咔哒一声响彻全世界

发现化学反应是合成化学家的饭碗。最好的反应是简单、快速、稳定、高产、反应范围广、无副产物。一位不愿透露姓名的有机化学家告诉记者:“这是显而易见的，并不构成什么想法——这只是常识。manbetx手机客户端3.0为2007年的一篇文章．

但这一常识现在得到了证明卡洛琳贝尔托齐，Morten Meldal而且巴里•沙普利斯2022年诺贝尔化学奖为点击化学和生物正交化学的发展做出了贡献。他们的成就之所以如此特别，是因为他们能够看透分子制造的复杂性，并将化学概念精简为真正重要的东西。他们发现的反应非常简单而有效，甚至可以在生命系统中存在的化学混乱中进行。

点击化学反应可能看起来毫不费力，但“这不是简单的化学反应，发现它是非常复杂的”，他说M·G·芬恩作为夏普莱斯在美国加州斯克里普斯研究所团队的一员，他帮助开发了这一概念。为了获得今年的诺贝尔化学奖，获奖者们需要将偶然的发现和化学史上被遗忘了一半的想法联系起来，从而创造出可以在细胞、动物甚至人类中运行的反应，就像它们可以在烧瓶中运行一样。

2001年，夏普莱斯，芬恩和Hartmuth科尔布阐述了为什么综合需要一个新的，简化的概念18页的论文．化学家,沙普利斯认为今年，我们花了太多时间试图重新创造那些由拥有10亿年进化优势的生物产生的极其复杂的化合物。研究团队写道:“大自然是碳碳连接的无与伦比的创造者，我们建议把合成碳碳键的艰巨工作尽可能多地留给大自然。”

研究人员不应该试图直接复制自然结构和反应——而且往往做得很糟糕——而是应该考虑大自然创造分子复杂性的方法:一套简单但强大、高度可靠和选择性的反应。芬恩说，问题是，“我们能否开发出人类可以像生物一样可靠地进行化学反应，在经过数十亿年的进化和拼接小积木后?””

你为什么要给良好的化学反应起个新名字?

通过专注于几个近乎完美的“弹簧负载”反应，化学家可以获得任何他们想要的功能结构——即使这些结构不是自然产物的精确副本。只要化合物具有人们所追求的分子特性，它的确切结构就变得无关紧要。芬恩说:“实际上，最重要的是功能。”芬恩在夏普莱斯的团队获得博士学位后，成为了他的同事。“你在做什么?它能做什么?”它把注意力从如何成键转移到为什么要成键。这就是生物学所做的，它是一个无情的功能驱动的机器。作为实验室里试图发明新东西的人，这是我们很可能采用的策略。”

该团队将这种理念命名为“点击化学”(click chemistry)，旨在捕捉扣紧推扣或点击合适的拼图块时的满足感和轻松感。但有人问‘为什么你们只给良好的化学反应起了个新名字?芬恩回忆道。他说，在某种意义上，这是一个公平的批评，但它忽略了一个重要的问题。“将这一概念推向极致将使非化学家能够以一种与他们的目标和可用资源相一致的方式制造新分子。”“在放大或向分子中添加新的官能团时，人们不必重新考虑他们的程序。”

原始点击

要将反应归类为点击反应，必须符合一系列广泛而严格的标准，包括对氧和水不敏感，发生在无溶剂或良性溶剂中，对单一产品具有立体特异性和选择性，无需色谱分离，以及热力学驱动力大于20kcal/mol。三人确定了几种满足这些标准的反应。其中包括尿素和酰胺的形成，如环氧化合物和氮杂环的亲核环开口，以及几乎与咔哒概念同义的转变:叠氮化物和炔烃之间的1,3-偶极环加成生成三唑。

这种反应有很长的历史，最早的例子可以追溯到1893年，当时亚瑟·迈克尔发现了以他的名字命名的共轭加法-叠氮苯与二甲基丁二酸炔反应生成1,2,3-三唑。在20世纪60年代初，Rolf Huisgen仔细研究了1,3-偶极子和亲偶极试剂之间形成五元环的反应，这就是为什么这个反应现在经常被称为Huisgen环加成。

在他们2001年的论文中，夏普莱斯和同事将叠氮化物和乙炔之间的惠斯根环加成描述为“最好的反应”。他们认为叠氮化物具有点击化学所需的弹簧负载性质，但它们对几乎所有其他官能团都保持惰性，除了双极亲分子。此外，叠氮化物在包括水和空气在内的大多数条件下都是稳定的。生成的三唑对氧化，还原和水解是惰性的。

