点击化学作为分子连接工具:机遇与挑战

• Published in: 催化学报 2023, Vol.49 (6), p.8-15
• Main Authors: 汪琛, 杨俊祝, 卢元
• Format: Article
• Language: Chinese
• ISSN: 0253-9837
• DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64434-1

2022年诺贝尔化学奖授予点击化学以及生物正交化学领域的三位科学家,显示了点击化学在当代合成领域的重要地位.点击化学本质是一类连接反应,旨在通过将不同单元分子高效地拼接在一起,最终得到具有特定结构与功能的分子.在传统有机化学中,碳碳键的合成通常具有较大难度,因为它们涉及较低的化学驱动力和较多的副反应.点击化学强调开发基于碳杂原子键的新型组合化学反应,并通过这些反应简单有效地获得多样性分子.点击化学的发展将科学家们从复杂、专业性强的有机合成中解放出来,使他们可以专注于分子功能的开发,一定程度拓宽了合成化学的应用范围.基于点击化学的优越性能,其在聚合物合成以及生物医学等领域表现出了非常广泛的应用前景.本文简要概述了几种涉及不同底物和催化剂类型的典型点击反应,并尝试解释这一领域背后的发展逻辑.此外,阐述了点击化学在现代科学,尤其是聚合物合成和生命科学等领域的应用,及其目前存在的局限性和未来可能的发展方向.点击反应的主要特征包括产率高、选择性好、副产物无害且易分离、反应条件简单、原料易得、符合原子经济性和应用范围广等.典型的点击化学包括亲核开环反应、环加成反应、保护基反应、碳碳多键加成反应和施陶丁格反应等,这些反应大多在点击化学概念提出之前就已被开发.通过改变反应条件,选择合适的底物和催化剂,这些反应可以更加满足点击标准.而随着点击化学在生命科学领域的应用,不依赖于催化剂的反应逐渐受到重视,因为他们更有希望在生物体内保持点击活性.环应力可以在无催化剂存在下有效改善反应动力学,针对底物分子应力的研究成为了点击化学领域的重点.此外,近年来光催化点击反应和解离反应也受到广泛关注,这些"智能"点击反应可以提供有效的时空控制、可逆的连接-释放过程,代表了点击化学新的突破.在应用方面,点击化学可以提供高原子经济性的分子合成方法,因而被广泛用于聚合物的合成,它也为聚合物的功能修饰提供了简便方法.然而在生命科学领域,无催化剂反应显然更有利于生理环境下的分子合成,这也体现了点击化学背后受应用驱动的发展逻辑.当然,不同应用场景也为点击反应提出了新要求.本文强调了生物相容性、可扩展性以及智能化会是点击化学未来发展面临的主要挑战,需要深入研究点击化学在复杂应用场景中的反应机制,引入计算机技术帮助提高可扩展性,以及开发光、磁等物理因素控制的反应类型.相信通过新理论、新技术的引入,点击化学领域将会取得更大的突破.