“咔嗒”一连，化繁为简

高于 强力 刘烽

分子的合成是一个非常具有挑战性和复杂的过程。我们不仅需要掌握如何将化合物的不同部分组合在一起，形成实际的连接，而且还需要能够以正确的方式控制所有错综复杂的原子连接，以形成需要的产物。

在日常生活中，我们或多或少会接触过到一些益智玩具，例如比较有名的有“乐高”积木。当我们试图搭建一个巨大的模型时，通常会采用“模块拼接法”来完成，即首先分别搭建一些小模块，并在接口处留下与其他小模块连接的“搭扣”，等全部小模块完成后，再将它们通过搭扣相连起来，从而完成整个模型的搭建。同样，在化学合成中如果能找到一种分子维度的“搭扣”，將两个甚至多个分子直接相连，并保证该连接反应速率高、特异性强、选择性好、产率高，就可以大大提高合成功能大分子的效率。如果给每个小分子都留下可以用作“搭扣”的端基，就相当于做出了许多“分子积木”，那么就不必绞尽脑汁地去设计复杂的合成路径和考虑各种反应的基团兼容性，而是可以直接用“搭积木”的方式人工合成出更多种类的功能大分子。

“点击化学”应运而生

在三位获奖者中，非常值得一提的是，沙普利斯（K. B. Sharpless）已经是二度折桂了，成为历史上第5位两度获得诺贝尔奖殊荣的科学家。他曾凭借在不对称催化氧化领域的开创性工作，与另两位学者分享2001年度的诺贝尔化学奖。也正是在他第一次获诺奖那年，他提出了点击化学（click chemistry）这一划时代意义的想法，这为他梅开二度再度获奖埋下了伏笔。1968年，沙普利斯获得斯坦福大学博士学位，现任美国斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）教授。早在2016年，他就与中国科学院上海有机化学研究所签署特聘教授协议，建立了独立的“点击化学”实验室，招收和培养研究生，开展独具特色的有机氟点击化学研究。2019年当选为中国科学院外籍院士。

以功能为导向的分子合成是化学学科的一个永恒主题。包括药物、材料在内的所有功能分子，都是不同原子通过化学键的有序连接而形成的。自然界通过生命进化出了创造这些功能分子的方法，但对于化学家来说，合成功能分子的道路却是充满了挑战。不同官能团片段的碳原子之间往往缺乏相互形成碳碳键（两个碳原子之间的共价键）的化学驱动力，需要人工激活，而这种活化经常会导致许多副反应的发生以及昂贵材料的损失。为了精准地合成目标分子，我们不得不忍受分子空间结构上的种种限制。

沙普利斯认为：“我们或许应当换一个角度看待这个问题，如果我们只追求目标分子的功能性，那么不妨跳过那些连续的碳碳键合成，而是用碳杂键（例如碳氧键、碳氮键、碳硫键等）将小的结构单元连接在一起，来实现功能大分子的高效合成。大自然会用许多酶简单地通过形成碳碳键来合成天然产物分子，那么就把形成碳碳键的任务交给大自然去完成吧！”沙普利斯将自己另辟蹊径的想法以及相关的尝试工作进行了整理，并将这类反应归纳为“点击化学”[1]。

沙普利斯与同事在2002年发表了一价铜离子催化区域选择性叠氮化合物与端炔的环加成反应（copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition， 简称CuAAC反应）。该反应在室温下，用五水硫酸铜在抗坏血酸钠作为还原剂的条件下，可即时产生一价铜离子并进入反应，在叔丁醇—水（体积比1∶2）溶剂中反应8小时，可得到91%的收率，且反应位点的选择性非常好[2]。“它们（叠氮化合物和端炔）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。”沙普利斯形象地说。

点击化学（click chemistry）翻译为“咔哒化学”或许更加生动形象。2019年， 沙普利斯获得美国化学会颁发的普利斯特里奖（Priestley Medal），他在颁奖典礼上的演讲中讲述了“点击化学”名称的由来。他觉得这种温和、高效、专一的化学反应，其反应物之间就像汽车的安全带和锁扣之间的关系，只有预定的“搭扣”结构可以连接对应的“锁扣”，其精确程度甚至达到后排中间座位的安全带不能扣到侧边座位锁扣那样。“点击化学”一词是他和妻子一起构想敲定的。

大量决定性的科学进展，往往发生在最意想不到的时候，梅尔达尔就是如此。梅尔达尔（M. Meldal）1988年在丹麦技术大学获得博士学位。现在是哥本哈根大学纳米科学中心对教授，主要从事肽合成技术和与之相关的仪器研究工作。21世纪初，梅尔达尔正在开发寻找潜在药物的方法。有一天他和同事进行了一次炔烃和酰卤的常规反应，这种反应通常只要加入一些铜离子和少量钯作为催化剂，就会顺利进行。但是当他们分析结果时却发现了一些意想不到的事情：炔烃并没有按照预先设计的那样与酰卤反应，而是与酰卤分子末端的叠氮发生反应，形成了一个环状结构，即三唑。且该反应条件温和、收率很高（大多数情况下有95%以上的转化率，纯度高），反应条件完全兼容极性载体上的固相肽合成。梅尔达尔意识到铜离子控制了反应，酰卤本应与炔烃结合，但在此刻却没有发生反应，而叠氮化物与炔烃之间的反应明显不同于往常。2001年6月，他在一次学术研讨会上首次展示了他的发现。2002年，他在美国化学会的《有机化学期刊》上发表了一篇论文[3]，表明这种反应可将许多不同的分子结合在一起，具有极佳的应用前景。

