“咔嗒”一連，化繁為簡

高于 強(qiáng)力 劉烽

分子的合成是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性和復(fù)雜的過程。我們不僅需要掌握如何將化合物的不同部分組合在一起，形成實(shí)際的連接，而且還需要能夠以正確的方式控制所有錯(cuò)綜復(fù)雜的原子連接，以形成需要的產(chǎn)物。

在日常生活中，我們或多或少會接觸過到一些益智玩具，例如比較有名的有“樂高”積木。當(dāng)我們試圖搭建一個(gè)巨大的模型時(shí)，通常會采用“模塊拼接法”來完成，即首先分別搭建一些小模塊，并在接口處留下與其他小模塊連接的“搭扣”，等全部小模塊完成后，再將它們通過搭扣相連起來，從而完成整個(gè)模型的搭建。同樣，在化學(xué)合成中如果能找到一種分子維度的“搭扣”，將兩個(gè)甚至多個(gè)分子直接相連，并保證該連接反應(yīng)速率高、特異性強(qiáng)、選擇性好、產(chǎn)率高，就可以大大提高合成功能大分子的效率。如果給每個(gè)小分子都留下可以用作“搭扣”的端基，就相當(dāng)于做出了許多“分子積木”，那么就不必絞盡腦汁地去設(shè)計(jì)復(fù)雜的合成路徑和考慮各種反應(yīng)的基團(tuán)兼容性，而是可以直接用“搭積木”的方式人工合成出更多種類的功能大分子。

“點(diǎn)擊化學(xué)”應(yīng)運(yùn)而生

在三位獲獎?wù)咧?，非常值得一提的是，沙普利斯（K. B. Sharpless）已經(jīng)是二度折桂了，成為歷史上第5位兩度獲得諾貝爾獎殊榮的科學(xué)家。他曾憑借在不對稱催化氧化領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作，與另兩位學(xué)者分享2001年度的諾貝爾化學(xué)獎。也正是在他第一次獲諾獎那年，他提出了點(diǎn)擊化學(xué)（click chemistry）這一劃時(shí)代意義的想法，這為他梅開二度再度獲獎埋下了伏筆。1968年，沙普利斯獲得斯坦福大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任美國斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）教授。早在2016年，他就與中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所簽署特聘教授協(xié)議，建立了獨(dú)立的“點(diǎn)擊化學(xué)”實(shí)驗(yàn)室，招收和培養(yǎng)研究生，開展獨(dú)具特色的有機(jī)氟點(diǎn)擊化學(xué)研究。2019年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士。

以功能為導(dǎo)向的分子合成是化學(xué)學(xué)科的一個(gè)永恒主題。包括藥物、材料在內(nèi)的所有功能分子，都是不同原子通過化學(xué)鍵的有序連接而形成的。自然界通過生命進(jìn)化出了創(chuàng)造這些功能分子的方法，但對于化學(xué)家來說，合成功能分子的道路卻是充滿了挑戰(zhàn)。不同官能團(tuán)片段的碳原子之間往往缺乏相互形成碳碳鍵（兩個(gè)碳原子之間的共價(jià)鍵）的化學(xué)驅(qū)動力，需要人工激活，而這種活化經(jīng)常會導(dǎo)致許多副反應(yīng)的發(fā)生以及昂貴材料的損失。為了精準(zhǔn)地合成目標(biāo)分子，我們不得不忍受分子空間結(jié)構(gòu)上的種種限制。

沙普利斯認(rèn)為：“我們或許應(yīng)當(dāng)換一個(gè)角度看待這個(gè)問題，如果我們只追求目標(biāo)分子的功能性，那么不妨跳過那些連續(xù)的碳碳鍵合成，而是用碳雜鍵（例如碳氧鍵、碳氮鍵、碳硫鍵等）將小的結(jié)構(gòu)單元連接在一起，來實(shí)現(xiàn)功能大分子的高效合成。大自然會用許多酶簡單地通過形成碳碳鍵來合成天然產(chǎn)物分子，那么就把形成碳碳鍵的任務(wù)交給大自然去完成吧！”沙普利斯將自己另辟蹊徑的想法以及相關(guān)的嘗試工作進(jìn)行了整理，并將這類反應(yīng)歸納為“點(diǎn)擊化學(xué)”[1]。

