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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.

台湾民众何以摆脱“用电的烦恼”？******

　　新华社台北1月18日电(记者赵博、黄扬)最近，台湾电力公司(以下简称“台电”)的一则提示成为热门民生话题。提示说，春节假期工厂停产、公司歇班，用电量减少，流经地下电缆的电力大幅降低，电缆产生大量无效电力灌至系统，造成电压可能升高逾一成，因此呼吁民众外出要拔掉插头，避免家中电器设备烧损故障。

　　春节年年有，为何今年要特别提示“拔插头”？专业人士及舆论指出，其实问题在于风光电等不稳定电力在台湾总电力系统中的占比上升，让电压变得不易控制。

　　近年来，台湾当局大力发展再生能源发电。据《联合报》报道，冬季风力发电旺盛、光伏发电效率趋佳，使得今年春节期间风光电在全台总电力系统中的占比可能突破30%。

　　新竹清华大学工程与系统科学系特聘教授李敏表示，当再生能源发电量过高时，发电和用电的动态平衡会出现波动，影响电网稳定性。电压上升不仅可能导致烧坏电器，还可能造成电线起火，成为公众安全问题。

　　《风传媒》专栏文章分析，当局不遗余力发展绿电，再生能源发电过剩时的储能设施却没有及时跟上。目前的法令又不允许电力公司弃再生能源，于是只能让电压上升。

　　“配套不足下，民进党离岸风机一支一支插，光电板一片一片种，不只破坏海岸、鱼塭，产生一大堆官商勾结的黑金利益，弄了半天，供电还不稳定。”有岛内资深媒体人在社交媒体上发文说，辛苦了一年，春节好不容易放个长假出远门，还得为家中电器提心吊胆。连供电都不稳定，怎么过好年？

　　如果说电压不稳定是台湾民众新近的烦心事，那么，停电无疑是徘徊在人们心头的沉重苦恼。

　　从2017年“8·15大停电”到2021年5月连续两次大停电，再到2022年3月殃及逾500万户的全台停电，以及2022年7月无预警停电频发，电力紧缺越来越成为困扰台湾产业发展、影响民众生活的“紧箍咒”。

　　据岛内媒体报道，第二核电厂2号机将在3月中旬停机，用于递补进入岁修的大潭7号机的燃气机组却受疫情影响工程延宕，无法按时并网测试。因此，今年春季恐怕供电吃紧。

　　尽管台当局经济主管部门负责人保证“努力进行调度”，民众还是忧心忡忡，生怕苦不堪言的大停电“又来几遍”。连台电也无奈表示，届时只能祈祷老天爷帮忙，“天气不要太热”。

　　台湾供电系统以备转容量(即当天实际可调度的发电量扣除使用后剩下的余量)作为电力盈缺指标。当备转容量率低于6%，就会亮起象征“供电警戒”的橙色灯号，介于6%至10%之间，则为象征“供电吃紧”的黄色灯号。

　　《风传媒》引述台湾“中央大学”讲座教授梁启源的分析指出，近年再生能源包括太阳光电、风力发电等执行率均打折扣，燃气电厂则有供气不足的问题，未来三年岛内供电系统的备转容量率预计均在10%以下。

　　他还说，由于再生能源发电占比增加，夜间没有太阳无法发电，预计未来夜间的电力供应容易发生缺口，备转容量率恐将低于3%。只要有一部大型机组故障，就会发生大停电。

　　让民众不断承受“用电的烦恼”，究竟是谁的错？此间舆论指出，“非核家园”能源政策难辞其咎。

　　“非核家园”被称作民进党的“神主牌”，民进党2016年上台后不久就在台立法机构通过相关法案规定，全面优惠绿电发展，电商的发电配比必须符合能源政策目标(天然气50%、燃煤30%、再生能源20%)，同时在2025年前彻底关停核电。

　　事实证明，这个能源转型计划让台湾吞下了发电成本暴涨、空气污染加重等种种恶果。尤其是明知主要依靠进口天然气等燃料火力发电，民进党仍加码喊出“电价冻涨”的政治口号，导致台电亏损严重，2022年亏损高达2675亿元新台币(约合598亿元人民币)。

　　不久前，民进党当局又推出新的“减碳目标”，计划2030年电力配比调整为“523”，即燃煤降为两成、再生能源提升到三成。

　　对此，《中国时报》指出，如果相关配套做得不足，再生能源大量并网可能造成系统惯量不足，电网频率失衡，导致跳机停电风险。台湾大学电机工程学系特聘教授刘志文分析说，唯有建好“三道防线”，包括加严再生能源并网技术规范、调整电能控制系统、增加储能设施与需量反应，才能有效降低绿能并网冲击。

　　春节一天天临近，业界和民众都期待新的一年景气好转，诸事顺遂。然而，民进党当局耽于“口水”保证，却不知检讨和修正能源政策，台湾社会“用电的烦恼”恐怕仍将挥之不去。（新华网）

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）