科普下化学是什么 化学基本概念有哪些(对化学的认识及理解)

来源:【汇点新闻客户端】

会议消息北京时间10月5日下午，2022年诺贝尔化学奖揭晓。瑞典皇家科学院宣布将2022年诺贝尔化学奖授予卡罗琳·r·贝尔托齐、莫滕·梅尔达尔和K·巴里·夏普莱斯，以表彰他们“在点击化学和生物正交化学方面的发展”，其中巴里·夏普勒斯再次获得诺贝尔奖。

南京大学化学化工学院的许多青年学者与本届诺贝尔化学奖得主都有不同程度的交集。记者第一时间采访了他们，邀请他们进行解读。

【点击什么是化学？与大道至简有共同之处]

根据诺贝尔奖官网的介绍，卡尔·巴里·夏普勒斯(Karl Barry sharpless)和莫滕·梅尔达尔(Morten Meldahl)的工作奠定了化学的功能形式——点击化学(click chemistry)，使分子结构单元快速有效地结合在一起。

点击化学(Click Chemistry)，有时翻译为link chemistry，是卡尔·巴里·夏普勒斯教授首先提出的一种合成思想。南京大学化学化工学院研究员谢然表示，核酸和蛋白质是自然界常见的生物大分子，复杂的化学结构和丰富的生物功能是通过小分子单元以碳-杂原子键连接实现的。受此启发，Karl Barry sharpless在2001年提出了点击化学的想法。“通俗地说，就像两块乐高拼接在一起，A+B组成AB，可以快速可靠地完成各种分子的化学合成。”谢然说，点击化学与“大道至简”的哲学思想有相通之处，是用最简单有效的方法将两个分子实体耦合在一起。很多人形象地把点击化学称为“点击化学”，就像两个东西拼接在一起发出的声音。

在Barry sharpless提出点击化学概念后不久，他和今年的另一位获奖者Morten Meldahl独立报道了当今化学皇冠上的宝石:铜催化的叠氮炔环加成反应。这是一种微妙而高效的化学反应，已被广泛应用于药物开发、DNA图谱绘制和制造与目的更匹配的材料。

值得一提的是，巴里·夏普勒斯(Barry sharpless)第二次获奖，是因为他开辟了点击化学的新领域。2001年，因在手性催化氧化方面的贡献获得2001年诺贝尔化学奖。点击化学的概念为化学合成领域做出了巨大贡献，在药物开发、生物医用材料等诸多领域成为最有用、最吸引人的合成思路之一。

[生物正交化学照亮细胞，但不破坏正常的化学反应]

点击化学为生物正交反应提供了一个原型蓝图。今年的第三位获奖者Carolyn R. Bertozzi因将点击化学提升到一个新的层面而获奖。

为了在细胞表面画出一种重要却难以捉摸的生物分子——聚糖，她开发了一种可以用在生命体上的点击化学反应，即生物正交反应。卡罗琳·贝托齐的生物正交反应不会破坏细胞正常的化学反应。这些反应现在在世界各地都被用于探索细胞和跟踪生物过程，并且已经在活体动物中实现。利用生物正交反应，研究人员已经改善了癌症药物的靶向性，目前正在进行临床试验。

所谓生物正交反应，可以理解为在不影响生物体的情况下，在生物体中进行的高度选择性的化学反应(“正交”于生物体中原有的化学反应)。谢然认为，从这个角度来看，今年的诺贝尔奖不仅回归了化学反应本身，也打通了生物学和化学的边界。

当我们试图用化学方法去了解生物时，我们需要面对一个内生的挑战——生物本身的化学类型和组成非常复杂。“这涉及到生物正交反应的基本概念——它与特定的生理环境无关，同时保持其化学惰性。”谢然说，这个反应体系是高度选择性的。既要尽量减少对原始生物的影响，又要保证它具有化学惰性，不会与生物内部物质发生反应，不会产生副作用。此外，该反应应该适应生物体的需要，并且在室温和具有合适酸和碱的液相环境中快速发生。

“生物正交反应，其实就是千百度找他。”谢然说，其实到目前为止，还没有任何一个化学反应能够满足绝对严格意义上的生物正交反应的所有要求，或多或少都有一些改进空，但这并不妨碍各国科学家以此为目标，不断探索和优化。谢然的博士生导师北京大学陈星教授、北京大学陈鹏教授和楚王教授是国内最早从事生物正交反应研究和应用的化学生物学带头人。他们还为中国化学生物学的发展做了一系列探索性的工作。值得一提的是，陈星教授曾师从卡洛琳·贝托齐。

