两次诺贝尔化学奖获得者：不对称催化和点击化学奠基人

2022年诺贝尔化学奖授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西（Carolyn R. Bertozzi）、丹麦化学家摩顿·梅尔达尔（Morten Meldal）和美国化学家卡尔·巴里·夏普莱斯（K. Barry Sharpless），以表彰他们在点击化学和生物正交化学研究方面的贡献。

作者: 李儒

中科院上海有机所

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K. Barry Sharpless

介绍

K. Barry Sharpless [卡尔·巴里·夏普利斯]

美国科学院院士，美国艺术与科学院院士，2019年入选中国科学院外籍院士。

1941年4月28日出生于美国宾夕法尼亚州费城，1963年获达特茅斯学院化学学士学位（导师：T. A. Spencer教授），1968年获斯坦福大学化学博士学位（导师：E. van Tamelen教授），1968-1970年分别在斯坦福大学（导师：J. P. Collman教授）和哈佛大学（K. Bloch教授）进行博士后研究。曾在麻省理工学院和斯坦福大学担任教授，1990年开始转到斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute，TSRI）担任W. M. Keck讲座教授。

他目前从事“点击化学”相关研究，是不对称催化和点击化学领域的奠基人。他个人学术生涯获得许多重要科学奖项，其中包括1992年亚瑟•科普（Arthur C. Cope Award）奖，2001年美国富兰克林奖章，2001年沃尔夫奖，2001年和2022年诺贝尔化学奖，2019年普里斯特利（Priestley）奖等。

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2001年诺贝尔化学奖

不对称催化氧化领域的开创性贡献

手性是生命的核心，许多重要的分子以两种镜像形式存在，并且不同镜像形式具有非常不同的特性。事实上，生命组成的基本物质——DNA和蛋白质分别由右手亚基和左手亚基组成。大自然也经常通过手性来区分小分子，一方面是药物，另一方面可能是毒药。

其中一个典型例子是沙利度胺（反应停事件），沙利度胺在1950年代在欧洲作为缓解孕妇妊娠反应的药物，但结果许多出生的婴儿短肢畸形，形同海豹。后续实验证实只有分子的一种对映异构体会造成这些影响，那么如果当时能够有效的测试并分离这两种对映异构体或者选择性合成其中一种对映体，结局是否会改写呢？

后续由Sharpless等人在1980年发展的Sharpless不对称环氧化反应解决了这一长期存在的难题——选择性地仅合成一种手性化合物。此反应是一种对映选择性的氧化反应，使用两种廉价的、容易获得的商业试剂（Ti(OiPr)4、DIPT），可以将一级或二级烯丙醇制备为光学活性2,3-环氧醇目前已经被广泛应用于糖类、萜烯、白三烯、信息素、抗生素等的合成，在化学领域和制药工业界均有巨大贡献。

图 1 | Sharpless不对称环氧化反应

而Sharpless不对称双羟基化反应与Sharpless环氧化反应一样，也是现代有机合成中最重要的基本反应之一。使用四氧化锇（OsO4）和二氢奎宁（DHQ）或二氢奎尼丁（DHQD）的手性配体衍生物作为催化剂，以计量的铁氰化钾、NMO或叔丁基过氧化氢作为再氧化剂，并加入其他添加剂如碳酸钾和甲磺酰胺等。多数烯烃能都以高产率、高光学活性转化成邻二醇，而且反应条件温和，无需低温、无水、无氧等条件。

除此之外，Sharpless等人于1993年在Thieme Chemistry有机合成期刊Synlett上发表了α-取代苯乙烯衍生物的不对称双羟基化反应（DOI: 10.1055/s-1993-22547）、α,β-不饱和酮的不对称双羟基化反应（DOI: 10.1055/s-1993-22548）以及三步法对映选择性合成保幼激素III（Juvenile Hormone III）（DOI: 10.1055/s-1993-25939）等合成应用。