沙普利斯與同事在2002年發(fā)表了一價(jià)銅離子催化區(qū)域選擇性疊氮化合物與端炔的環(huán)加成反應(yīng)（copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition， 簡稱CuAAC反應(yīng)）。該反應(yīng)在室溫下，用五水硫酸銅在抗壞血酸鈉作為還原劑的條件下，可即時(shí)產(chǎn)生一價(jià)銅離子并進(jìn)入反應(yīng)，在叔丁醇—水（體積比1∶2）溶劑中反應(yīng)8小時(shí)，可得到91%的收率，且反應(yīng)位點(diǎn)的選擇性非常好[2]?！八鼈儯ǒB氮化合物和端炔）就像在火車站里尋覓彼此的“情侶”，盡管人山人海，但還是能一眼認(rèn)出彼此，并且十指相扣地緊緊牽手?！鄙称绽剐蜗蟮卣f。

點(diǎn)擊化學(xué)（click chemistry）翻譯為“咔噠化學(xué)”或許更加生動形象。2019年， 沙普利斯獲得美國化學(xué)會頒發(fā)的普利斯特里獎（Priestley Medal），他在頒獎典禮上的演講中講述了“點(diǎn)擊化學(xué)”名稱的由來。他覺得這種溫和、高效、專一的化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)物之間就像汽車的安全帶和鎖扣之間的關(guān)系，只有預(yù)定的“搭扣”結(jié)構(gòu)可以連接對應(yīng)的“鎖扣”，其精確程度甚至達(dá)到后排中間座位的安全帶不能扣到側(cè)邊座位鎖扣那樣?！包c(diǎn)擊化學(xué)”一詞是他和妻子一起構(gòu)想敲定的。

大量決定性的科學(xué)進(jìn)展，往往發(fā)生在最意想不到的時(shí)候，梅爾達(dá)爾就是如此。梅爾達(dá)爾（M. Meldal）1988年在丹麥技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位?，F(xiàn)在是哥本哈根大學(xué)納米科學(xué)中心對教授，主要從事肽合成技術(shù)和與之相關(guān)的儀器研究工作。21世紀(jì)初，梅爾達(dá)爾正在開發(fā)尋找潛在藥物的方法。有一天他和同事進(jìn)行了一次炔烴和酰鹵的常規(guī)反應(yīng)，這種反應(yīng)通常只要加入一些銅離子和少量鈀作為催化劑，就會順利進(jìn)行。但是當(dāng)他們分析結(jié)果時(shí)卻發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的事情：炔烴并沒有按照預(yù)先設(shè)計(jì)的那樣與酰鹵反應(yīng)，而是與酰鹵分子末端的疊氮發(fā)生反應(yīng)，形成了一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，即三唑。且該反應(yīng)條件溫和、收率很高（大多數(shù)情況下有95%以上的轉(zhuǎn)化率，純度高），反應(yīng)條件完全兼容極性載體上的固相肽合成。梅爾達(dá)爾意識到銅離子控制了反應(yīng)，酰鹵本應(yīng)與炔烴結(jié)合，但在此刻卻沒有發(fā)生反應(yīng)，而疊氮化物與炔烴之間的反應(yīng)明顯不同于往常。2001年6月，他在一次學(xué)術(shù)研討會上首次展示了他的發(fā)現(xiàn)。2002年，他在美國化學(xué)會的《有機(jī)化學(xué)期刊》上發(fā)表了一篇論文[3]，表明這種反應(yīng)可將許多不同的分子結(jié)合在一起，具有極佳的應(yīng)用前景。