沙普利斯和梅尔达尔几乎是同时独立地发现了CuAAC反应，他们共同为点击化学做出了巨大贡献。由于该反应具有速率快、产率高、特异性好，室温下即可反应等诸多优点，能兼容许多种基团，因此被誉为“点击化学皇冠上的明珠”。

其实这种叠氮和炔烃偶极环加成反应早在1961年就已经被发现。当时的胡伊斯根（R. Huisgen）课题组研究了高温下叠氮与炔烃的1，3偶极环加成，生成了[1， 2， 3]—三唑。虽然该反应在合成中得到了较为广泛的应用，但是炔烃上连有供电子基团时，反应物的收率很低，且该反应的区域选择性差，会得到1，4官能团和1，5官能团的等量混合物[4]。且叠氮化合物在高温下极不稳定，容易发生爆炸。虽然该反应不具有点击化学的特征，但是却成为后续发现的奠基石，促成了沙普利斯和梅尔达尔发现基于一价铜催化的叠氮化物和炔烃环加成反应，在点击化学的发展史上写下了浓墨重彩的一笔。

生物体内的叠氮炔烃环加成——生物正交化学

1993年，贝尔托西（C. R. Bertozzi）获得加州大学伯克利分校博士学位。现为斯坦福大学教授。她的研究重点聚焦于免疫相关的糖类代谢过程。为了实现对糖分子的可视化示踪， 她借助分子接口用荧光分子来标记糖分子。分子接口只特异性地识别荧光分子并形成连接， 与体系内部和环境中的其他基团或者化学过程兼容且互不干擾。她为此提出一个术语：分子接口和荧光分子之间的反应必须是生物正交（biorthogonal chemistry）。通俗地说，就是一把锁配一把钥匙。

贝尔托西在探索完美的细胞表面糖分子的化学修饰反应的过程中，受到沙普利斯和梅尔达尔发现的CuAAC反应，以及胡伊斯根的叠氮化合物与张力烯烃的成环反应的启发[4]，发展了无需铜催化的环张力驱动的叠氮—炔环加成反应（strain promoted azide-alkyne cycloaddition， SPAAC）[5]。她先将叠氮基团接在糖分子上，并以这样的糖分子“喂养”细胞，带着叠氮基团的糖分子渗入细胞表面的聚糖中，再将荧光分子连在环辛炔上，并注入活体内。环辛炔会自动找到有着叠氮标记的聚糖，并直接进行环加成反应后连接上去。令人欣慰的是，连有叠氮基团的聚糖都会被标记上荧光，没有叠氮基团的聚糖则没有被标记，这充分证明了该反应的特异性和专一性。贝尔托西将这种方法成功应用于活体斑马鱼的聚糖代谢示踪，且在标记过程中没有发现任何对细胞的危害，体现出该反应的生物正交性是非常理想的。与此同时，她和许多其他研究人员也利用这些反应去探索生物分子如何在细胞中相互作用，并研究疾病发生发展的过程。

由于贝尔托西的开创性工作拓展了点击化学反应模型的应用环境，使之在不用催化剂的条件下，就能在生物体中发生点击化学反应，并与各类生物活性物质互不影响，这在生物化学领域贡献巨大，使得人类对复杂体系内生物大分子的监控和结构功能的认知到达了全新的维度。

获奖背后的思考

点击化学和生物正交化学的最初理念和终极目标，就是用简单的反应解决复杂的问题。正如老子《道德经》中的一句“故有之以为利，无之以为用”所道出的哲学真谛：平时不会反应的碳—杂原子的结合，看起来似乎没什么用处，可当带上了特殊的官能团后，就会具有很高的选择性。经过20年的发展，点击化学和生物正交化学因其强大连接能力和可预测的反应特点，其使用范围迅速外延至材料、医药、生物、能源等领域，更是帮助化学生物学这门新兴交叉学科迈上了新台阶。

任何一次看似妙手偶得的成功，其实都是经过千锤百炼后的水到渠成。从胡伊斯根最初研究的高温下叠氮与炔烃的1，3偶极环加成，到沙普利斯和梅尔达尔从不同角度出发进行深度探索，不约而同地发现条件更加温和、产率更高的基于一价铜催化的叠氮化物—炔烃环加成反应，再到贝尔托西将该反应改进至只利用环张力（不用对生物有毒性的一价铜）就能自发进行反应。这令我们感慨人类在科学上一步一个脚印地踏实前进是多么不易。像搭积木一样合成功能分子，这在曾经看来天马行空的想象如今却有着光明的前景。胡伊斯根无法想象他当年研究的不太成熟的叠氮炔烃环加成反应能发展至如今的“点击化学皇冠上的明珠”。如今的研究者们在自身领域做出的一点小小突破，也有可能在可预见的未来，掀起一场巨大的技术革命！

[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 “ligation”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.

关键词：点击化学 生物正交化学 连接 功能 ■