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Sharpless教授兩次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)敘事:從手性化學(xué)到點(diǎn)擊化學(xué)

來源:南方科大   陳根強(qiáng)副教授整理   2022-10-08
導(dǎo)讀:2022年北京時(shí)間10月5日下午,在瑞典首都斯德哥爾摩,瑞典皇家科學(xué)院宣布,將2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Carolyn R. Bertozzi、Morten Meldal和K. Barry Sharpless,以表彰他們?cè)邳c(diǎn)擊化學(xué)和正交化學(xué)研究方面的杰出貢獻(xiàn)。根據(jù)諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站介紹,Sharpless和Meldal為一種功能形式的化學(xué)——點(diǎn)擊化學(xué)(Click Chemistry)奠定了基礎(chǔ),為化學(xué)分子的快速高效構(gòu)建提供了一條重要途徑。Bertozzi將點(diǎn)擊化學(xué)帶入了一個(gè)新的維度,并開始將其應(yīng)用于生物體中。

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1 2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者

值得一提的是這已經(jīng)是Sharpless第二次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。史上得兩次諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家共有5位,Madame Curie1903年物理獎(jiǎng)、1911年化學(xué)獎(jiǎng))、John Bardeen1908年物理獎(jiǎng)、1991年物理獎(jiǎng))、Linus Carl Pauling1954年化學(xué)獎(jiǎng)、1962年和平獎(jiǎng))、Pauling是唯一一位單人拿過兩次諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家(張緒穆教授1982-1985在中科院福建物構(gòu)所攻讀碩士學(xué)位,導(dǎo)師是盧嘉錫院士,盧嘉錫院士曾任中國科學(xué)院院長(zhǎng),是諾獎(jiǎng)得主Linus Pauling的博士后,圖3),在Sharpless之前,Frederick Sanger是唯一一位兩次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家(分1958年和1980年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))。美國科學(xué)家Sharpless第五位兩諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家,同時(shí)也是第二位兩次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家。

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2 2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者

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張緒穆、盧嘉錫和Linus Pauling的合照(從左到右)

21年前,由于其在不對(duì)稱催化氧化領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn),Sharpless與美國科學(xué)家Willian Knowles和日本科學(xué)家Noyori分享了2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)(Sharpless教授分享一半獎(jiǎng)金,另外兩位分享另一半獎(jiǎng)金)。Sharpless2001年的獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域?yàn)槭中曰瘜W(xué)(圖3),Sharpless開發(fā)的不對(duì)稱環(huán)氧化反應(yīng)已經(jīng)成為一個(gè)經(jīng)典的人名反應(yīng)(圖4),此外Sharpless教授還開發(fā)了不對(duì)稱雙羥化、不對(duì)稱胺基羥基化反應(yīng),為手性化學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。

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4 手性的基本概念示意圖

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Sharpless不對(duì)稱環(huán)氧化反應(yīng)

Sharpless教授于1941428日出生于美國費(fèi)城,1959年進(jìn)入達(dá)特茅斯學(xué)院修讀大學(xué)課程,1968年于斯坦福大學(xué)獲得博士學(xué)位,隨后在斯坦福大學(xué)(導(dǎo)師為J. P. Collman教授,同期Robert Grubbs也在Collman組做博士后)和哈佛大學(xué)從事博士后研究。Sharpless教授曾在麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)擔(dān)任教授,1990年開始轉(zhuǎn)到斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute,TSRI)擔(dān)任W. M. Keck講座教授。Sharpless在催化不對(duì)稱環(huán)氧化的工作獲得諾獎(jiǎng)時(shí)已經(jīng)年滿60歲,張緒穆和Collman教授受邀參加了他在圣地哥舉辦的60歲生日,Sharpless教授并沒有止步于其在手性化學(xué)領(lǐng)域的成就,很快就開啟了一個(gè)新的方向并進(jìn)入生物領(lǐng)域,在短短20年時(shí)間,又開辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域,這是科學(xué)創(chuàng)新的典范。

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張緒穆與Collman教授的合影(1992年畢業(yè)典禮)

南方科技大學(xué)化學(xué)系張緒穆教授1992年博士畢業(yè)于斯坦福大學(xué),導(dǎo)師是Collman教授(圖6),博士畢業(yè)后在Collman組做了兩年博士后,19942006年任教于美國賓夕法尼亞州州立大學(xué),1999年拿到終身教授職位后(19992000年),先后在Grubbs實(shí)驗(yàn)室和夏普萊斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)術(shù)休假(sabbatical leave),與SharplessGrubbs建立了深厚的友誼,也見證了Click Chemistry的發(fā)現(xiàn)過程。Sharpless教授在20032006年受聘擔(dān)任張緒穆創(chuàng)建的凱瑞斯德(Chiral Quest)公司科學(xué)顧問團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)(Chairman of Scientific Advisor Board)(圖7

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7 Allan、Sharpless和張緒穆教授合照(從左到右)

目前為止,Collman教授課題組已經(jīng)有兩位成員榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),另一位是2005年因?yàn)橄N復(fù)分解反應(yīng)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的Robert Grubbs,Grubbs教授是中國科學(xué)院外籍院士,201511月,應(yīng)南方科技大學(xué)創(chuàng)系系主任張緒穆教授邀請(qǐng),Grubbs教授受聘化學(xué)系學(xué)術(shù)顧問委員會(huì)主席,并籌劃在南科大建立Grubbs Institute,格拉布斯教授是深圳格拉布斯研究院的榮譽(yù)院長(zhǎng)(圖8)。為中國高校與世界頂級(jí)科學(xué)家交流建立了良好的范例。張緒穆教授因此獲得深圳市2016時(shí)代深士”的稱號(hào)(圖9)。 