但多年来，惠斯根的环加物已经失宠。也许是因为安全问题叠氮化物必须小心处理，在某些条件下，反应会产生极具爆炸性的化合物，如肼酸或diazidomethane．也许是因为它们可以产生区域异构体混合物，或者是因为大多数都需要远高于环境温度的温度，而且速度非常慢——即使是夏普莱斯。”第一次尝试需要在130°C的高温下至少40小时。“这可能是反应性最低的偶极环添加剂之一，”他说瓦莱里·Fokin来自美国南加州大学。

福金在夏普莱斯的实验室做博士后工作后，于2000年加入斯克里普斯学院，他对金属乙炔化学感兴趣，这源于他的博士工作。“我特别关注的是乙酰基铜在水溶液中的稳定性——它们是什么，它们的行为如何，我们如何用亲电试剂捕获它们。叠氮化物是一个完美的亲电试剂，”他解释道。福金回忆说，草率的合成，包括湿溶剂和没有惰性气氛，出人意料地往往会产生更好的结果。2001年末的一天，他在乙醇/水混合物中加入了不同的金属催化剂——铁、锌、镍、银和铜，建立了苯乙炔和叠氮化物之间的反应。晚上7点，在实验开始几个小时后，他兴奋地在他的实验笔记本上写道:“铜的反应看起来好采用薄层!LCMS没问题，肯定有三唑!非常酷!”

福金回忆说:“几天之内，我在自己的血浆和血液中(进行了反应)，只加入了一点硫酸铜和抗坏血酸，这些都是我从(超市)Trader Joe’s买来的。”当他第一次使用铜时(我)，他很快决定降低更便宜的铜(2)的来源，回想起高中的一个实验，铜(2)会被抗坏血酸(维生素C)还原。但福金后来发现，即使是固体铜丝也能催化这个反应。

“它与某些底物的良好配合令人惊叹——隔离性、纯度和只需很少的催化剂就能让它在高产量、高区域选择性的情况下工作，”他说Seva Rostovtsev他与夏普莱斯、福金和卢克·格林(Luke Green)一起在这个项目上做博士后。该反应产生了几乎定量的单一三唑异构体的产量，无论哪个反应伙伴上有什么官能团。只需要把原料放在一起，搅拌一段时间，然后过滤掉产品就可以了。福金指出:“没有任何反应是绝对100%有效的，总是有限制的。”只是在这种情况下，限制出奇地少。”

CuAAC[铜(我)催化的叠氮化物-炔环加成反应不能停止说在诺贝尔奖宣布后的新闻发布会上。“它每次都能100%正常运行。你可以从尿液中得到它。你可以在意大利蔬菜汤里吃。”Apart from strong catalyst poisons – thiols, sulfides, hydrogen cyanide – there’s very little that can shut down the reaction. ‘The beautiful thing about the reaction is that it really is hard to screw up,’ says Finn.

这种转变如此简单和有效，以至于研究小组对之前没有人发现它感到惊讶。研究人员说:“尽管在过去70年里对铜介导的有机合成进行了大量研究，但直到现在，铜乙酰基与有机叠氮化物的这种‘不可阻挡的’反应性仍未被揭示，这是非同寻常的。写了当他们第一次描述这种反应时。也许这种反应只是在等待被发现，因为在大西洋的另一边，另一个团队几乎在同一时间遇到了这种反应。

点击独立

Morten Meldal和一位博士研究员一起工作基督教撕裂øe在丹麦哥本哈根大学，他试图开发类似于肽或DNA合成的固相有机反应。“我们正在尝试的反应之一是炔基化，铜(我)——催化，”梅尔达尔说manbetx手机客户端3.0．托恩øe现在是丹麦诺和诺德制药公司(Novo Nordisk)的首席科学家，他解释说:“我打算把炔烃和酸氯化物结合在一起。”“偶然间，我在酸氯化物上发现了叠氮化物。”The azide was, in fact, a way to protect an amine that would otherwise interfere with the reaction.

但事情并没有按计划进行。梅尔达尔回忆说:“当克里斯蒂安进行这种反应时，他得到了一种副产物，他永远无法让酰氯配对。”“他来找我，一开始真的很崩溃，因为他的项目没有成功。但研究小组并没有把它扔掉，而是仔细观察了一下。Tornøe说:“我们意识到，我们的发现是非常非常幸运的。”反应非常干净高效。“我们称之为QCT反应——定量化学转化，”梅尔达尔说。“这种方法从来没有流行起来，因为点击当然要好得多。”

研究小组只用了几个月的时间就把他们的意外发现变成了可行的方法，兼容固相多肽合成。梅尔达尔回忆说:“我们立即开始以正交的方式利用这种方法来制造其他方法可能不可能实现的化学反应。”“当我们在美国肽研讨会(American Peptide Symposium)上把它作为海报展示时，与会的人都很感兴趣。但也许肽化学家对替代化学反应不那么感兴趣，”他笑道。

