解读2022诺贝尔化学奖：科普“点击化学”与“正交化学”

专业人士也感生僻的领域

2022年的诺贝尔化学奖已经揭晓了，这一次的化学奖由三位科学家分享，因为「发展出点击化学和生物正交化学」而授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西、丹麦化学家莫滕·梅尔达和美国化学家巴里·夏普莱斯。

我看到网上很多化学专业的人都在热议，这一次化学奖终于成了名副其实的化学奖。过去好多次都颁发给了和化学沾边的其他学科，结果这个化学奖就变成理综奖了，这次可算是回归本源了。

作为普通人，首先关注的还是八卦段子。夏普莱斯老爷子已经81岁了，人家2001年已经因为“不对称氧化催化”获得过一次诺贝尔化学奖了，没想到今年是梅开二度，拿到了第二个诺贝尔化学奖。这在诺贝尔奖的历史上也不多见。

我把老爷子的照片翻出来一看，哎呀，这位怎么长得那么像《绝命毒师》里的那个老白啊，这可真是巧了。难道导演是照着老爷子挑的演员，这也挨不上啊。你别说，老爷子真是一个非常热心的人，经常到中国来搞学术交流，和咱们这边关系好着呢。

再看看他们三个这次获奖的原因——“点击化学”和“正交化学”。我当时就有点蒙圈，对这些词实在是不熟。我在一个群里，看他们正在为昨天物理学奖的事儿吵来吵去。我就问他们，你们对今天揭晓的化学奖有啥解读吗？他们一个个表示都不懂。有人甚至表示，他去问了4个化学家，人家也表示不懂。

也难怪，化学是一门非常贴近实际的学科，学科已经非常细化了。真是隔行如隔山。没办法，我只能自己找材料，自己综合网上各种信息，为大家做个解读了。

点击化学

第一个问题是什么叫“点击化学”。其实这是一个翻译的问题。这个词是夏普莱斯的夫人起的，click就是汽车安全带卡扣插进去的那一声咔嚓声。所以有人认为应该翻译成咔嚓化学才对。

现在人类面临一个问题，那就是分子结构的多样性几乎是无限的。仅仅是氢、碳、氮、氧、磷、硫、氟、氯和溴这9种元素组成的不超过30个原子的分子，也可能产生10的63次方种可能的分子结构。这是一个异常庞大的天文数字，大约是太阳原子总数的100万倍。

所以，你要从这么庞大的可能性之中找到我们所需要的分子结构，那就太难了。而且还有一个难题，有些分子，我们不是想构建就能构建出来的，这又不是搭积木。

在150多年的历史中，化学家们就是在想办法倒腾来倒腾去，要么就是用小分子拼成大分子，要么就是把大分子拆开。说白了就是在想尽办法拼凑出自己想要的那种分子结构。这个过程其实很麻烦，也很难。有时候还需要处理易燃易爆的高活性化学物质，这是非常危险的事儿。

夏普莱斯自己在1970年就出过一次严重事故，因为他没戴护目镜，玻璃瓶子爆炸的时候，伤到了一只眼睛。所以，他老先生只有一只眼是真的。

危险不说，化学反应往往非常复杂，副反应往往会产生很多用不着的废物，真正需要的那些分子，只有百分之几的生产率，这生产效率太低了。

夏普莱斯老爷子在2001年拿完第一个诺奖以后，已经是59岁的人了。也就是在这一年，他提出了“点击化学”这个概念。他注意到了一些现象，蛋白质以及核酸都是简单的单体，是通过某种化学反应拼接在一起凑出来的。这就像是乐高积木一样，可以插来插去。一般的化学物质行不行呢？能不能也构造成像是卡扣这种结构，一公一母碰在一起，自动咔嚓一下锁住？氮原子和氧原子完全有可能起到桥梁的作用，如果真的能实现，是不是就可以用搭积木的方式来方便快捷地把小分子拼起来呢？

这个想法就是所谓的“点击化学”，这也是夏普莱斯和梅尔达的主要贡献。他俩是不约而同地想到了这个方法。

但是，要想实现这个想法，你总得找到合适的插头和卡扣吧。他们找到的卡扣就是叠氮化物，尾巴上有三个氮原子排成一串，插头就是炔烃，中间是两个碳原子。

但是，你要让插头听你的话，老老实实插进卡扣，这事儿没那么简单。过去这个反应必须是在高温高压下才行，现在用铜离子作为催化剂，这个反应在常温下也能进行，这一下就大大扩展了适用范围。所以这个化学反应也叫“一价铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应”。