沙普利斯和梅爾達(dá)爾幾乎是同時(shí)獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了CuAAC反應(yīng)，他們共同為點(diǎn)擊化學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)。由于該反應(yīng)具有速率快、產(chǎn)率高、特異性好，室溫下即可反應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能兼容許多種基團(tuán)，因此被譽(yù)為“點(diǎn)擊化學(xué)皇冠上的明珠”。

其實(shí)這種疊氮和炔烴偶極環(huán)加成反應(yīng)早在1961年就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)的胡伊斯根（R. Huisgen）課題組研究了高溫下疊氮與炔烴的1，3偶極環(huán)加成，生成了[1， 2， 3]—三唑。雖然該反應(yīng)在合成中得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是炔烴上連有供電子基團(tuán)時(shí)，反應(yīng)物的收率很低，且該反應(yīng)的區(qū)域選擇性差，會得到1，4官能團(tuán)和1，5官能團(tuán)的等量混合物[4]。且疊氮化合物在高溫下極不穩(wěn)定，容易發(fā)生爆炸。雖然該反應(yīng)不具有點(diǎn)擊化學(xué)的特征，但是卻成為后續(xù)發(fā)現(xiàn)的奠基石，促成了沙普利斯和梅爾達(dá)爾發(fā)現(xiàn)基于一價(jià)銅催化的疊氮化物和炔烴環(huán)加成反應(yīng)，在點(diǎn)擊化學(xué)的發(fā)展史上寫下了濃墨重彩的一筆。

生物體內(nèi)的疊氮炔烴環(huán)加成——生物正交化學(xué)

1993年，貝爾托西（C. R. Bertozzi）獲得加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位?，F(xiàn)為斯坦福大學(xué)教授。她的研究重點(diǎn)聚焦于免疫相關(guān)的糖類代謝過程。為了實(shí)現(xiàn)對糖分子的可視化示蹤， 她借助分子接口用熒光分子來標(biāo)記糖分子。分子接口只特異性地識別熒光分子并形成連接， 與體系內(nèi)部和環(huán)境中的其他基團(tuán)或者化學(xué)過程兼容且互不干擾。她為此提出一個(gè)術(shù)語：分子接口和熒光分子之間的反應(yīng)必須是生物正交（biorthogonal chemistry）。通俗地說，就是一把鎖配一把鑰匙。

貝爾托西在探索完美的細(xì)胞表面糖分子的化學(xué)修飾反應(yīng)的過程中，受到沙普利斯和梅爾達(dá)爾發(fā)現(xiàn)的CuAAC反應(yīng)，以及胡伊斯根的疊氮化合物與張力烯烴的成環(huán)反應(yīng)的啟發(fā)[4]，發(fā)展了無需銅催化的環(huán)張力驅(qū)動的疊氮—炔環(huán)加成反應(yīng)（strain promoted azide-alkyne cycloaddition， SPAAC）[5]。她先將疊氮基團(tuán)接在糖分子上，并以這樣的糖分子“喂養(yǎng)”細(xì)胞，帶著疊氮基團(tuán)的糖分子滲入細(xì)胞表面的聚糖中，再將熒光分子連在環(huán)辛炔上，并注入活體內(nèi)。環(huán)辛炔會自動找到有著疊氮標(biāo)記的聚糖，并直接進(jìn)行環(huán)加成反應(yīng)后連接上去。令人欣慰的是，連有疊氮基團(tuán)的聚糖都會被標(biāo)記上熒光，沒有疊氮基團(tuán)的聚糖則沒有被標(biāo)記，這充分證明了該反應(yīng)的特異性和專一性。貝爾托西將這種方法成功應(yīng)用于活體斑馬魚的聚糖代謝示蹤，且在標(biāo)記過程中沒有發(fā)現(xiàn)任何對細(xì)胞的危害，體現(xiàn)出該反應(yīng)的生物正交性是非常理想的。與此同時(shí)，她和許多其他研究人員也利用這些反應(yīng)去探索生物分子如何在細(xì)胞中相互作用，并研究疾病發(fā)生發(fā)展的過程。

