[科学技术]释放“生产力”：点击化合物库实现高通量模块化合成

中国科学院上海有机化学研究所董家佳

利用自然界存在的物质创造性地合成新的物质一直是一个令人兴奋的话题。

现在人们的衣食住行都离不开这两个世纪以来合成化学的发展。我们用来改造自然的各种材料，我们用来对抗自身疾病的药物，甚至我们确保作物产量所需的农药，都离不开合成化学。从这个角度来看，合成化学是一门合理、高效地利用自然界中可利用的物质，创造出自然界中不存在的新物质，从而发现新的功能，造福人类社会的学科。

创造新物质是合成化学的手段。如何通过新的物质实现新的功能，才是这门学科真正的使命。如何通过简单高效的方法将原始物质连接结合起来，完成合成反应，是合成化学家一直渴望解决的难题。

三个关键点，合成化学的学习是必不可少的

合成化学首先是一门物质科学(如图1所示)。科学家可以用现有的材料合成未知的，用廉价简单的材料合成昂贵复杂的，但这些都是建立在现有可用的材料上的。因此，物质的可用性是合成化学中的第一个关键问题。例如，黄金比木材坚固得多，但人们不会用黄金建造房屋，因为可用性与我们的需求不匹配。

图1可用性、连通性和反应性是合成化学研究中的三个关键点

从可用的块开始合成新的物质(小分子、大分子、超分子等。)，听起来像是乐高游戏，或者说是盖房子:从简单的基本积木开始，一步一步的搭建更复杂的结构，这个过程需要通过化学键把积木连接起来。通过这种连接实现新结构和新功能的过程体现了合成化学最显著的特征——连接性。

但是，要实现这些联系，并不是乐高游戏那么简单。因为化学家只能合成自然界中可利用且稳定的物质，而这些可利用的物质块却没有像乐高积木一样稳定且模块化的“接口”，如何才能根据人类的需求高效地相互连接组合？因此，化学家需要研究分子中不同的功能结构在什么条件下可以相互作用，如何实现稳定可靠的连接和结合。

建造房屋时，工人使用必要的材料，如砖块，还需要工具，如锤子、水泥和粘合剂。在合成化学中，化学家使用的“锤子”和“水泥”是一系列反应和化学试剂，“工具”是否“好用”是合成化学在实际学术研究中最关心的“反应性”问题。

要提高连接性，首先要找到“标准接口”

大自然是合成化学家最好的老师。——生命的核心机器dna只使用非常有限的合成积木，即4个核苷酸和20种标准氨基酸，却“制造”并进化出了人类无法想象的复杂生命。这一过程表现出“模块化连接方式”和“极其高效的连接反应”，给合成化学的发展带来了新的启示。

在分子合成中，能否也用模块化的特点和标准的接口实现这种简单的方法？美国斯克里普斯研究所的k·巴里·夏普勒斯教授于1999年提出了点击化学的概念。他认为合成化学家应该专注于寻找和使用简单直接的连接方法来合成，并使用少量、高效和高度特异的化学反应。积木分子的模块化连接可以帮助人们更直接地实现分子功能。

图2单价铜(cuaac)催化的低级炔烃与叠氮化物的环加成反应

这个概念很快被科学家认可。2002年，丹麦的夏普勒斯集团(sharpless Group)和梅尔达尔集团(meldal Group)独立报道了一个非常有趣的化学反应:他们发现炔端官能团和叠氮官能团在一价铜催化剂的催化下可以发生环加成反应，从而得到一类具有1，4-取代的1，2，3-三唑结构的化合物，这就是现在化学家们所熟知的cuaac反应(如图2所示)。

虽然有机化学反应有很多种，但这种反应特别独特。首先，发生cuaac反应的两个官能团在自然界极其罕见，含有巨大的能量，但同时在动力学上具有很高的化学稳定性，甚至可以作为药效官能团出现在稳定的药物中。

此外，即使它们如此稳定，只要它们被一价铜催化，两个官能团就会立即反应，即使当底物浓度非常稀时，或者在各种有机溶剂中，即使在水相或复杂的细胞流体组分中，它们也能有效地反应，反应趋势极高。在没有溶剂的情况下，一价铜盐直接加入叠氮化物和末端炔烃分子的混合物中，甚至可能直接引起爆炸。

尽管火星撞击地球发生激烈碰撞，但这两个官能团彼此“高度专一”，只在设定的温和催化条件下相互反应，从不与其他有机官能团“暧昧”。这种高比活性在数学意义上接近于“正交性”，完全符合点击化学的要求。这是实现模块化合成最重要的一步:找到了标准的接口模式，可以在各种条件下连接不同的分子块！

Cuaac反应备受关注，并迅速成为点击化学的标志性反应，在材料化学、药物化学、化学生物学等学科中得到广泛应用。

此外，在2014年，夏普勒斯集团报告了一种不同于cuaac的反应，称为六价硫氟交换反应(sufex)。这种新的反应利用了六价硫-氟化学键独特的高能量，但它在动力学上极其稳定。近几年Sufex越来越受到重视和应用，被称为“第二代点击化学反应”。

激发反应性需要获得足够的反应块

找到这样一个“界面”和反应就可以实现模块化分子合成模型吗？

事实上，仅仅通过cuaac反应实现模块化分子合成模式是远远不够的。如前所述，极高的反应趋势和近乎正交的反应性是点击化学反应成功的先决条件。但正因为如此，这种反应必须使用天然不可得的高能官能团。