正交生化反应的出现为科学家原位研究生命过程带来了革命性的技术，成为化学生物学这一新兴交叉领域的核心方向之一。“今年的诺贝尔化学奖实际上是对整个化学生物学领域的肯定。”谢然认为，点击化学的概念提出到现在才20多年，生物正交化学经历了从简单的活细胞系统到更复杂的生命体的一系列发展过程。点击化学和生物正交反应在生命科学研究、医学研发、临床诊断和治疗等许多领域显示出广阔的应用前景。，必将给人类带来更大的利益。

【学生眼中的卡尔·巴里·夏普勒斯:科学界的老顽童】

南京大学化学化工学院李劼教授于2015年至2018年在美国斯克里普斯研究所进行了为期三年的化学生物学博士后研究。卡尔·巴里·夏普勒斯是他的博士后导师之一。有意思的是，他的另一位联合博士生导师吴鹏教授是巴里的博士生，也是今年另一位诺奖得主卡罗琳的博士后。“他真是科学界的‘老顽童’。”对于自己的导师，李从儒评价道，“巴里的脑子里只有学术，他只关心如何让化学变得更酷”。

卡尔·巴里·夏普勒斯(Carl Barry sharpless)的科学研究进行得相当顺利，他几乎获得了化学和科学界的所有奖项。2001年，卡尔·巴里·夏普勒斯(Karl Barry sharpless)因不对称有机催化首次获得诺贝尔化学奖。根据颁发诺贝尔奖的惯例，获奖者将有一个简短的报告时间来谈论他们的科研成果。谁知，卡尔·巴里·夏普勒斯并没有说他的获奖项目“不对称有机催化”，而是提到了他的下一个研究重点“点击化学”。这种做法在当时是独一无二的。要知道，你得了诺贝尔奖，却有足够的资本“躺平”。但是卡尔·巴里·夏普勒斯已经开始了一个新的研究方向。

“点击化学的诞生，其实跟巴里的妻子和他的研究所所长有关系。”李劼告诉记者，在卡尔·巴里·夏普勒斯(Karl Barry sharpless)提出“点击化学”的概念后，他最亲近的人给他定了一个新的“小目标”:目前的分子化学合成计划还是有点大，能不能简化一下？

从此，“简单”成为卡尔·巴里·夏普勒斯新的研究目标。他不仅接受了挑战，还真的让“点击化学”这个概念越来越通俗易懂。10月5日诺贝尔奖发布会后，网上甚至出现了高中化学老师奥林匹亚的评论:这个化学反应太简单了，连高中生都能做！

“能够有这样的社会评论，其实某种程度上是导师的成功。”李劼在接受记者采访时说，虽然卡尔·巴里·夏普勒斯发现的化学反应如此简单，似乎“高中生都能做”，但它极大地影响了其他科学领域。“化学是一门中心科学，为其他领域提供了思路和工具，应该被他人更好地理解和应用。导师能在诺奖评选中‘梅开二度’，很大程度上是因为他的研究已经渗透到生命科学、材料科学等多个领域。”

这个极具个性的科学“老顽童”，不同于读者对科研工作者的刻板印象。他不仅话多，而且话广。“我被巴里叫进办公室，两三个小时都出不来。”李劼笑着回忆他和导师在一起的时光。“他很善良，尤其是聊天的时候。他谈到了美国电影中的化学反应。一开始，你很难迅速找到他演讲的重点。后来跟上导师的逻辑后，我才发现他的学术思想和对反应的理解融入了谈话中。”

虽然聊天没有边界，但卡尔·巴里·夏普勒斯对科研要求非常严格，甚至是标准的“工作狂”。李劼告诉记者，导师有自己独特的套路。他下午两点开始在实验室工作，晚上两三点才休息。与此同时，卡尔·巴里·夏普勒斯几乎没有休息。卡尔·巴里·夏普勒斯在他的通宵工作中有一些粗心的时刻。实验室的一次疏忽让他付出了沉重的代价。当时没有戴护目镜的卡尔·巴里·夏普勒斯(Carl Barry sharpless)因为核磁管爆炸失去了一只眼睛。后来，他把这段经历发表在一篇短文中，告诫化学专业的师生，在实验室里一定要小心翼翼地戴上防护眼镜，时刻做好安全防护。

记者了解到，卡尔·巴里·夏普勒斯当选2019年中国科学院外籍院士。他还是中国科学院上海有机化学研究所等许多国内研究所和大学的客座教授。在2019年之前，我们每年都会去中国进行科研交流，度过一段时间。在他的实验室里，中国的学生和学者一直在攻读博士学位或从事博士后研究，为中国的化学工业培养了一批优秀人才。

新华交汇记者杨品平

编辑:颜

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