由于貝爾托西的開創(chuàng)性工作拓展了點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)模型的應(yīng)用環(huán)境，使之在不用催化劑的條件下，就能在生物體中發(fā)生點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，并與各類生物活性物質(zhì)互不影響，這在生物化學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)巨大，使得人類對復(fù)雜體系內(nèi)生物大分子的監(jiān)控和結(jié)構(gòu)功能的認(rèn)知到達(dá)了全新的維度。

獲獎背后的思考

點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)的最初理念和終極目標(biāo)，就是用簡單的反應(yīng)解決復(fù)雜的問題。正如老子《道德經(jīng)》中的一句“故有之以為利，無之以為用”所道出的哲學(xué)真諦：平時(shí)不會反應(yīng)的碳—雜原子的結(jié)合，看起來似乎沒什么用處，可當(dāng)帶上了特殊的官能團(tuán)后，就會具有很高的選擇性。經(jīng)過20年的發(fā)展，點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)因其強(qiáng)大連接能力和可預(yù)測的反應(yīng)特點(diǎn)，其使用范圍迅速外延至材料、醫(yī)藥、生物、能源等領(lǐng)域，更是幫助化學(xué)生物學(xué)這門新興交叉學(xué)科邁上了新臺階。

任何一次看似妙手偶得的成功，其實(shí)都是經(jīng)過千錘百煉后的水到渠成。從胡伊斯根最初研究的高溫下疊氮與炔烴的1，3偶極環(huán)加成，到沙普利斯和梅爾達(dá)爾從不同角度出發(fā)進(jìn)行深度探索，不約而同地發(fā)現(xiàn)條件更加溫和、產(chǎn)率更高的基于一價(jià)銅催化的疊氮化物—炔烴環(huán)加成反應(yīng)，再到貝爾托西將該反應(yīng)改進(jìn)至只利用環(huán)張力（不用對生物有毒性的一價(jià)銅）就能自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)。這令我們感慨人類在科學(xué)上一步一個(gè)腳印地踏實(shí)前進(jìn)是多么不易。像搭積木一樣合成功能分子，這在曾經(jīng)看來天馬行空的想象如今卻有著光明的前景。胡伊斯根無法想象他當(dāng)年研究的不太成熟的疊氮炔烴環(huán)加成反應(yīng)能發(fā)展至如今的“點(diǎn)擊化學(xué)皇冠上的明珠”。如今的研究者們在自身領(lǐng)域做出的一點(diǎn)小小突破，也有可能在可預(yù)見的未來，掀起一場巨大的技術(shù)革命！

[1]Kolb H C， Finn M G， Sharpless K B. Click chemistry： diverse chemical function from a few good reactions. Angew Chem Int Ed， 2001， 40， 2004-2021.

[2]Rostovtsev V V， Green L G， Fokin V V， et al. A stepwise Huisgen cycloaddition process： copper（i）-catalyzed regioselective “l(fā)igation”of azides and terminal alkynes. Angew Chem Int Ed， 2002， 41， 2596-2599.

[3]Torn？e C W， Christensen C， Meldal M. Peptidotriazoles on solid phase： [1， 2， 3]-triazoles by regiospecific copper（i） catalyzed 1， 3-dipolar cycloadditions of terminal alkynes to azides. J Org Chem， 2002， 67， 3057-3064.

[4]Huisgen R. 1，3-dipolar cycloadditions. Proc Chem Soc， 1961， 357-396.

[5]Agard N J， Prescher J A， Bertozzi C R. A strain-promoted[3+2] azide-alkyne cycloaddition for covalent modification of biomolecules in living systems， J Am Chem Soc， 2004， 126， 15046-15047.

關(guān)鍵詞：點(diǎn)擊化學(xué) 生物正交化學(xué) 連接 功能 ■