诺奖解读始于有机合成的点击化学,如何走向

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·夏普利斯也没料到点击化学会用于生物。

·当时的分子生物学新工具并不能研究聚糖,但卡罗琳·贝尔托西尝试攀登这座大山,研究难以捉摸的聚糖。贝尔托西开发了可以用在生物体内的点击化学。这一里程碑式的成果也是更大成就的开始。

年诺贝尔化学奖获得者:美国化学家卡罗琳·贝尔托西(CarolynR.Bertozzi)、丹麦化学家摩顿·梅尔达尔(MortenMeldal)和美国化学家卡尔·巴里·夏普利斯(K.BarrySharpless)(从左到右)。诺贝尔化学奖再次颁给了化学。10月5日,瑞典皇家科学院宣布,将年诺贝尔化学奖授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西(CarolynR.Bertozzi)、丹麦化学家摩顿·梅尔达尔(MortenMeldal)和美国化学家卡尔·巴里·夏普利斯(K.BarrySharpless),以表彰他们在点击化学和生物正交化学研究方面的贡献。

点击化学是由夏普利斯在年初步提出并在其后逐步完善的一个合成概念。它的核心理念是:合成化学要以分子功能为导向,通过小单元的简便拼接,快速可靠地完成各种各样分子的化学合成。

梅尔达尔和夏普利斯分别独立发现了点击化学“皇冠上的明珠”:铜催化的叠氮化物-端炔烃环加成反应。这个反应已成为点击化学的代名词。而贝尔托西开发了可以用在生物体内的点击化学,这种生物正交反应在不干扰细胞正常化学反应的情况下发生,被广泛用于绘制细胞图谱,研究人员也在研究如何利用这些反应诊断和治疗癌症。

夏普利斯是第二次获得诺贝尔化学奖。21年前,由于其在不对称催化氧化领域的开创性贡献,他与美国科学家威廉·诺尔斯、日本科学家野依良治分享了年诺贝尔化学奖。

贝尔托西成为化学诺奖史上第8位女性化学奖获得者。

化学进入功能主义时代:两位科学家独立发现点击化学“皇冠上的明珠”

夏普利斯曾说,化学家的一个绊脚石是碳原子之间的化学键。来自不同分子的碳原子往往缺乏相互成键的化学动力,因此需要人工激活,但这通常会导致很多不必要的副反应和代价高昂的物质损失。

于是夏普利斯鼓励同事们从已有完整碳骨架的小分子开始,这些简单分子可以用更容易控制的氮原子或氧原子连接在一起。如果化学家选择简单的反应,即分子有很强的内在动力结合在一起,他们就能避免许多副反应,物质损失也小。

他将这种构建分子的方法称为“点击化学”。

夏普利斯认为,即使点击化学不能提供天然分子的精确副本,也有可能找到具有相同功能的分子。以分子功能为导向,通过小单元的简便拼接,就有可能创造出几乎无穷无尽的分子种类。他确信,点击化学可以生产出与自然界中发现的药物一样可以适用的药物,并进行工业化生产。在年发表的论文中,夏普利斯列出了点击化学应满足的几个条件,其中之一是在氧气和水的存在下发生。

年诺贝尔化学奖授予卡罗琳·贝尔托西、摩顿·梅尔达尔和卡尔·巴里·夏普利斯,以表彰他们在点击化学和生物正交化学研究方面的贡献。另一头,在丹麦一个实验室里,梅尔达尔的反应容器里出现了一种意外物质。21世纪初,他一直在开发寻找潜在药物的方法:构建巨大的分子库进行筛选,看哪种物质可以阻止致病过程。一天,他和同事做了一个常规化学反应,目的是让炔烃和酰基卤化物发生反应。只要化学家加入一些铜离子,或许再加入一点钯作为催化剂,反应通常都很顺利。

但梅尔达尔发现,炔烃与酰基卤化物分子的错误一端发生了反应,这个错误一端是一个叫做叠氮化物的化学基团。叠氮化物和炔烃一起形成了环状结构,也就是三唑。

三唑是理想的化学结构单元,它通常在一些药品、染料和农业化学品中存在。研究人员此前曾尝试用炔烃和叠氮化物制造三唑,但会产生不必要的副产品。梅尔达尔意识到是铜离子控制了反应,因此原则上只形成了一种物质。即使是原本应该和炔烃结合的酰基卤化物,在容器中也或多或少没有受到影响。

年6月,他在圣地亚哥的一个研讨会上首次展示了自己的发现。第二年,他在学术期刊上发表论文称,这种反应可以用来连接许多不同的分子。同年,夏普利斯也发表了一篇关于铜催化叠氮化物和炔烃之间反应的论文,表明该反应在水中有效,而且可靠。

当加入铜离子,叠氮化物和炔烃的反应非常高效。这种反应现在被广泛用于以一种简单方式将分子连接在一起。叠氮化物就像一个负载的弹簧,铜离子释放了弹力。夏普利斯提出,化学家可以利用这个反应很容易连接不同分子,而且潜力巨大。现在看来也确实如此。如果化学家想连接两个不同分子,如今他们可以相对容易地在一个分子中引入叠氮化物,在另一个分子中引入炔烃,然后在铜离子的帮助下,分子迅速而高效地结合。

这种简单性也使得点击化学反应在实验室和工业生产中受欢迎,还能用来创造新材料。在药物研究中,点击化学被用来生产和优化可能成为药物的物质。但夏普利斯也没料到点击化学会用于生物。

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