高于 強力 劉烽

分子的合成是一個非常具有挑戰(zhàn)性和復雜的過程。我們不僅需要掌握如何將化合物的不同部分組合在一起，形成實際的連接，而且還需要能夠以正確的方式控制所有錯綜復雜的原子連接，以形成需要的產物。

在日常生活中，我們或多或少會接觸過到一些益智玩具，例如比較有名的有“樂高”積木。當我們試圖搭建一個巨大的模型時，通常會采用“模塊拼接法”來完成，即首先分別搭建一些小模塊，并在接口處留下與其他小模塊連接的“搭扣”，等全部小模塊完成后，再將它們通過搭扣相連起來，從而完成整個模型的搭建。同樣，在化學合成中如果能找到一種分子維度的“搭扣”，將兩個甚至多個分子直接相連，并保證該連接反應速率高、特異性強、選擇性好、產率高，就可以大大提高合成功能大分子的效率。如果給每個小分子都留下可以用作“搭扣”的端基，就相當于做出了許多“分子積木”，那么就不必絞盡腦汁地去設計復雜的合成路徑和考慮各種反應的基團兼容性，而是可以直接用“搭積木”的方式人工合成出更多種類的功能大分子。

“點擊化學”應運而生

在三位獲獎者中，非常值得一提的是，沙普利斯（K. B. Sharpless）已經是二度折桂了，成為歷史上第5位兩度獲得諾貝爾獎殊榮的科學家。他曾憑借在不對稱催化氧化領域的開創(chuàng)性工作，與另兩位學者分享2001年度的諾貝爾化學獎。也正是在他第一次獲諾獎那年，他提出了點擊化學（click chemistry）這一劃時代意義的想法，這為他梅開二度再度獲獎埋下了伏筆。1968年，沙普利斯獲得斯坦福大學博士學位，現(xiàn)任美國斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）教授。早在2016年，他就與中國科學院上海有機化學研究所簽署特聘教授協(xié)議，建立了獨立的“點擊化學”實驗室，招收和培養(yǎng)研究生，開展獨具特色的有機氟點擊化學研究。2019年當選為中國科學院外籍院士。

以功能為導向的分子合成是化學學科的一個永恒主題。包括藥物、材料在內的所有功能分子，都是不同原子通過化學鍵的有序連接而形成的。自然界通過生命進化出了創(chuàng)造這些功能分子的方法，但對于化學家來說，合成功能分子的道路卻是充滿了挑戰(zhàn)。不同官能團片段的碳原子之間往往缺乏相互形成碳碳鍵（兩個碳原子之間的共價鍵）的化學驅動力，需要人工激活，而這種活化經常會導致許多副反應的發(fā)生以及昂貴材料的損失。為了精準地合成目標分子，我們不得不忍受分子空間結構上的種種限制。

沙普利斯認為：“我們或許應當換一個角度看待這個問題，如果我們只追求目標分子的功能性，那么不妨跳過那些連續(xù)的碳碳鍵合成，而是用碳雜鍵（例如碳氧鍵、碳氮鍵、碳硫鍵等）將小的結構單元連接在一起，來實現(xiàn)功能大分子的高效合成。大自然會用許多酶簡單地通過形成碳碳鍵來合成天然產物分子，那么就把形成碳碳鍵的任務交給大自然去完成吧！”沙普利斯將自己另辟蹊徑的想法以及相關的嘗試工作進行了整理，并將這類反應歸納為“點擊化學”[1]。

沙普利斯與同事在2002年發(fā)表了一價銅離子催化區(qū)域選擇性疊氮化合物與端炔的環(huán)加成反應（copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition， 簡稱CuAAC反應）。該反應在室溫下，用五水硫酸銅在抗壞血酸鈉作為還原劑的條件下，可即時產生一價銅離子并進入反應，在叔丁醇—水（體積比1∶2）溶劑中反應8小時，可得到91%的收率，且反應位點的選擇性非常好[2]?！八鼈儯ǒB氮化合物和端炔）就像在火車站里尋覓彼此的“情侶”，盡管人山人海，但還是能一眼認出彼此，并且十指相扣地緊緊牽手。”沙普利斯形象地說。

