2022 年诺贝尔化学奖“点击化学”是什么？

2022 年诺贝尔化学奖“点击化学”是什么？

2023/01/25

2022 年诺贝尔化学奖授予了三人：首创“点击化学”概念的美国斯克里普斯研究所的 Barry Sharpless 教授、丹麦哥本哈根大学的 Morten Meldal 教授以及使点击化学在体内成为可能的美国斯坦福大学的 Carolyn Bertozzi 教授。
到目前为止，为了创造出所需的化合物，必须一一完成每个合成步骤。他之所以获得该奖项，是因为他提出了一种不需要化学合成专家的方法，只需将叠氮基和炔基混合即可，并将该技术应用于化学生物学和细胞生物学等其他领域。我们向催化化学聚变研究中心的高级研究员Konosuke Seicho询问了点击化学技术的影响及其未来应用的潜力。

获得诺贝尔化学奖的要点

什么是点击化学

　点击化学是Sharpless教授大约20年前提出的概念。在合成具有各种功能的分子时，无需使用复杂的化学合成方法即可轻松地将分子键合在一起的方法。点击化学的关键点在于，它将化学反应简化为“只需混合”，并且不会产生不必要的副产物。

条件1：不使用保护基，高收率、高选择性，且不产生副产物

条件2：反应操作简单，纯化容易

条件3：原材料多样且容易获得

条件 4：即使在生理条件下，例如在水和缓冲液中，反应也会进行

　预先设计出一条包含大量必要且充分反应的优美合成路线并进行化学合成是非常困难的。在许多情况下，可以通过基于反复试验多次重复添加或删除反应和步骤来合成所需的化合物。此外，在进行复杂的合成时，能够高度控制并显着加速反应的“催化剂”是必不可少的。然而，近年来，这种催化剂的生产过程变得复杂，在许多情况下，比所需的化合物需要更多的时间和成本。出于这个原因，许多研究人员一定认为将复杂分子结合在一起“太难尝试”。点击化学是这里的突破。随着这种思维方式和方法的出现，任何人都难以尝试的事情变得可能。我认为这是非常有价值的。

将几十年来已知的反应系统化的原创想法

　这种屡获殊荣的化学侧重于一种反应，其中两个官能团，即具有三个氮 (N) 连接在一起的叠氮基团和具有碳三键 (C) 的炔基（炔），只需将它们混合在一起即可轻松连接在一起。该反应本身几十年来一直被称为休斯根环化，这是一种产生五元环化合物的反应。叠氮基和炔基不是化学合成的特殊部分。迄今为止，它已被用作创建各种有机化合物的过程中众所周知的官能团之一。换句话说，虽然在技术上众所周知，但点击化学（一种轻松连接和合成有机化合物的方法）的想法是原创的。

　存在为了引起Heusgen环化需要加热至高温的问题。 Meldal教授发现，使用铜离子作为催化剂是有效的，并且这消除了对高温和高压条件的需要，只需将它们在室温下与水混合即可发生反应。然而，由于铜离子在生物体中是有毒的，因此为了生成用于生物体的化合物（例如在药物发现领域），仍然存在有待解决的问题。

生物正交性是推进医疗和诊断应用以及生命科学研究的关键

为发现体内癌细胞铺平道路

　Bertozzi教授致力于解决让Heusgen环化反应温和进行，但需要对生物体有害的铜催化剂的困境。最初，我进行的研究是为了通过化学修饰细胞表面的糖链来标记它们，从而更容易观察细胞环境中发生的现象。

　如果原始生物分子的功能受到显着影响，则化学修饰就没有意义。 Bertozzi教授建立了一个新的学术领域，在该领域中，各种化学体系可以在生物体的特殊环境中进行，而不会显着损害生物分子的原有功能。生物正交化学中最重要的是不使用或释放​​有毒物质。

当时，报道称点击化学的合成使用了对生物体有毒的金属催化剂，尽管有毒副产物的产生受到抑制。因此，Bertozzi教授将炔基引入到环状分子中并使其扭曲，使得无需铜离子等金属催化剂即可与叠氮基键合。

为了证明这种生物正交性，Bertozzi教授通过将带有叠氮基团的糖添加到细胞表面，将其显示在细胞表面，并与带有扭曲环状炔基的荧光分子点击结合，成功地观察了细胞表面的糖链。

　例如，利用这一想法，通过施用一种带有连接到部件的炔基和连接到识别癌细胞的分子（例如抗体）的叠氮基的抗癌药物，可以创造出一种仅对体内癌症病变起作用的活性抗癌药物，抑制副作用并提高疗效，从而创造出一种未来的治疗方法。

期待高附加值材料的开发

现阶段的点击化学在结合少量昂贵且复杂的物质（例如生物分子）的应用中具有优势，而不是在合成大量散装产品的化工厂中。如果反应中使用大量带有叠氮基的物质，则有爆炸的危险。此外，使用传统的化学合成很可能具有更好的成本平衡。生物分子的结合需要以各种模式结合少量的复杂分子，因此这是一项没有竞争对手的独特技术。

　生物体中存在不同复杂程度和大小的化合物，例如脂质、糖链、核酸和蛋白质。这些是在生物体中通过足够数量的化学反应产生和消耗的。乍一看，这与人工化学合成形成鲜明对比，后者是一个需要大量工艺且常常迂回的过程。然而，体内反应经过长期的进化过程而得到完善，不可能立即人工完成同样的事情。我将点击化学视为一项成就，让我觉得我可以做到这一点，即使只是一点点。

另一方面，叠氮基和炔基是活性基团，在生物体中几乎从未发现过。我认为大自然没有选择它是有原因的，但自然界中没有发现它这一事实使得将其应用于合成人工化合物成为可能。

　未来，我们将继续重新发现可归类为点击化学的反应。人们还相信，研究将朝着实现不使用潜在危险的叠氮基团的点击化学方向发展。作为一名研究人员，我一直在思考是否有可能创建一个比点击化学更简单的反应系统。