点击化学作为分子连接工具:机遇与挑战

Click chemistry as a connection tool:Grand opportunities and challenges

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.

Although the concept of click chemistry was proposed more than twenty years ago,the research progress of click chemistry has emerged with great vitality,and this year's Nobel Prize in chemistry has once again highlighted the importance of the field of click chemistry.Click chemistry is a reaction in which a variety of molecules are quickly and reliably synthesized by piecing together small units.In particular,it emphasizes the development of new combinatorial chemistry methods based on the synthesis of carbon-heteroatomic bonds and the simple and efficient acquisition of molecular diversity through these reactions.Based on the superior reaction characteristics of click chemistry,click chemistry methods for production are advancing toward precision,simplicity,and high returns,especially in producing polymer materials and some bright biomedical applications.Here,we describe the development logic of typical click reactions with different substrates and catalysts.The latest technologies of click chemistry in the structure control and functional properties of polymers,as well as in the field of biomedicine and its expanding applications,are discussed.Finally,we identify the challenges of click chemistry in reaction mechanisms and engineering applications,and suggest potential future development directions in the future.