图2 | Sharpless不对称双羟基化反应

正是因为其在不对称催化氧化领域的开创性贡献，Sharpless教授获得2001年诺贝尔化学奖。

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2022年诺贝尔化学奖

点击化学的奠基人

“故有之以为利，无之以为用。”是老子《道德经》中的重要思想，也被Sharpless教授视为“点击化学”的哲学真谛。

点击化学是Sharpless教授在1998年初步提出并在2001年进一步完善的一个合成概念，它专注于使用简单高效的化学反应快速地在合成片段中实现连接，从而有效、直接地通过合成来实现化学家所希望达成的功能。

不同于传统意义上专注于由碳碳键骨架的构建来连接合成片段的有机化学合成，点击化学以碳杂键（C-X-C）甚至无机连接的合成为基础，强调合成子的高效快速的链接以及链接本身的艺术。就像搭积木一样，用从简单的基元砌块出发，一步一步的搭建出更为复杂的结构，这个过程需要把砌块通过化学键的形式连接起来，通过化学键的连接从而实现新的结构和功能的过程。

Sharpless教授在其点击化学奠基性文章中提到理想的点击化学反应具有以下特征：底物来源广泛，反应操作简单，反应条件温和，反应速率快，不使用溶剂或使用无害溶剂，专一的区域选择性，不产生副产物或副产物很容易除去，易于纯化、反应过程模块化。

Sharpless教授自90年代中期开始积极探寻一种方法来发现新的反应性和化学连接，直到他的小组分别在2002年、2014年发现了两个最具代表性的反应：一价铜催化的叠氮化物-端炔烃环加成反应（CuAAC）和基于“硫氟交换（Sulfur(VI) Fluoride Exchange，SuFEx）”的高价硫氟类化学。

该领域自创立至今（2001－2022），只经过了短短20年的发展，就已经受到几乎所有与化学有交叉的学科的高度重视。尤其是在化学生物学、材料化学、生物制药和诊断等领域，其研究成果得到了广泛的应用，并获得2022年诺贝尔化学奖，成为第二位获得过两次诺贝尔化学奖的化学家。

图3 | 点击化学，反应性，链接性和分子的功能

此外，由于Sharpless在不对称催化、特别是点击化学方面的突出贡献，2019年度美国化学会授予普里斯特利奖章，该奖章是美国化学学会所授予的最高荣誉。

参考文献:

[1] T. Katsuki, K.B. Sharpless, J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 5974.

[2] V. S. Martin, S.S. Woodard, T. Katsuki, Y. Yamada, M. Ikeda, and K. B. Sharpless, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 6237.

[3] Y. Gao, R. M. Hanson, J.M. Klunder, S. Y. Ko, H. Masamune, and K. B. Sharpless, J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 5765.

[4] T. Göbel, K.B. Sharpless, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1993, 32, 1329.

[5] P. J. Walsh, K.B. Sharpless, Synlett, 1993, 8, 605.

[6] Z. M. Wang, K.B. Sharpless, Synlett, 1993, 8, 603.

[7] G. A. Crispino, K. B. Sharpless, Synthesis, 1993, 8, 777.

[8] K. B. Sharpless, H. C. Kolb, Book of Abstracts, 217th ACS National Meeting, Anaheim, CA, March 21 – 25, 1999; ORGN- 105, Accession Number 199:145537.

[9] H. C. Kolb, M. G. Finn, K. B. Sharpless, Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 2004.

[10] W. G. Lewis, L. G. Green, F. Grynszpan, Z. Radic, R. P. Carlier, P. Taylor, M. G. Finn,K. B. Sharpless, Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1053.

[11] J. Dong, L. Krasnova,  M. G. Finn, K. B. Sharpless, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9430.

[12] J. Dong, K. B. Sharpless, L. Kwisnek, J. S. Oakdale, V. V. Fokin., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9466.

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