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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.

宁东基地：再造一个宁夏经济总量******

　　【新春走基层】

　　元旦，坐标西北。

　　日长一线，蓝天高远，空气中透着一丝清冷。而在宁夏宁东能源化工基地（以下简称宁东基地），企业车间处处是热火朝天的景象，全力冲刺首季“开门红”。

　　且不说人勤春来早。自治区赋予宁东“再造一个宁夏经济总量”的宏伟目标，它丝毫不敢怠慢。就在不久前，这里获评2022年全国化工园区高质量发展综合评价第五名，连续5年入围十强。

　　做好今年经济发展工作，宁东基地党工委副书记、管委会主任陶少华认为必须“三坚持”，即项目是生命线，好企业是本钱，企业家是财富。

　　以项目为抓手 豪气

　　往宁东基地最高处望去，那是宁夏派可威生物科技有限公司分离间甲酚和对甲酚的装置。

　　“二者沸点差很小，常规方法不可能将它们分开，我们在国内首创用尿素法进行分离，能耗低，环境污染小，产品转化率高。”该公司总经理王进世告诉记者。

　　间甲酚全球需求量是6万吨，我国需求量为1.9万—2万吨，这套装置设计产能1万吨，宁夏派可威生物科技有限公司能产出5500吨。

　　占地面积1600平方米、高度63.5米的整套装置正在进行保温收尾、单体打压等工序，上料投产指日可待。

　　以项目为抓手，鼓励企业把小规模装置转化成大生产示范，这是宁东基地开发建设20周年的传统。

　　刚刚过去的2022年，宁东基地经济运行稳中向好，预计全年地区生产总值达到620亿元，工业总产值接近2000亿元，固定资产投资增长15%以上，工业增加值占自治区的30％，财政总收入达到155亿元。

　　“要保持发展定力，把经济发展工作的着力点放在实体经济和产业项目上。”在2023年经济发展重大项目推进会上，陶少华郑重强调。

　　靠技术来发展 硬气

　　拿起遥控器，只见眼前的玻璃一会儿呈磨砂状，一会儿呈透明状，明暗变化即在瞬间。

　　宁夏中星显示材料有限公司的这款智能调光玻璃，通电透明，断电雾化，可用于室内空间隔断、博物馆橱窗、银行等处。

　　“其实就是把液晶膜安装在两层玻璃之间，高温高压加工成夹层玻璃。”该公司技术负责人陈少华说。

　　铆力关键核心技术，企业实现了智能调光玻璃用液晶材料产品的产业化生产，2021年销售额1.6亿元，2022年至少翻一番。

　　靠技术取得长足发展，宁夏中星显示材料有限公司是宁东基地的缩影。

　　“我们始终充分发挥企业创新主体作用，着力打赢关键核心技术攻坚战。”宁东基地科技和信息化局局长易静华表示。

　　该局全年新立项实施本级科技创新项目34项，争取自治区重点研发计划项目16项，在煤化工、精细化工、新材料、清洁能源等领域攻克一批技术瓶颈。

　　去年，宁东基地全年登记自治区科技成果36项，较上年翻了两番；完成技术合同成交额2.5亿元，同比增长20%，成绩喜人。

　　用科技作支撑 提气

　　走在宁东基地，铁塔林立，管道纵横，厂房俨然，机器轰鸣声不绝于耳。

　　国能宁煤集团合作开发的高性能甲醇制丙烯工业催化剂替代进口；宝丰能源集团建成全球最大的太阳能电解制氢储能及应用示范项目；宁东瑞华新材料公司研制的特种抗冻防水涂料达到国际水准……

　　一批新动能的催生，离不开科技持续加码。

　　易静华给记者摆出几组数字。2022年，宁东基地全年本级财政科技创新支出9433万元，是上年的6.5倍；争取自治区项目经费4100万元，撬动企业研发投入预计突破14亿元，较上年增长25%；预计全社会R&D投入强度达到2.27%，较自治区平均水平高0.69个百分点。

　　宁东基地蓬勃发展，是宁夏切实把科技创新摆在经济社会发展核心位置的写照。

　　连日来，自治区党委宣传部举办系列新闻发布会，对党委经济工作会议精神进行解读。

　　1月4日，宁夏科技厅厅长徐龙在会上表示，自治区第十三次党代会把创新驱动战略作为“五大战略”之首，为优化创新环境、激发全社会创新动力提供了更为坚实的保障。

　　“科技系统将扎实推进科技创新‘四大工程’，全力抓好‘双百科技支撑行动’，努力为全区经济社会高质量发展提供更有力的科技支撑。”徐龙说。（本报记者 王迎霞）

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）