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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.

12年 ，有它在，底气在 ！******

　　2011年1月11日

　　歼-20战机首飞成功

　　今天

　　歼-20首飞12周年

　　12个难忘瞬间

　　见证“威龙”长空砺剑

　　↓↓↓

　　2011年1月11日

　　歼-20一飞冲天

　　中国航空工业开启“20”时代

　　从那天起

　　歼-20 的每次出现

　　都带给我们太多 的惊喜和震撼

　　2016年11月

　　在第11届中国航展上

　　两架歼-20战机编队亮相

　　给观众留下深刻印象

　　2018年2月

　　空军发布消息

　　歼-20开始列装空军作战部队

　　向全面形成作战能力迈出重要一步

　　2019年10月1日

　　歼-20以五机编队亮相

　　新中国成立70周年阅兵式

　　2021年7月1日

　　在庆祝中国共产党成立100周年大会上

　　15架歼-20战机组成编队

　　飞过天安门上空

　　同年第13届中国航展上

　　换装国产发动机后的歼-20

　　首次对外公开展示

　　2022年8月

　　砺兵台海中

　　歼-20亮剑台岛周边

　　海空域实战化联合演训

　　2022年11月

　　第14届中国航展

　　歼-20中降珠海

　　展示了人民空军对装备的高度自信

　　参加此次航展的歼-20

　　全部换装“中国心”

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　　从研发、试训

　　到列装作战部队

　　实战实训 ，形成战斗力

　　歼-20

　　见证了中国航空工业

　　和空军装备的飞速发展

　　“东西南北中，奋飞歼-20”

　　如今

　　中国第五代战机

　　歼-20

　　列装越来越多 、飞得越来越远

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　　画出了一个强国强军 的同心圆

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　　“装备需要不断升级发展

　　歼-20也会有1.0、2.0 、3.0……”

　　“威龙”到底有多帅 ？

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　　（文图 ：赵筱尘 巫邓炎）