2022年諾貝爾化學獎公佈現場，螢幕上顯示獎項得主美國科學家卡羅琳·貝爾託齊（左）、卡爾·巴里·夏普利斯（右）和丹麥科學家莫滕·梅爾達爾的照片。新華社記者 任鵬飛攝

昨天，瑞典皇家科學院宣佈，將2022年諾貝爾化學獎授予美國科學家卡羅琳·貝爾託齊、卡爾·巴里·夏普利斯和丹麥科學家莫滕·梅爾達爾，以表彰他們在發展點選化學和生物正交化學方面的貢獻。

三位科學家透過各自的研究，創造出了簡單而有用的方法，將化學從複雜的分子結構中解脫出來，進入了化學反應的功能性時代，從而為人類創造新物質推開一扇方便之門。

優雅、聰明、新穎、有用，是諾貝爾獎委員會送給今年化學獎的四個讚美詞。而夏普利斯在2001年第一次獲頒諾貝爾化學獎時也提到了這四個詞：“優雅、聰明、新穎，但最重要的是有用”。

從“合成分子”到“安全帶鎖釦”

1998年前後，夏普利斯就放棄了成就他生命中第一個諾獎的不對稱催化氧化領域，轉而投身開拓點選化學。他認為，化學家需要新思想，來改變專注於合成分子結構的傳統。

“合成分子是十分昂貴的。”在夏普利斯看來，執著於將分子之間的化學鍵開啟再連線，會導致很多不必要的副反應和巨大的損失。他鼓勵團隊嘗試將一些完整的小分子透過類似“分子魔術扣”的部件連線——它們就像汽車安全帶的一對鎖釦，只需輕輕“click”就能連在一起。

“它們就像在火車站裡尋覓彼此的情侶，儘管人山人海，但還是能一眼認出彼此，並且十指相扣地緊緊牽手。”

夏普利斯喜歡用這個比喻來形容點選化學的高效：如蝴蝶般遊蕩在複雜環境中的分子，一旦找到配對分子，就會如鷹一般俯衝過去，精準結合。

華東師範大學化學與分子工程學院教授姜雪峰告訴記者，目前點選化學已被廣泛使用在新材料的合成中。這種具有巨大潛力的功能性綠色化學，透過結合簡單的化學構件，可以創造出幾乎無窮無盡的分子。

幾乎同時發現了“一顆明珠”

本世紀初，丹麥哥本哈根大學教授莫滕·梅爾達爾構建了巨大的化合物庫，希望從中篩選到潛在新藥分子。在一次化學實驗中，他意外發現，在加入銅離子後，炔烴與醯基鹵化物分子並沒有按正常預想反應，而是形成了一個非常穩定的三唑環形結構。

莫滕很快意識到這一反應的特殊性，在2001年6月的一次學術研討會上首次介紹了他的發現，並於2002年發表了論文，表明該反應可用於將許多不同分子快速而有效地扣在一起。

幾乎與莫滕同時，夏普利斯也發表了一篇關於銅催化的疊氮化合物與炔烴之間反應的論文，並指出這一反應可在水中可靠地進行。“這就是一個理想的點選化學反應。”夏普利斯剛提出這一觀點時，很多人認為他瘋了，但現在大家不得不承認他是對的。

這個銅催化的疊氮—炔環化，正是點選化學皇冠上的明珠——讓分子click的“魔術扣”。此後，化學家們不斷對“分子魔術扣”進行最佳化，讓它可以安裝到儘可能多的有機分子上。

2019年10月，英國《自然》雜誌刊登夏普利斯的中國弟子、時任中科院上海有機化學研究所研究員董佳家課題組的一項發現：他們找到了一種極其高效、高通量的合成“分子魔術扣—疊氮官能團”的方法，只需在室溫下，無需催化劑，即使濃度非常低，也能立即發生轉化反應，從而突破了原先的瓶頸。

“點選化學”照亮生命世界

與莫滕、夏普利斯不同，貝爾託齊的視角更偏向生命科學，她在研究一種與免疫相關的糖類。在生物體內，糖的結構之複雜更甚於蛋白質。由於缺乏工具，她的研究極為耗時費力。

在一次學術會議上，貝爾託齊受到一個報告的啟發，開始思考為細胞中的蛋白質分子安裝帶有熒光分子的化學手柄。這個化學手柄必須“忠於職守”，對其他細胞內分子“目不斜視”。

1997年，她證明了自己的想法，並於2000年找到了理想中的“最佳化學手柄”——一個疊氮化物。這與點選化學的“分子魔術扣”不謀而合。

然而，對於生命體而言，銅離子是有毒的。於是，貝爾託齊深入挖掘文獻，找到了一種不需要銅催化，就能使疊氮化物與帶有環張力的炔“爆炸式結合”的方式。這即是生命正交反應，指在生命體內高效進行的反應，它們與生命中天然的化學反應彼此交叉但不互相影響。2004年，她發表了無銅點選反應，並用它來追蹤生命體內糖分子的蹤跡。

“貝爾託齊的發現，讓化學與生命之間建立起了有效橋樑。”姜雪峰說，科學家已開始用這種方法開發針對系列疾病的精準、靶向、緩釋、示蹤、多功能、高整合等多樣化功能分子庫。

作者：

許琦敏

編輯：錢亦琛

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