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点击一下 ,获取今年诺奖点击化学的知识点!

原创
诺贝尔奖
中国科普博览

北京时间2022年10月5日,2022年度自然科学类诺贝尔奖揭晓了最后一个奖项。美国化学家卡罗琳·R.贝尔托西(Carolyn R. Bertozzi),丹麦化学家莫滕·梅尔达尔(Morten Meldal)以及美国化学家K.巴里·沙普利斯(K. Barry Sharpless)荣获本年度诺贝尔化学奖。他们的获奖理由是表彰他们“对点击化学和生物正交化学的发展”的贡献。

(图片来源:诺奖官网)

值得一提的是,沙普利斯已经于2001年因“手性催化反应”获得过诺贝尔化学奖,他也成了第五位两获诺奖的科学家。贝尔托西则是一位女性化学家。看来今年的诺贝尔化学奖自带了一波话题性。

很多人都表示,让沙普利斯和梅尔达尔获奖的点击化学光听名字完全摸不着头脑。那么,点击化学到底是一种怎样的化学?其实它的中文译名略有歧义,让人没法见文知意。今天,我们就来用通俗的语言讲解一下点击化学的基础知识。

化学家:我体会到女娲的快乐了

分子的功能和其结构密切相关,很多时候,化学就是一种设计和构建分子的学科。

对一般人来说,我们更为看重的是分子的“功能”,因此,通过开发出新的分子结构从而创造新的功能性分子也是化学研究的目标。我们身边的调味品、染料、塑料以及新药等,从本质上来说都是各种功能性分子。

分子结构的多样性是无限的,例如,即使是仅由H、C、N、O、P、S、F、Cl和Br组成的不超过30个原子大小的分子,也可以有10的63次方种可能的分子结构。这个数字大约是构成太阳的原子总数的100万倍。

在数量如此庞大的候选分子中,自然有许多分子具有人类所需的功能,极端地讲,这些分子几乎能够为人类的任何要求提供解决方案。然而,人类面临的问题是“如何找到答案”。

当化学家试图创造一个具有新功能的分子时,最大的困难其实是人类构建新分子的工具有限。也就是说,化学家并不能随心所欲地设计自己想要的分子,而只能依赖现有的反应去制造有限种类的分子。

这就好比我们想要组装一部汽车,如果手头的螺栓和螺母是专门为某辆汽车而设计的特殊零件,那么我们就很难用它们造出与这辆车完全不同的一架飞机。也正是因为螺栓和螺母决定了部件之间的连接方式,产品的最终形状也就固定了下来。换成化学的语言就是,分子连接的方式,决定了最终产物的分子结构。

点击化学——化学家用了都说好

在150多年的历史中,现代化学已经发展出了许多优秀的技术来制造分子,或者将小分子的各个部分结合在一起形成更大的分子。

然而,这些反应的条件大多十分苛刻,需要科学家用很高的技巧才能完成。比如科学家需要在严格的条件下小心地处理易燃易爆的高活性试剂,十分危险。同时,副反应往往极大地影响产率,很多时候,人类真正想要获得的分子仅仅只有百分之几的产率,效率极低,这让随后的分离和提纯也十分困难。

为了克服这些缺点,夏普莱斯等人在2001年开发了一个优秀的反应,他们将其命名为“点击化学”。这一反应执行起来非常简单,能够很容易地将不同类型的分子连接在一起,以很高的效率得到所需的产品,没有或只有极少量的副产品。且此反应在各种条件下都能有效进行,包括在水中也可以正常地发生反应。

“点击”一词的中文翻译其实略微偏离原意,本来“click”一词具有的一个义项是指两个部件连接时发出“咔嗒”声。点击化学的先驱者们,认为自己开发的方法可以轻松地将两个分子连接在一起,就像安全带的扣子扣上时发出“咔嗒”一声。由于“click”更为常见的义项是“点击”,而点击也暗含有便利、轻松之义,因此“点击化学”就作为公认的译名流行开来。

实际中的点击化学,构成“卡扣”的两个分子只要在彼此可触及的范围内就会相互连接,无论它们的另外一端连接在什么部位。此外,“卡扣”的两端只与它们的伙伴彼此相连,不会随意与分子的其他部分相连。

也许,“点击化学”叫“咔嗒化学”更合适

(图片来源:诺奖官网)

功成名就?诺奖只是人家的起点

点击化学的概念以及成功实例诞生后,化学家们开始相信,就算不用“矫情”的传统合成方法,也能够用简单的方法轻松合成复杂的分子。于是相关研究的热潮迅速风靡全球,夏普莱斯教授的第一篇点击化学论文,20年间已有近万次引用,足见该学科的影响力之大。

关于点击化学到底是一类怎样的反应,由于涉及一定深度的化学知识,我们就不举例说明了。一般来说,符合点击化学要求的反应具有下面的特征。第一,具有很高的产率。第二,作为起始原料的小分子结构简单。第三,几乎不发生副反应。第四,实验操作简便,无需层析一类精制流程。第五,能够在水中进行反应。

点击化学反应实例:在催化剂(Cu离子)存在的条件下,叠氮化物和炔烃可以合成三唑(经典的抗真菌药物)

(图片来源:诺奖官网)

实际上,满足上述要求的反应在夏普莱斯提出点击化学之前就已经有个别实例,但夏普莱斯和梅尔达尔等人开发出了若干实用、易用、好用的点击化学反应,他们的贡献让点击化学成了真正的热门学科。

不过,必须指出的是,目前符合点击化学要求的反应,种类仍然有限。我们可以说人类开发了新的工具,但不能说这种工具已经被我们用到了极限。随着夏普莱斯等人获得诺奖,相信在未来会有更多的点击化学成果诞生。

出品:科普中国

作者:张昊

监制:中国科普博览

评论
科普416567
秀才级
👍
2022-10-17
科普62d7bcfa27a73
举人级
2022-10-16
五香辣辣
秀才级
2022-10-15