最后生成的物质叫三唑，三个氮原子和两个碳原子搭成了一个五边形。

2002年，夏普莱斯和梅尔达的团队分别完成了这项工作。梅尔达认为，这个反应可以把很多不同的分子给连到一起。夏普莱斯老爷子认为认为这个反应是“完美的点击化学”。如今这个反应被誉为点击化学“王冠上的明珠”。

总之，符合点击化学的反应具有以下一些优点：

1. 具有很高的产率；

2. 作为起始原料的小分子结构简单；

3. 几乎不发生副反应；

4. 实验操作简便，无需层析一类的精制流程；

5. 能够在水中进行反应。

有了这样的好技术，大家就可以在实验室里方便快捷地制造很多种分子结构了。这样一来，大家发论文的速度就快了很多。当然，这种技术的实用前景也很广阔，对工业生产也有很大的帮助。比如是不是可以给塑料或者是纺织材料增加一点导电的性能？可不可以增加一点抗菌和防紫外线的特性？这都是可以设计出来的。

正因为开创了点击化学，夏普莱斯和梅尔达才赢得了2022年的诺贝尔奖。夏普莱斯的一篇论文，在20年间被引用了上万次，可见其影响力，这比他当年第一次获得诺奖的论文还要热门。你以为得了诺奖就功成名就了，就可以退休了？不是的。对夏普莱斯来讲，这只是个小目标，这只是人家的新起点。所以，夏普莱斯老爷子在业内声誉极高。

正交化学

当然啦，最早一批惦记着点击化学的就是这次一同获得诺奖的贝尔托西。这位女士最大的贡献就是开创了正交化学。

什么是正交化学？这是第二个问题。说白了，正交化学就是发生在生物体内的化学反应，但是和正常的生物化学反应井水不犯河水，基本上没什么影响。这种你走你的阳关道，我走我的独木桥的模式，套用数学上的术语就是“正交”。这个数学名词往化学里一掺和，我们普通人就晕了呗。

过去贝尔托西一直在研究糖类，要知道，糖类也可以构成非常复杂的结构。她在研究一种聚糖如何引起免疫细胞吸引到淋巴结的时候遇到了困难，她缺乏对糖类示踪和定位的工具。

过去，我们用同位素标记，可以追踪蛋白质和核酸的位置。就是把蛋白质或者是核酸里的某些原子替换成带放射性的同位素原子。这样只要测一次放射性，就知道这些原子在哪里，就可以追踪定位了。

但是，这种实验是有风险的，毕竟放射性可不是闹着玩儿的，而且对实验室也有很高的要求，所以实用性不好。如果要追踪某个具体的蛋白，对不起那更是做不到，同位素标记是滚扫一大片。

第二代跟踪技术就是利用荧光蛋白，这就是2008年诺奖的研究内容了。这种方法的好处是可以精确到某种蛋白质，所以就成了主流的办法了。蛋白质都是有自己的功能的，你倒好，把这个蛋白改成荧光蛋白了，改动太大，会影响到生物体内原本的正常功能，这就会对实验结果造成影响。

那好啊，是不是可以把示踪的目标再选小一点，也就是缩小到分子级别，这种技术就是所谓的“单分子荧光成像技术”。这个技术已经拿过诺奖了。

贝尔托西选了一大圈，发现没有一个适合她所研究的糖类。最后她想到了点击化学技术。她要在聚糖分子上装一个卡扣，也就是一个叠氮基团。这个基团非常小，也不影响原来分子的功能，也不会与细胞里的其他东西反生反应，井水不犯河水。这就是所谓的“生物正交”。

那如何做到示踪呢？比如说在A物质上挂了一个卡扣，也就是一个叠氮基团，然后把A物质注射到小鼠的体内，随着新陈代谢开始在小鼠体内到处溜达。

几天以后，再注射带有插头的荧光标记物B。B进去以后，自己去找A物质的插座，“咔嚓”一声插好了。插好了就可以发荧光了，这不就把A的分布情况给标记出来了嘛。

贝尔托西遇到的麻烦是不能使用铜离子作为催化剂，因为铜离子对生物体是有毒性的。所以她研究出一种不依赖铜催化的化学反应，学名叫“应变促进的炔烃-叠氮化物环加成”。

这个过程并没有干扰生物的正常生物化学反应，所以是标准的“正交化学”。你看，点击化学和正交化学是联合起来应用的。所以，诺奖也是一起拿，贝尔托西也是实至名归。

结语

有关这这次诺贝尔化学奖到底是怎么回事儿，我也就讲这么多了。国庆假期结束了，就让我们结束这次诺贝尔奖的解读之旅吧。后边的文学奖与和平奖，我是实在不懂啊。

好，就说这么多了。

end