。

　　游客在长安十二时辰主题街区游玩拍照 。（图片由长安十二时辰主题街区提供）

　　长安十二时辰主题街区中 ，造雪机喷出的“雪花”洋洋洒洒落下，身穿唐装、云鬓花颜 的游客提灯映雪 ，一如回到落雪的长安城；《霓裳羽衣舞》乐曲声响起 ，舞者们身着飘逸襦裙翩翩起舞，一颦一笑尽显盛唐气象；上元安康踏歌台中 ，中国装束复原团队成员胡晓对游客畅谈唐代服饰文化 ，并用一场唐朝装束走秀，展现历史风貌；“财神童子碰”“心愿名帖”“棋盘翻杯”等新年特别互动游戏，让游客在趣味参与中体验文化魅力……

　　唐朝装束走秀展示唐朝服饰文化 。（图片由长安十二时辰主题街区提供）

　　在大唐不夜城流光溢彩 的街区中，游客与诗仙“李白”对诗，感受灯火长安与诗意盛唐 。在“云端”，被誉为关中八景之一的“雁塔晨钟”——小雁塔荐福寺 的祈福钟声与交响乐交相呼应，西安交响乐团2023小雁塔新年祈福云上音乐在2022年的最后一天上演。

　　“岁聿云暮，一元复始之时，街区延续中国传统文化为主线的‘唐朝的节日’系列活动 ，在原有常态化演艺 的基础上，营造了雪景长街、增加了文化沙龙和跨年特别活动等 ，让游客在古色古香 的街市中度过一个长安奇妙夜。”长安十二时辰主题街区文化大使李媛媛说。

　　（文图 ：赵筱尘 巫邓炎）