与目前药物化学中广泛使用的一系列连接反应相比，click chemistry 空的合成受到叠氮化物和末端炔烃的限制。简单来说就是反应实现了，只是块不够。

为了得到更多的高能点击化学块，我们需要一个能与自然界提供的官能团以特定而高效的方式发生反应，但又与大多数其他官能团正交的转化过程。在过去的十年里，科学家们思考并尝试了许多不同的方法。不幸的是，已知的化学反应不支持这种可能性。

低级的“错误”，却收获了解决积木问题的新思路

在科学中，当难以用逻辑解决矛盾时，往往需要运用发现的力量。

在寻找新的sufex反应性嵌段的过程中，学生们在实验中犯了一个明显的“错误”，向一种在合成过程中可以水解的试剂中加水，但意外地获得了非常高的fso2n3(氟磺酰基叠氮化物)产率。这是一种罕见的硫(ⅵ)和氟的无机化合物，看似极不稳定，但出乎意料的是，它变得安静，易于在溶液中使用。这个意外后来做出了整个发现。

虽然该化合物不能按照计划进行sufex反应，但它对伯胺官能团显示出极高的重氮转移反应活性。传统的重氮转移反应是一个平衡过程，反应条件一般需要金属催化和过量的转移试剂，因此需要分离纯化过程；当form of发生重氮转移反应时，在温和的水-油两相条件下，在没有金属催化剂的情况下，它可以以接近1∶1的比例将伯胺官能团快速正交地转化为相应的叠氮化物。该反应对烷基、芳基和磺酰基取代的伯胺基团也有效。我们使用一系列复杂的天然产物和药物分子来验证这种反应对底物的普遍性。

在研究过程中，我们进一步发现，在两相条件下，FSO N2 O3重氮转移形成的FSO N2分子迅速水解为f-和NH2 SO3-两种形式。虽然机理尚不清楚，但这一意想不到的过程可能是反应平衡转移充分的原因之一。这一发现使我们非常兴奋地意识到有希望解决阻塞问题。

实验认证，诞生了一种安全高效的复合图书馆建设方法

氮原子之间的高效无机反应将药物化学甚至整个有机化学中最可用的构件串联起来，形成具有最高可预测性的连接反应。

fso2n3在溶液中使用相对安全方便，重氮转移效率高，无需分离纯化合成的有机叠氮化物产品。从一级胺功能分子嵌段出发，我们在96孔板中模块化构建了一个一级胺嵌段文库，其中一天之内可以直接合成相应的叠氮化物嵌段文库，叠氮化物嵌段数可以达到1224个。

我们选择了一种简单的端炔化合物进行实验，并通过化合物与叠氮化物库之间的cuaac反应验证了叠氮化物库的纯度，然后通过液相色谱-质谱对各反应进行了鉴定。同时，我们用大量的数据验证了对于成千上万个不同结构的伯胺分子嵌段，利用完全一致且连续的两步点击反应条件，可以直接模块化合成相应的三唑连接的化合物库，并且这个过程的结果是高度可预测的。

由于我们为构建化合物库而设定的反应条件与化合物生物活性的常规筛选是一致的，因此我们可以实现由前体端炔化合物合成和修饰的极大多样性，无需分离纯化直接筛选分子功能。这种合成模型为加速药物先导化合物的发现提供了强有力的工具。我们把这个方法命名为“模块化点击复合库构建方法”(如图3所示)。

图3点击复合库的模块化构建方法

预测变化，或打破新药研发的固有模式

长期以来，新药的发现一直是以高人力投入的合成模式来实现巨大的化学空室。大型制药公司通过昂贵的超大型复合库把握先发优势实现知识产权控制，新药研发小团队的合成效率成为阻碍小团队发展的瓶颈之一。创造一种低成本、高通用性的模块化合成方法，可能会给新药研发的固有模式带来改变。

与之前科学家建立的组合复合库方法相比，这种模块化合成模式有几个特点:一是分散的、移动的区块库，而不是传统的复合库；其次，根据需要进一步合成的化合物库没有以混合物的形式展示，可以直接应用于生物功能的表型筛选，这是以前的组合化学方法无法实现的；由于点击反应的正交性和反应条件的生物相容性，可修饰的前体分子范围极大；整个过程简单，可以在很短的时间内将确认的目标分子扩增到克级以上，可以进行快速的药理、毒理甚至动物模型实验，便于在药物研发中快速推广成功率低的试错模式。同时，所有这些特点使得这种方法可以低成本复制。

我们也在积极使用这种方法与世界各地的许多研究小组合作。目前，已经发现这种构建复合文库的方法对于表型和药物蛋白靶标都是有效的。目前我们已经把叠氮化合物库的数量推至3000个，并计划在短时间内把叠氮块的数量推至4016个(乐高型号75159——“死星”有4016块)，最终建成1万多个叠氮块库。如果能达到这个量，虽然每种胺盐只制备约100 mg，但在配体加速cuaac的条件下，文库可以使用1000次以上。

上述研究成果在《自然》杂志上发表后，很快引起了国际同行的关注。明尼苏达大学的joseph topczewski教授(本文的审稿人之一，自愿透露了自己的身份)在《自然》杂志的同期专题“连续点击反应驱动的药物发现复合库”中做了专题评论，认为这一成果是点击化学领域的革命性进步。2019年12月13日，作为唯一的一项化学工作，该成果被《自然》网站成功评选为2019年全球十大杰出论文之一。

作者简介:

董家佳，研究员，中国科学院上海有机化学研究所博士生导师。入选中国科学院上海有机技术研究所上海浦江人才计划和“百人计划”(2015)。研究领域主要集中在主族高价氟化物的反应性能，涉及杂原子与氟元素的成键、特定条件下杂氟键的活化转化以及这种转化的应用。

(本文原发表于《前沿科学》2020年第1期)