分子合成是最“化學”的活動之一

分子合成

是最“化學”的活動之一

“The perhaps ‘most chemical’ activity of chemists is synthesis of molecules…”

? Albert Eschenmoser, Swiss Organic Chemist (1925-2023)1

有個有趣的現象：化學工作者們會根據感興趣的領域自然而然地聚集成不同研究圈子。美國物理化學家Gilbert N. Lewis曾說，“物理化學是一切有趣的存在”，但有機化學家們卻不能茍同，必定會說“有機化學才是！”對化學領域的偏好，如同美學鑒賞一般，因人而異。

盡管有不同的“化學偏好”，但化學工作者們無一不對那些憑借驚人發現或創造將化學推向新高度的研究成果心懷敬佩。就像置身山野中直面極致美景，自然的神秘與復雜在眼前展現，那一刻我們屏住呼吸、肅然起敬。取得改變研究范式的卓越成果，往往需要數年甚至數十年的刻苦鉆研，但它們使平凡的日常研究充滿希望與無限可能。

我們何其幸運，能投身這樣一個學科領域：它將人類知識從最初對空氣和物質組成的簡單理解，逐步提升到對化學鍵、化合物的系統識別，再到利用這些知識，精準地把物質轉化成食品、藥物、染料、塑料等。化學從基礎層面被定義為研究物質及其轉化的科學，然而，這種簡化的概括并不能充分體現這門“中心科學”和化學研究的萬千法門。各種分子，簡至二氧化碳（CO2），繁如維生素B12（圖1），都非常重要。化學研究的疆域正不斷被拓展：從揭示簡單分子的反應機制，到從自然界中分離復雜分子，再到設計合成更大、更精巧的分子結構……

有機合成于整個化學領域中有著當之無愧的特殊地位，因為它讓化學工作者們能夠復制、修改乃至創造分子，然后應用于現代生活的方方面面。瑞士化學家Albert Eschenmoser曾將分子合成稱為“或許是化學工作者最‘化學’的活動……”1 美國化學家K. C. Nicolaou也曾講：“有機合成關乎人類福祉，它使我們能夠創造新的化學實體（即分子），獲取最珍貴的物質資源。”2 他進一步說，“有機合成領域的旗艦引領是全合成”，這一專注于天然產物構建的分支領域極具挑戰，既是“一門精細的藝術，又是一門精準的科學”2。近兩百年前，德國化學家Friedrich W?hler在實驗室中首次合成天然產物——尿素，這通常被認為是有機合成的誕生。此后，成千上萬更為復雜的分子被成功合成，其中有些分子需歷經數十步反應。

圖1. 維生素B12的化學結構。來源：Wikimedia Commons

全合成乃至整個化學發展史上，維生素B12的合成無疑是一個重要里程碑。其結構測定本身已是一個重大成就，英國化學家Dorothy Hodgkin利用X射線技術成功解析青霉素和維生素B12等重要生化物質結構而榮獲1964年諾貝爾化學獎。雖結構已知，但維生素B12的全合成極其復雜艱巨，一度被視作合成化學的“珠穆朗瑪峰”——一個幾乎不可實現的目標。3

維生素B12的合成最終于1972年完成，是合成化學史上一項舉世矚目的成就。合成工作歷經十二載，由瑞士蘇黎世聯邦理工學院Albert Eschenmoser教授課題組與美國哈佛大學Robert B. Woodward教授實驗室共同完成，整個合成路線包含了近100個步驟。Eschenmoser后來回憶道：“維生素B12的全合成在某種意義上證明，只要愿意投入必要的時間與精力，今天的化學工作者原則上能夠合成任何（低分子量）天然產物。”1

圖2. Robert B. Woodward教授（左）與Albert Eschenmoser教授（右）于1979年3月5日合影。

在兩位教授（圖2）的共同帶領下，來自19個國家的91位博士后和博士生全心投入維生素B12的合成工作。參與該項目的所有成員付出了極大努力，也深感自豪。曾在Woodward實驗室從事博士后研究的Srinivasa Ranganathan博士回憶道：“（Woodward教授）平均每天工作14-15小時（周六半天）。我剛加入時，他期望我每周工作100小時！到項目后期，我的工作時間遠不止此。”4 CCS Chemistry 顧問編委Jean-Marie Lehn教授也曾在Woodward組進行博士后研究。Lehn教授曾在多年前訪問清華大學并作超分子化學報告，張希教授也在現場。在回顧超分子化學領域發展時，Lehn教授特別提及維生素B12的全合成，他指著分子中紅圈標出的片段表示：“這一部分是我在Woodward教授課題組做博士后期間合成的。” Lehn教授于1987年因合成穴醚（cryptands）與Donald Cram、Charles Pedersen共同獲得諾貝爾化學獎，但他依然對參加過維生素B12的合成感到特別自豪。