梅尔达尔和夏普莱斯的论文在几个月内相继发表。当时，两个团队都不知道对方的工作，尽管他们的反应很快就在合成界引起了轰动。“我记得我人生中第一次进行铜反应，”他说佳佳董他后来加入了夏普莱斯的团队。“我看到了LC-MS的结果。“我的天，”我说，“这只是一个峰——我从来没有见过这样的反应!”“‘对于每一个曾经做过反应优化的化学家来说，点击化学和许多其他转化之间的明显区别是显而易见的。2019年，我们与1200叠氮化物的反应如何在相同的条件下——而且几乎每一个都是量化的。”

很快就清楚了，铜催化的环加成将不仅仅局限于合成化学家的手中。芬恩说:“当材料科学家是第一批真正追随这一潮流的人时，我们立即意识到铜反应将是一件特别的事情。”“材料科学家只关心制造有用的东西。他们不太关心化学反应的优雅程度。当他们马上开始使用这种技术时，这就是一个信号。”

芬恩的团队是第一批在生物系统中使用这种反应，使类病毒粒子功能化的团队之一。芬恩说:“当时没有人知道有什么化学反应可以做到这一点，我们尝试了很多不同的反应。”

Tornøe说:“我对这个领域的创造力感到惊讶。”“[点击化学]已经被应用到我从未想象过的东西上，在有机化学之外的应用范围更广。梅尔达尔说:“如今，没有一个自重的化学家不偶尔做点化学实验。”

生物学的到来

这种反应很快就从玻璃器皿发展到了细胞。“大约在2002年，我们发表了一种小分子的合成，我们真的很想知道更多关于它是如何工作的，看看它在细胞内的位置，”回忆道艾莉森·休姆来自英国爱丁堡大学。“点击化学刚刚取得成果，现在我们可以把这个小小的手柄添加到我们的小分子中，它可能仍然在细胞内活跃，但我们可以点击荧光团，这样我们就可以看到它了。”“然而，由于铜离子对细胞有毒，经典的叠氮-炔反应在生物体内的用途仍然有限。”这需要美国加州大学伯克利分校的Carolyn Bertozzi和她的团队，使click化学成为真正的生物正交——在生理条件下运行，不干扰或不受周围生物过程的影响。

大约在夏普莱斯和他的团队向仍然持怀疑态度的化学学界提出“点击化学”的想法的同时，贝尔托齐正试图解决一个最初看起来完全不同的问题:如何研究细胞表面的糖。多糖和糖蛋白在免疫应答中起着重要作用。但是，尽管有强大的成像工具来检测蛋白质和核酸，包括活细胞和动物体内的蛋白质和核酸，但在它们的自然细胞环境中观察糖是不可能的——必须破坏细胞才能分析糖。真正需要的是一种不会干扰细胞过程，但仍然可靠和选择性地针对聚糖的反应。

与反应瓶的清洁环境相比，很难过分强调细胞的复杂程度。休姆说:“我有一张我在泰姬陵的照片，背景是我和泰姬陵——然后我又有一张真实的照片，我前面排着一大排人，一大群人。”“大多数人对细胞内反应的印象就像第一张图:这是你的目标，这是你的底物，它们就会到达那里。但现实就像第二张图一样:这是一个拥挤的环境。这真的很复杂。每时每刻都有事情发生。”

但是Bertozzi和博士研究员Eliana Saxon成功地重新利用了一种古老的反应来打破化学混乱。他们的反应是Staudinger结扎术，有机叠氮化物和磷化氢之间的反应在20世纪初被发现。经典的反应产生亚胺磷烷或氮酰，它在水中高度不稳定，几乎立即水解。但是Bertozzi和Saxon设计了一种带有亲电陷阱的磷化氢，它不会在水中分解，而是进行分子内循环，并留下一个稳定的酰胺键。

在生物系统中，你经常要处理浓度很低的成分——你确实需要快速反应

现在，研究小组需要做的就是将叠氮修饰过的糖注入细胞，这就像给细胞喂食合成的叠氮糖一样简单。自然界似乎不使用或不产生叠氮化物，所以细胞基本上忽略了这个不起眼的小官能基团。休姆解释说:“酶在进化过程中会识别它们习惯看到的东西。”一旦细胞吸收了叠氮糖并将其纳入其表面结构，研究小组就可以添加生物素连接的磷化氢。仅仅几年后，这个团队证明了他们可以在活的老鼠身上做这种反应。

“我认为没有人会意识到这种反应是多么干净和神奇，直到你在蛋白质裂解物或动物身上进行这种反应，它的效果非常好，”他说艾伦民心她在伯克利与贝尔托齐一起完成了博士学位。“这真的是第一个生物正交反应。”