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8 Grubbs教授到訪深圳

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9 2016年時(shí)代深士照片 

2015629日至30日,應(yīng)張緒穆的邀請(qǐng),Sharpless教授參加了由江蘇省政府僑辦、連云港市政府和美國華人生物醫(yī)藥科技協(xié)會(huì)(簡(jiǎn)稱CBA)聯(lián)合舉辦的2015“江蘇國際生物醫(yī)藥創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)交流合作洽談會(huì)暨美國華人生物醫(yī)藥科技協(xié)會(huì)第二十屆年會(huì)”在連云港海州灣會(huì)議中心舉行,諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)得主Sharpless教授領(lǐng)銜海內(nèi)外生物醫(yī)藥高層次人才聚首江蘇,240多名生物醫(yī)藥專家和學(xué)者濟(jì)濟(jì)一堂,共同探討中美生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟夢(mèng),張緒穆教授全程作為翻譯向大家介紹了Sharpless教授的第一代和第二代Click Chemistry。Sharpless教授2019年當(dāng)選中國科學(xué)院外籍院士與中國多個(gè)科研單位和公司有很多的學(xué)術(shù)交流與合作(圖10)。

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10 2015Sharpless和張緒穆教授在連云港合照 

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11 點(diǎn)擊化學(xué)領(lǐng)域的奠基性論文

點(diǎn)擊化學(xué)是由Sharpless1998年初步提出并在其后逐步完善的一個(gè)合成概念。它的核心理念是:合成化學(xué)要以分子功能為導(dǎo)向,通過小單元的簡(jiǎn)便拼接,快速可靠地完成各種各樣分子的化學(xué)合成。Sharpless2001年發(fā)表了點(diǎn)擊化學(xué)的奠基性論文,這篇論文的被引數(shù)量已經(jīng)突破1萬,Sharpless稱這篇文章為點(diǎn)擊化學(xué)的“宣言”(圖11),這篇論文于20008月提交給德國應(yīng)用化學(xué)雜志,沒有一個(gè)評(píng)審專家認(rèn)為該篇文章應(yīng)該被接收發(fā)表,經(jīng)過申訴后雜志的主編Peter G?litz愿意推翻負(fù)面評(píng)論,20015月,“點(diǎn)擊化學(xué):通過幾個(gè)好的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)分子功能”在網(wǎng)上發(fā)表。這也是“有時(shí)真理掌握在少數(shù)人手上”的一個(gè)典型案例,該篇文章是目前合成化學(xué)領(lǐng)域引用最高的一篇論文。

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12 第一代點(diǎn)擊化學(xué)

“點(diǎn)擊化學(xué)”的名字就能看出,這種反應(yīng)就像人們點(diǎn)擊鼠標(biāo)一樣迅速和簡(jiǎn)單,這也正是Sharpless教授一直推崇和追求的“簡(jiǎn)單和有用的化學(xué)”。德國化學(xué)家Rolf Huisgen發(fā)展的1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)(也常被稱作Huisgen反應(yīng))是合成五元雜環(huán)化合物極其重要的方法,反應(yīng)起初需要在加熱條件下進(jìn)行,得到的產(chǎn)物是1,4-加成和1,5-加成的混合物。2002SharplessMeldal課題組各自獨(dú)立報(bào)道了Cu(I)催化下改進(jìn)的Huisgen反應(yīng),改進(jìn)后的反應(yīng)可以在更溫和條件下得到1,4-加成的單一產(chǎn)物,機(jī)理上也不再屬于真正的協(xié)同周環(huán)過程,因此更常被稱作Copper(I)-catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition (CuAAC),成為“點(diǎn)擊反應(yīng)”的經(jīng)典代表(圖12)。

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13 第二代點(diǎn)擊化學(xué)

2014年, Sharpless的研究團(tuán)隊(duì)在《德國應(yīng)用化學(xué)》上報(bào)道了一種基于六價(jià)硫氟交換(SuFEx)的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng),這也被稱為第二代點(diǎn)擊化學(xué) (13)。這是一篇形式非常獨(dú)特的論文,文章報(bào)道了有關(guān)磺酰氟系列反應(yīng)的原創(chuàng)研究成果,但卻是以綜述(review)的形式發(fā)表,而且是一篇帶有幾百頁補(bǔ)充材料的綜述 (Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9430–9448)。這種前無古人的獨(dú)特報(bào)道方式能夠發(fā)表,凸顯了作者和期刊編輯對(duì)這一研究成果的高度重視。

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14 Sharpless教授“大道至簡(jiǎn)”的研究理念

正如Sharpless教授所講的那樣,點(diǎn)擊化學(xué)的核心是“KISS Principle”(‘KISS’ stand for Keep it Simple, Stupid.)(圖14)。從手性化學(xué)到點(diǎn)擊化學(xué),Sharpless教授這種“大道至簡(jiǎn)”的研究理念使得他總能抓住科學(xué)問題的核心,做出最簡(jiǎn)單、最有用的科研成果。


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