林道 2013：超分子化學 - 從合成轉向設計

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這種理解對於使化學獨一無二的一項活動至關重要，它將化學與物理學和生物學區分開來，使其成為一種創造性科學，也是當今世界享受高標準生活的基礎——合成。19世紀奠定了化學化合物分類和製造簡單化合物的基礎，而化學合成科學在20世紀被磨練成一種藝術形式。羅伯特·羅賓遜、羅伯特·B·伍德沃德和伊萊亞斯·詹姆斯·科裡等傑出科學家利用化學鍵的理論原理，並將該理論與兩個世紀以來收集的大量實驗資料相結合，將化學合成轉變為一門精確的理性科學。他們證明，只要有足夠的時間、資金和人力，幾乎可以合成任何複雜程度的化學化合物。

然而，這些合成先驅者取得了巨大的成功。他們對有機合成原理的理解如此透徹，他們的成就如此輝煌和多產，以至於塵埃落定時，複雜合成的普遍問題已經得到解決。這並不是說，具體的合成挑戰不會讓聰明的年輕科學家絞盡腦汁。這只是因為對於特定化合物是否可以合成的一般問題的答案已經被證實是肯定的。合成，雖然仍然是化學家世界的中心，但已經變成了一種工具，而不是目的本身。今天，研究生可以在一週內合成出即使是 20 世紀 60 年代世界上最好的化學家也要花費數年才能合成的東西。現在沒有人認真地認為，合成一個分子，無論多麼複雜，都是革命性的，而不是進化性的科學。

如果合成不再是化學的巨大挑戰，那麼什麼是？今天早上，讓-馬裡·萊恩在林道給出了部分答案。當伍德沃德和科裡憑藉其引人注目的共價成就出現在期刊和雜誌的頭版時，一場無聲且未被充分認識的革命正在非共價相互作用領域發生。到 20 世紀 60 年代，氫鍵等非共價相互作用已被認為對生物化學至關重要。鮑林、佩魯茨、沃森和克里克等蛋白質和核酸結構的先驅者已經證明了氫鍵在將蛋白質和 DNA 連線在一起方面所起的關鍵作用。但是，非共價性尚未與共價鍵的形成一起被接受為一種具有同等合成能力的工具。這種情況隨著萊恩、唐納德·克拉姆和查爾斯·彼得森的工作而改變，他們的工作使他們獲得了 1987 年諾貝爾化學獎。有趣的是，最後一個傳統的有機合成諾貝爾獎於 1990 年頒給了伊萊亞斯·詹姆斯·科裡。因此，從某種意義上說，非共價合成的開始可以被視為與共價有機合成作為一門已達到頂峰的科學的認可相吻合。

我們仍然非常處於萊恩、克拉姆、彼得森和其他人所設計的革命的開始階段。萊恩將對非共價構建化合物的結構和合成的研究稱為“超分子化學”。超分子化學的關鍵在於自組裝或自組織現象，這種現象在從洗滌劑的工作原理到生命的起源等令人驚訝的各種應用中發揮作用。非共價結合的最大優點是，與共價鍵形成不同，它是可逆的。如果分子永久地相互結合，那麼我們所知的生活是不可能存在的。複雜的生理反應既需要分子結合也需要解離。只有超分子化學才能幫助我們理解分子之間這種動態的相互作用。超分子化學還解釋了特異性，即分子優先結合，這可以防止生物系統瓦解成一種能量昂貴、可能有害的相互作用的混亂狀態。最重要的是，超分子化學能夠將分子的行為與分子集合的行為聯絡起來，因此本質上包括對理解複雜系統核心的湧現現象的理解。

我們仍然不太瞭解超分子非共價自組裝的原理，無法預測將一堆雜亂的分子扔進試管後將如何結合形成複雜的結構。實驗和計算的發展無疑將為這種預測能力提供見解。這種無知的另一面是，看著非常簡單的化學化合物形成複雜而引人入勝的結構，這些結構顯示出前所未有的特異性和親和力，令人驚歎不已。萊恩引用了兩種分子的例子，其中一種形成雙螺旋，另一種形成三螺旋。將數百萬個單獨的單體混合在一起，你只會得到雙螺旋對和三螺旋對，而不會得到雙三重螺旋雜合體。這種特定的超分子自組織在各個可以想象的領域都有潛在的應用。萊恩和他的同事自己合成了可以捕獲離子的冠醚和穴醚；這些化合物可用於各種任務，從水淨化到去除生物系統中的有毒金屬。萊恩展示的其他超分子複合物形成了可以作為電子裝置、熒光感測器和微型酶的網格。因此，超分子化學主要與設計有關，而不是合成；合成能力內置於分子的結構中，這種能力透過自組裝而無需大量外部干預來加以利用。

最後，超分子組織是生命起源的關鍵。我們現在對原子簡單組合如何在原始條件下聚集形成核酸鹼基、糖和氨基酸等生命基本組成部分有了很好的理解。我們仍然缺乏對這些構建模組如何透過非共價結合和解離相互作用形成構成生命運作基礎的複雜訊號網路的理解，而這正是超分子化學可以提供誘人線索的地方。如果我們能夠理解簡單物質和複雜物質之間這種至關重要的轉變是如何發生的，它將幫助我們理解宇宙歷史上也許最重要的轉變：非生命物質轉變為有自我意識、有意識、有感知能力、有生命的生物。

這篇博文源自林道諾貝爾線上社群，林道諾貝爾獎獲得者會議的互動論壇。第63屆林道諾貝爾獎獲得者會議，致力於化學，將於2013年6月30日至7月5日在德國林道舉行。35位諾貝爾獎獲得者將聚集在一起，會見來自約80個國家的600多名青年研究人員。