點擊化學（click chemistry）翻譯為“咔噠化學”或許更加生動形象。2019年， 沙普利斯獲得美國化學會頒發(fā)的普利斯特里獎（Priestley Medal），他在頒獎典禮上的演講中講述了“點擊化學”名稱的由來。他覺得這種溫和、高效、專一的化學反應，其反應物之間就像汽車的安全帶和鎖扣之間的關系，只有預定的“搭扣”結構可以連接對應的“鎖扣”，其精確程度甚至達到后排中間座位的安全帶不能扣到側邊座位鎖扣那樣。“點擊化學”一詞是他和妻子一起構想敲定的。

大量決定性的科學進展，往往發(fā)生在最意想不到的時候，梅爾達爾就是如此。梅爾達爾（M. Meldal）1988年在丹麥技術大學獲得博士學位。現(xiàn)在是哥本哈根大學納米科學中心對教授，主要從事肽合成技術和與之相關的儀器研究工作。21世紀初，梅爾達爾正在開發(fā)尋找潛在藥物的方法。有一天他和同事進行了一次炔烴和酰鹵的常規(guī)反應，這種反應通常只要加入一些銅離子和少量鈀作為催化劑，就會順利進行。但是當他們分析結果時卻發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的事情：炔烴并沒有按照預先設計的那樣與酰鹵反應，而是與酰鹵分子末端的疊氮發(fā)生反應，形成了一個環(huán)狀結構，即三唑。且該反應條件溫和、收率很高（大多數(shù)情況下有95%以上的轉化率，純度高），反應條件完全兼容極性載體上的固相肽合成。梅爾達爾意識到銅離子控制了反應，酰鹵本應與炔烴結合，但在此刻卻沒有發(fā)生反應，而疊氮化物與炔烴之間的反應明顯不同于往常。2001年6月，他在一次學術研討會上首次展示了他的發(fā)現(xiàn)。2002年，他在美國化學會的《有機化學期刊》上發(fā)表了一篇論文[3]，表明這種反應可將許多不同的分子結合在一起，具有極佳的應用前景。

沙普利斯和梅爾達爾幾乎是同時獨立地發(fā)現(xiàn)了CuAAC反應，他們共同為點擊化學做出了巨大貢獻。由于該反應具有速率快、產率高、特異性好，室溫下即可反應等諸多優(yōu)點，能兼容許多種基團，因此被譽為“點擊化學皇冠上的明珠”。

其實這種疊氮和炔烴偶極環(huán)加成反應早在1961年就已經被發(fā)現(xiàn)。當時的胡伊斯根（R. Huisgen）課題組研究了高溫下疊氮與炔烴的1，3偶極環(huán)加成，生成了[1， 2， 3]—三唑。雖然該反應在合成中得到了較為廣泛的應用，但是炔烴上連有供電子基團時，反應物的收率很低，且該反應的區(qū)域選擇性差，會得到1，4官能團和1，5官能團的等量混合物[4]。且疊氮化合物在高溫下極不穩(wěn)定，容易發(fā)生爆炸。雖然該反應不具有點擊化學的特征，但是卻成為后續(xù)發(fā)現(xiàn)的奠基石，促成了沙普利斯和梅爾達爾發(fā)現(xiàn)基于一價銅催化的疊氮化物和炔烴環(huán)加成反應，在點擊化學的發(fā)展史上寫下了濃墨重彩的一筆。

生物體內的疊氮炔烴環(huán)加成——生物正交化學

1993年，貝爾托西（C. R. Bertozzi）獲得加州大學伯克利分校博士學位?，F(xiàn)為斯坦福大學教授。她的研究重點聚焦于免疫相關的糖類代謝過程。為了實現(xiàn)對糖分子的可視化示蹤， 她借助分子接口用熒光分子來標記糖分子。分子接口只特異性地識別熒光分子并形成連接， 與體系內部和環(huán)境中的其他基團或者化學過程兼容且互不干擾。她為此提出一個術語：分子接口和熒光分子之間的反應必須是生物正交（biorthogonal chemistry）。通俗地說，就是一把鎖配一把鑰匙。

