2022年诺贝尔化学奖公布现场，屏幕上显示奖项得主美国科学家卡罗琳·贝尔托齐（左）、卡尔·巴里·夏普利斯（右）和丹麦科学家莫滕·梅尔达尔的照片。新华社记者 任鹏飞摄
昨天，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔化学奖授予美国科学家卡罗琳·贝尔托齐、卡尔·巴里·夏普利斯和丹麦科学家莫滕·梅尔达尔，以表彰他们在发展点击化学和生物正交化学方面的贡献。
三位科学家通过各自的研究，创造出了简单而有用的方法，将化学从复杂的分子结构中解脱出来，进入了化学反应的功能性时代，从而为人类创造新物质推开一扇方便之门。
优雅、聪明、新颖、有用，是诺贝尔奖委员会送给今年化学奖的四个赞美词。而夏普利斯在2001年第一次获颁诺贝尔化学奖时也提到了这四个词：“优雅、聪明、新颖，但最重要的是有用”。
从“合成分子”到“安全带锁扣”
1998年前后，夏普利斯就放弃了成就他生命中第一个诺奖的不对称催化氧化领域，转而投身开拓点击化学。他认为，化学家需要新思想，来改变专注于合成分子结构的传统。
“合成分子是十分昂贵的。”在夏普利斯看来，执着于将分子之间的化学键打开再连接，会导致很多不必要的副反应和巨大的损失。他鼓励团队尝试将一些完整的小分子通过类似“分子魔术扣”的部件连接——它们就像汽车安全带的一对锁扣，只需轻轻“click”就能连在一起。
“它们就像在火车站里寻觅彼此的情侣，尽管人山人海，但还是能一眼认出彼此，并且十指相扣地紧紧牵手。”
夏普利斯喜欢用这个比喻来形容点击化学的高效：如蝴蝶般游荡在复杂环境中的分子，一旦找到配对分子，就会如鹰一般俯冲过去，精准结合。
华东师范大学化学与分子工程学院教授姜雪峰告诉记者，目前点击化学已被广泛使用在新材料的合成中。这种具有巨大潜力的功能性绿色化学，通过结合简单的化学构件，可以创造出几乎无穷无尽的分子。
几乎同时发现了“一颗明珠”
本世纪初，丹麦哥本哈根大学教授莫滕·梅尔达尔构建了巨大的化合物库，希望从中筛选到潜在新药分子。在一次化学实验中，他意外发现，在加入铜离子后，炔烃与酰基卤化物分子并没有按正常预想反应，而是形成了一个非常稳定的三唑环形结构。
莫滕很快意识到这一反应的特殊性，在2001年6月的一次学术研讨会上首次介绍了他的发现，并于2002年发表了论文，表明该反应可用于将许多不同分子快速而有效地扣在一起。
几乎与莫滕同时，夏普利斯也发表了一篇关于铜催化的叠氮化合物与炔烃之间反应的论文，并指出这一反应可在水中可靠地进行。“这就是一个理想的点击化学反应。”夏普利斯刚提出这一观点时，很多人认为他疯了，但现在大家不得不承认他是对的。
这个铜催化的叠氮—炔环化，正是点击化学皇冠上的明珠——让分子click的“魔术扣”。此后，化学家们不断对“分子魔术扣”进行优化，让它可以安装到尽可能多的有机分子上。
2019年10月，英国《自然》杂志刊登夏普利斯的中国弟子、时任中科院上海有机化学研究所研究员董佳家课题组的一项发现：他们找到了一种极其高效、高通量的合成“分子魔术扣—叠氮官能团”的方法，只需在室温下，无需催化剂，即使浓度非常低，也能立即发生转化反应，从而突破了原先的瓶颈。
“点击化学”照亮生命世界
与莫滕、夏普利斯不同，贝尔托齐的视角更偏向生命科学，她在研究一种与免疫相关的糖类。在生物体内，糖的结构之复杂更甚于蛋白质。由于缺乏工具，她的研究极为耗时费力。
在一次学术会议上，贝尔托齐受到一个报告的启发，开始思考为细胞中的蛋白质分子安装带有荧光分子的化学手柄。这个化学手柄必须“忠于职守”，对其他细胞内分子“目不斜视”。
1997年，她证明了自己的想法，并于2000年找到了理想中的“最佳化学手柄”——一个叠氮化物。这与点击化学的“分子魔术扣”不谋而合。
然而，对于生命体而言，铜离子是有毒的。于是，贝尔托齐深入挖掘文献，找到了一种不需要铜催化，就能使叠氮化物与带有环张力的炔“爆炸式结合”的方式。这即是生命正交反应，指在生命体内高效进行的反应，它们与生命中天然的化学反应彼此交叉但不互相影响。2004年，她发表了无铜点击反应，并用它来追踪生命体内糖分子的踪迹。
“贝尔托齐的发现，让化学与生命之间建立起了有效桥梁。”姜雪峰说，科学家已开始用这种方法开发针对系列疾病的精准、靶向、缓释、示踪、多功能、高集成等多样化功能分子库。
作者：许琦敏
编辑：钱亦琛
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