維生素B12被譽為“自然界最美的輔因子”，而其全合成堪稱一項浩大工程，唯有創造性的合成策略與緊密高效的跨團隊合作才能完成。5 Eschenmoser教授將兩個課題組的合作稱為“協作競爭”，并回憶道：“我們約定，在全程充分共享實驗中獲得的所有信息，任何一方都不應搶先達到終點。這為雙方都提供了時間和機會，能夠深入探索合成過程中遇到的科學問題。在合作的十年間，大量的信息在大西洋兩岸間頻繁往來傳遞。”1 在2017年發表于Tetrahedron 期刊的一篇精彩而詳實的回顧文章中，作者們高度評價了Eschenmoser-Woodward合作的獨特性：“促成這樣一個意義非凡的合作項目成功的因素，遠不止合成策略和團隊規模。它更需要絕對真誠與彼此信任，使兩個團隊如同一體般溝通和思考，同時又展現了兩人各自的智慧與才華。”6

像維生素B12全合成這樣的研究壯舉并不常見，但每天都有無數研究團隊和合作項目在攻克復雜的化學難題。在本期CCS Chemistry 發表的文章中，我們非常榮幸地呈現其中的杰出工作，同樣展現了化學這一美妙領域的持續進步。本月以4篇精彩的Mini-Reviews開篇，分別是：1）清華大學劉凱等關于鋰電池的超分子策略的綜述文章；2）韓國高麗大學Jong Seung Kim等關于病毒感染的熒光成像的綜述文章；3）北京大學陳鵬、中國科學院分子細胞科學卓越創新中心吳家睿、國家自然科學基金委員會化學科學部黃艷等關于動態生物大分子修飾的綜述文章；4）中國科學技術大學吳思等關于光響應高分子納米復合材料的綜述文章。此外，本期還包括3篇Communications和18篇Research Articles，涵蓋了銅催化氧化偶聯、吡啶C–H甲酰化、有機電合成、P-手性中心構建、陽離子識別、人工水通道、共價有機框架、鋰金屬電池、有機太陽能電池、白光有機發光二極管、塑料廢棄物升級回收、CO2轉化為C2+產物等主題。每篇文章的導讀請見：。

化學，特別是有機合成領域，正以前所未有的速度持續發展。人工智能的預測與優化能力，以及自動化機器人系統帶來的效率提升，正不斷拓展這一學科的邊界。分子工程——由德裔美國化學家Arthur R. von Hippel于1956年首次提出，旨在“根據需求從原子、分子層面構建物質”，如今已發展成為一門獨立學科，由跨學科團隊合作共同創造新材料。7 過去，合成一個定制分子可能需要30步反應和大量試錯；如今借助AI的力量，同樣目標的合成路徑可能被縮短至十步甚至更少。這樣的進展正逐步成為現實，而這種引人入勝的分子合成新方法仍蘊藏著巨大潛力待我們發掘。

今天，技術的突飛猛進為全合成等復雜課題不斷帶來新的解決方案，我們更須銘記化學研究根植的偉大傳統。過去如此、今天亦然，化學始終是一項飽含人類智慧與熱忱的事業。在漫長的探索歷程中，無數研究者以他們的經歷、成功與失敗，共同譜寫下這門科學的故事。幾乎所有重大突破都離不開智慧且充滿活力的個體協作，正如Woodward教授和Eschenmoser教授，他們因共同的好奇心而攜手并進。牛頓的名言值得我們一再重溫：“如果我比別人看得更遠，那是因為我站在巨人的肩膀上。”我們應當向這些化學領域的大師——無論是過去的先驅，還是今日有幸并肩的同仁——致以敬意與感激。若沒有他們的非凡貢獻，我們就不會有如此廣闊而令人興奮的化學領域去探索。

張希 教授

CCS Chemistry主編

E-mail: xi@tsinghua.edu.cn

Donna J. Minton 博士

中國化學會出版主管

E-mail: donna.minton@chinesechemsoc.org

致謝：

衷心感謝Jeffrey Seeman博士惠允使用圖2中Robert B. Woodward教授與Albert Eschenmoser教授的合影。

參考文獻：

1. Hargittai, I.; Hargittai, M., Candid Science III More Conversation with Famous Chemists; Imperial College Press: River Edge, NJ, 2003. pp. 96-107.

2. Nicolaou, K. C. Organic Synthesis: The Art and Science of Replicating the Molecules of Living Nature and Creating Others Like Them in the Laboratory. Proc. Math. Phys. Eng. Sci. 2014, 470, 20130690.

3. Sauvage, J.-P. 分子之美; 楊恩毅 譯; 機械工業出版社, 2025 (originally published as L'élégance Des Molécules; humenSciences: Paris, France, 2022).

4. Ranganathan, S. Robert Burns Woodward (1917-1979) A Personal Profile. Resonance 2014, 19, 586-589.

5. Stubbe, J. Binding Site Revealed of Nature's Most Beautiful Cofactor. Science 1994, 266, 1663-1664.

6. Sigg, H.-P.; Hendrickson, J. B.; and Craig, G. W. Woodward’s Unfinished Total Synthesis of Colchicine, a Collaborative Prelude. Tetrahedron 2017, 73, 5563-5576.

7. Von Hippel, A. Molecular Engineering. Science 1956, 123, 315-317.

8. Turnbull, H. W., Ed. The Correspondence of Isaac Newton: 1661-1675, Vol. 1; London, UK: Royal Society at the University Press, 1959; p. 416.

注：本文根據CCS Chemistry 2025年第10期editorial 翻譯整理而成。原文請見：https://doi.org/10.31635/ccschem.025.202500919ed1。