貝爾托西在探索完美的細胞表面糖分子的化學修飾反應的過程中，受到沙普利斯和梅爾達爾發(fā)現(xiàn)的CuAAC反應，以及胡伊斯根的疊氮化合物與張力烯烴的成環(huán)反應的啟發(fā)[4]，發(fā)展了無需銅催化的環(huán)張力驅動的疊氮—炔環(huán)加成反應（strain promoted azide-alkyne cycloaddition， SPAAC）[5]。她先將疊氮基團接在糖分子上，并以這樣的糖分子“喂養(yǎng)”細胞，帶著疊氮基團的糖分子滲入細胞表面的聚糖中，再將熒光分子連在環(huán)辛炔上，并注入活體內。環(huán)辛炔會自動找到有著疊氮標記的聚糖，并直接進行環(huán)加成反應后連接上去。令人欣慰的是，連有疊氮基團的聚糖都會被標記上熒光，沒有疊氮基團的聚糖則沒有被標記，這充分證明了該反應的特異性和專一性。貝爾托西將這種方法成功應用于活體斑馬魚的聚糖代謝示蹤，且在標記過程中沒有發(fā)現(xiàn)任何對細胞的危害，體現(xiàn)出該反應的生物正交性是非常理想的。與此同時，她和許多其他研究人員也利用這些反應去探索生物分子如何在細胞中相互作用，并研究疾病發(fā)生發(fā)展的過程。

由于貝爾托西的開創(chuàng)性工作拓展了點擊化學反應模型的應用環(huán)境，使之在不用催化劑的條件下，就能在生物體中發(fā)生點擊化學反應，并與各類生物活性物質互不影響，這在生物化學領域貢獻巨大，使得人類對復雜體系內生物大分子的監(jiān)控和結構功能的認知到達了全新的維度。

獲獎背后的思考

點擊化學和生物正交化學的最初理念和終極目標，就是用簡單的反應解決復雜的問題。正如老子《道德經》中的一句“故有之以為利，無之以為用”所道出的哲學真諦：平時不會反應的碳—雜原子的結合，看起來似乎沒什么用處，可當帶上了特殊的官能團后，就會具有很高的選擇性。經過20年的發(fā)展，點擊化學和生物正交化學因其強大連接能力和可預測的反應特點，其使用范圍迅速外延至材料、醫(yī)藥、生物、能源等領域，更是幫助化學生物學這門新興交叉學科邁上了新臺階。

任何一次看似妙手偶得的成功，其實都是經過千錘百煉后的水到渠成。從胡伊斯根最初研究的高溫下疊氮與炔烴的1，3偶極環(huán)加成，到沙普利斯和梅爾達爾從不同角度出發(fā)進行深度探索，不約而同地發(fā)現(xiàn)條件更加溫和、產率更高的基于一價銅催化的疊氮化物—炔烴環(huán)加成反應，再到貝爾托西將該反應改進至只利用環(huán)張力（不用對生物有毒性的一價銅）就能自發(fā)進行反應。這令我們感慨人類在科學上一步一個腳印地踏實前進是多么不易。像搭積木一樣合成功能分子，這在曾經看來天馬行空的想象如今卻有著光明的前景。胡伊斯根無法想象他當年研究的不太成熟的疊氮炔烴環(huán)加成反應能發(fā)展至如今的“點擊化學皇冠上的明珠”。如今的研究者們在自身領域做出的一點小小突破，也有可能在可預見的未來，掀起一場巨大的技術革命！

[1]Kolb H C， Finn M G， Sharpless K B. Click chemistry： diverse chemical function from a few good reactions. Angew Chem Int Ed， 2001， 40， 2004-2021.

[2]Rostovtsev V V， Green L G， Fokin V V， et al. A stepwise Huisgen cycloaddition process： copper（i）-catalyzed regioselective “l(fā)igation”of azides and terminal alkynes. Angew Chem Int Ed， 2002， 41， 2596-2599.

[3]Torn？e C W， Christensen C， Meldal M. Peptidotriazoles on solid phase： [1， 2， 3]-triazoles by regiospecific copper（i） catalyzed 1， 3-dipolar cycloadditions of terminal alkynes to azides. J Org Chem， 2002， 67， 3057-3064.

[4]Huisgen R. 1，3-dipolar cycloadditions. Proc Chem Soc， 1961， 357-396.

[5]Agard N J， Prescher J A， Bertozzi C R. A strain-promoted[3+2] azide-alkyne cycloaddition for covalent modification of biomolecules in living systems， J Am Chem Soc， 2004， 126， 15046-15047.

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