催化学报 ›› 2023, Vol. 49: 8-15.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64434-1
Chen Wang,1, Junzhu Yang,1, Yuan Lu*()
摘要:
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.