林道 2013：超分子化学 - 从合成转向设计

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这种理解对于使化学独一无二的一项活动至关重要，它将化学与物理学和生物学区分开来，使其成为一种创造性科学，也是当今世界享受高标准生活的基础——合成。19世纪奠定了化学化合物分类和制造简单化合物的基础，而化学合成科学在20世纪被磨练成一种艺术形式。罗伯特·罗宾逊、罗伯特·B·伍德沃德和伊莱亚斯·詹姆斯·科里等杰出科学家利用化学键的理论原理，并将该理论与两个世纪以来收集的大量实验数据相结合，将化学合成转变为一门精确的理性科学。他们证明，只要有足够的时间、资金和人力，几乎可以合成任何复杂程度的化学化合物。

然而，这些合成先驱者取得了巨大的成功。他们对有机合成原理的理解如此透彻，他们的成就如此辉煌和多产，以至于尘埃落定时，复杂合成的普遍问题已经得到解决。这并不是说，具体的合成挑战不会让聪明的年轻科学家绞尽脑汁。这只是因为对于特定化合物是否可以合成的一般问题的答案已经被证实是肯定的。合成，虽然仍然是化学家世界的中心，但已经变成了一种工具，而不是目的本身。今天，研究生可以在一周内合成出即使是 20 世纪 60 年代世界上最好的化学家也要花费数年才能合成的东西。现在没有人认真地认为，合成一个分子，无论多么复杂，都是革命性的，而不是进化性的科学。

如果合成不再是化学的巨大挑战，那么什么是？今天早上，让-马里·莱恩在林道给出了部分答案。当伍德沃德和科里凭借其引人注目的共价成就出现在期刊和杂志的头版时，一场无声且未被充分认识的革命正在非共价相互作用领域发生。到 20 世纪 60 年代，氢键等非共价相互作用已被认为对生物化学至关重要。鲍林、佩鲁茨、沃森和克里克等蛋白质和核酸结构的先驱者已经证明了氢键在将蛋白质和 DNA 连接在一起方面所起的关键作用。但是，非共价性尚未与共价键的形成一起被接受为一种具有同等合成能力的工具。这种情况随着莱恩、唐纳德·克拉姆和查尔斯·彼得森的工作而改变，他们的工作使他们获得了 1987 年诺贝尔化学奖。有趣的是，最后一个传统的有机合成诺贝尔奖于 1990 年颁给了伊莱亚斯·詹姆斯·科里。因此，从某种意义上说，非共价合成的开始可以被视为与共价有机合成作为一门已达到顶峰的科学的认可相吻合。

我们仍然非常处于莱恩、克拉姆、彼得森和其他人所设计的革命的开始阶段。莱恩将对非共价构建化合物的结构和合成的研究称为“超分子化学”。超分子化学的关键在于自组装或自组织现象，这种现象在从洗涤剂的工作原理到生命的起源等令人惊讶的各种应用中发挥作用。非共价结合的最大优点是，与共价键形成不同，它是可逆的。如果分子永久地相互结合，那么我们所知的生活是不可能存在的。复杂的生理反应既需要分子结合也需要解离。只有超分子化学才能帮助我们理解分子之间这种动态的相互作用。超分子化学还解释了特异性，即分子优先结合，这可以防止生物系统瓦解成一种能量昂贵、可能有害的相互作用的混乱状态。最重要的是，超分子化学能够将分子的行为与分子集合的行为联系起来，因此本质上包括对理解复杂系统核心的涌现现象的理解。

我们仍然不太了解超分子非共价自组装的原理，无法预测将一堆杂乱的分子扔进试管后将如何结合形成复杂的结构。实验和计算的发展无疑将为这种预测能力提供见解。这种无知的另一面是，看着非常简单的化学化合物形成复杂而引人入胜的结构，这些结构显示出前所未有的特异性和亲和力，令人惊叹不已。莱恩引用了两种分子的例子，其中一种形成双螺旋，另一种形成三螺旋。将数百万个单独的单体混合在一起，你只会得到双螺旋对和三螺旋对，而不会得到双三重螺旋杂合体。这种特定的超分子自组织在各个可以想象的领域都有潜在的应用。莱恩和他的同事自己合成了可以捕获离子的冠醚和穴醚；这些化合物可用于各种任务，从水净化到去除生物系统中的有毒金属。莱恩展示的其他超分子复合物形成了可以作为电子设备、荧光传感器和微型酶的网格。因此，超分子化学主要与设计有关，而不是合成；合成能力内置于分子的结构中，这种能力通过自组装而无需大量外部干预来加以利用。

最后，超分子组织是生命起源的关键。我们现在对原子简单组合如何在原始条件下聚集形成核酸碱基、糖和氨基酸等生命基本组成部分有了很好的理解。我们仍然缺乏对这些构建模块如何通过非共价结合和解离相互作用形成构成生命运作基础的复杂信号网络的理解，而这正是超分子化学可以提供诱人线索的地方。如果我们能够理解简单物质和复杂物质之间这种至关重要的转变是如何发生的，它将帮助我们理解宇宙历史上也许最重要的转变：非生命物质转变为有自我意识、有意识、有感知能力、有生命的生物。

这篇博文源自林道诺贝尔在线社区，林道诺贝尔奖获得者会议的互动论坛。第63届林道诺贝尔奖获得者会议，致力于化学，将于2013年6月30日至7月5日在德国林道举行。35位诺贝尔奖获得者将聚集在一起，会见来自约80个国家的600多名青年研究人员。