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《Nature》为什么要化学合成?  

2016-02-25 11:22:54|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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为什么化学家要合成分子?

答案理所应当是:因为我们需要他们。这就是为什么化学合成服务备受关注,能为21世纪源源不断的提供新药物,新材料,新商品。每一年都带来诱人商业价值。2015年,化学家报道了一种新颖有效的方法来合成抗癌药物——紫杉醇,以及nodulisporic acid(吲哚类生物碱),它可以作为一种杀虫剂,还有发表在自然杂志的抗-HIV的生物碱。

合成新的分子过程中当然也有一些功利主义。有的化学家希望探索理论问题,比如:“化学键是什么构成的?”。还有些是出于好奇和兴趣,“究竟分子可以有哪些结构,可以构成什么样的形状?”。目的多种多样。然而构建分子的根本动力是深远的,因为化学家深信:化学有别于其他科学,化学合成是一门艺术,有着自身发展的价值。是值得发展培养的。

化学合成蕴含了太多东西,合成方法也应施法自然。因此,精品合成变得稀有,这就类似于在电子阅读器和打印风靡的时代手工制作书籍的地位。但是如果合成变得常规化,化学家应该担心吗?

化学家十分热衷于就“全合成是否奄奄一息”这个问题进行定期争论。其实这是错误的。化学的发展正日新月异。我们应该把重点放在合成是如何“回应”的。这种回应一部分会被实用主义所驱动。但合成也有教学的一方面---通常在核心科学的学科---这必须考虑到方程的审美层面。

实验室的历史:化学编年史

通过全合成制备复杂分子有几种可能的原因。一个世纪前的目标通常是为了识别分子结构,就如20世纪40年代罗伯特·罗宾逊的经典之作---马钱子的合成:如果你知道每一步会发生什么,你就会知道最终的结果是怎么样。但是现在,由于在结构分析,尤其是晶体学和核磁共振光谱方面的进展,这种动机已经消失了。

化学家合成天然产品的另一个原因是它们有用。从头开始做分子,而不是刻意地从罕见的生物中提取,这可能会更便宜。19世纪70年代的合成染料靛蓝的出现导致了蓝草(槐蓝)栽培的崩溃就是一个典型的历史实例。

今天,对于制药工业来说,大多数复杂天然产物的全合成路线太复杂以至于不被使用。甚至1994年著名的全合成紫杉醇也从来没有被真正地实行到商业路线中(现在是由天然前体进行半合成,或者通过发酵)。但天然产物的全合成能给化学家提供可能发现有药理作用的非天然衍生物的路线---例如,新的抗生素的发现。

更重要的是,通过从头开始合成一个复杂的天然分子能让学生掌握行业需要的实用技能。合成同时也培养了对于化学基本原理的理解:反应是如何发生的,为什么发生,分子的形状和功能之间的关系等等。具有化学合成分子的能力是下一代化学家必不可少的技能;虽然它仅仅是作为化学家不可缺少的核心的一部分。同样的道理,缺乏绘画技能并不能让一个艺术家身败名裂,但它会使他们的技能受限。

也许这就是为什么经常说在医药行业,拥有合成技能的化学家最容易找到工作。当然,是否只有通过恶魔般复杂的结构学习来获得这项技能,这是不太清楚的。在美国马萨诸塞州波士顿Vertex制药公司的Derek Lowe,认为制药公司的价值并不在于本身的合成实力,而是在于快速解决问题的能力 -以及应付不可避免的失误,因为大部分的药物,就像大多数的有机反应,需要大量的“修补”工作。

我们教的科学为什么是错的?怎样才能变正确?

在马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的George Whitesides提出了一个不同的问题。他担心美国训练研究生做有机合成时,可能是在培训他们做不存在的工作,就如现在在中国大部分地方实行的那样。这种观点认为,分子建设只是另一种制造技术:如果其他地方可以做到更便宜,最好不要尝试进行竞争,就外包好了。

在任何情况下,技术和产品的效用都仅仅是先进化学合成产品参数的一部分。二十世纪中后期的伟大的合成化学家,如 Robert Woodward Elias Corey,并没有因为他们做出的东西被尊敬,而是因为他们如何做这些东西而被大家崇尚:是因为他们“雕琢艺术”的方法。Woodward认为化学合成中包含着一种与生俱来的美感:“化学合成需要创造性的想象力和熟练的技巧,这是一种独特的挑战。只要人们写字,作画,追逐美丽又或者与实用性兼具的时尚,化学合成就会一直存在。”

这些概念是合成领域知识的一部分。合成的里程碑是在讲述英雄的故事,他们一步步的研究路径是优雅战略的典范。和国际象棋做个比较:胜利被视为是个人风格和才华的成就。有一句话恰如其分地证明了合成专家们这个团队的追求,“需要以下美德才能从会合成的人变成最好的合成家:心灵手巧,艺术品位,实验技能,毅力和性格...科学和艺术的双重性质赋予了它极高的荣誉”。随着名家的层出不穷,巴洛克式的碳框架仍经常出现在化学期刊的页面上,风姿不减。

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