但是，虽然Staudinger结扎仍然是最具选择性的生物正交反应之一，但对于许多动态过程来说，它仍然太慢。“在生物系统中，你经常要处理浓度非常低的成分:微摩尔，也许是纳摩尔浓度，”解释说尼古拉斯Agard他在贝尔托齐的指导下获得博士学位，目前就职于美国生物技术公司基因泰克。“为了捕捉那些极低浓度下存在的大量物质，你真的需要快速反应。”

研究小组越试图通过制造更多亲核膦来加速Staudinger连接，它们就越容易发生非特异性氧化，回忆道詹妮弗Prescher他当时是贝尔托齐实验室的博士研究员，首先在小鼠身上研究Staudinger结扎，然后研究应变促进的点击化学。他说，这样做是不可行的。

Meldal和Sharpless的“咔哒”化学本来是完美的——Bertozzi的团队已经在Staudinger结扎中使用叠氮化物作为一个偶联伙伴，所以他们只需要把磷化氢换成炔。但考虑到铜的毒性，这似乎不是一个选择。

咔哒声感觉到了压力

2003年夏天，贝尔托齐刚从一个物理有机化学会议上回来，会上人们一直在讨论环应变。“她的想法是:我们能不能用环菌株以某种方式催化叠氮-炔反应?”阿加德回忆道。“我觉得这太迷人了。”

阿加德深入研究文献，找到了格奥尔格·维蒂格1961年的一篇论文。报纸是用德语写的，而我不会说德语。但照片看起来不错，”阿加德笑着说。“我能读到这一句话:上面写着环辛、叠氮化物和爆炸。”Undeterred, Agard decided to make the compounds that Wittig had described as explosively efficient dipolarophiles in a cyclodaddition with azides.

环辛烷和其他环炔如此活跃的原因是它们携带大量的应变能。毕竟，它们是试图适应非线性结构的线性结构。环辛是最小的环炔，足够稳定，可以分离和储存，尽管它有强烈的难闻气味。普雷彻回忆说:“我们总是知道它们是什么时候制造出来的，因为它们闻起来很难闻，就像腐烂的组织一样。”

到2004年初，阿加德成功地制造出了一种生物素取代的环辛，而普雷舍尔正在测试它们是否会在细胞中发生叠氮烷咔嗒反应。“看到流式细胞仪实验直方图上的变化，表明用叠氮糖和环辛探针处理的细胞具有更高的平均荧光强度值——我永远不会忘记那一刻，”普雷彻回忆道。

在几周内，团队出版了他们的发现，尽管当时他们没有意识到这将对生物正交化学产生的影响。“这对我们当时的化学家来说是令人兴奋的，”普雷彻说。“但我们想过这会在战场上爆炸吗?”不，当时没有。”

虽然最初的反应并不比Staudinger结扎更快，但Prescher说，研究小组在应变促进的点击化学中看到了更多的改进空间。阿加德说:“人们已经把这个数字提高了1000倍、1万倍。”

点击之前

“当[点击化学]刚被发明出来时，它仍然是真正的有机化学:你需要有化学背景才能进行[反应]。Caitlyn米勒他与贝尔托齐一起研究癌症免疫疗法，贝尔托齐于2015年搬到斯坦福大学。“现在它变得如此受欢迎，以至于许多商业供应商都在销售已经有手柄的连接器，他们甚至把它们作为带有生物学家可以遵循的协议的套件提供。”看到人们能够做这种化学，做比以前更酷的生物学，真是太酷了。普雷舍尔说:“看着点击化学从研究方法发展到人类的治疗应用，真是令人兴奋。”

这三个小组都没有固步自休:Meldal的团队最近用三唑键稳定了多肽，取代了二硫键。Bertozzi团队已经发现了一种新的细胞成分——glycoRNA，它是一种没有人知道存在的物质，并将化学扩展到其他难以研究的细胞成分，如脂质。夏普莱斯的团队在2014年推出了他们所谓的下一代点击化学与氟化硫交换反应。

也许还有更多的点击反应就隐藏在人们的鼻子底下。梅尔达尔认为，“很多反应只要稍加修改就能达到点击反应的标准。”但为了下一个重大突破，化学家们将不得不继续挑战现有的思维。夏普莱斯在新闻发布会上说，化学反应，有太多事情是你无法预料的。“如果你涉猎的领域很多，那么在你短暂的一生中，你就有更好的机会找到一些真正好的领域，那里的情况与我们所受的教育完全不同。”

贝尔托齐说:“我认为(我早年在伯克利工作时共事过的人)的多样性创造了一种环境，让我们觉得我们不必像科学家那样循规蹈矩。说在诺贝尔奖宣布后的一次演讲中。“我们可以在活体动物身上做有机化学之类的事情。为什么不呢?”

卡特里娜Krämer是高级科学记者manbetx手机客户端3.0