海归学者发起的公益学术平台
分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月
宇宙中可能充斥着数十亿种化学物质，每一种都有其潜力，而人类目前只确认了其中的1%。在各种应用领域中都可能因未来发现的新的化合物而发生革命性的变化。
图源：Garsya/Shutterstock
目前人类已知的元素有117种，从排列组合的角度出发可以推测会存在6903种双原子化合物，大约160万种三原子化合物。当然，这只是一种简化的推测。宇宙中大约有1.3 x 1050个原子，如果我们按照排列组合的方式去构想4-原子和5-原子化合物的话，我们大概需要来回利用宇宙中所有的材料好几次。
目前已知的人类所合成的最大的化合物是Ornela, Ruiz和Astruc在2009年发布的巨型枝状聚合物，理论上它含有近3百万个原子，但我们还不知道能用它干什么。但是类似的化合物，如枝状纳米颗粒，已经在抗癌药物中得到应用。显然，化合物并非原子的简单堆积，而是需要符合本质上是量子力学规则的化学规则。但一般条件下的规则往往有可能在极端条件下被打破，例如，ArH+在地球上并不天然存在但是在宇宙中到处都是，再例如Talrose和Lyubimova在1950年合成的甲烷正离子[CH5]+，等等。有的化学家的整个职业生涯都会用来试图得到打破化学常规的化合物。
所谓的“化学空间”由所有可能的化合物构成，可能存在的化合物种类的上限是10180。“化学空间”可以复杂到令人抓狂，为给定的应用寻找有用的分子可能意味着要同时搜索几十个维度。例如，在理想的大小、形状、极性、溶解度、毒性以及其它参数相交的地方发现有效的药物分子。理论上，通过分子设计以及计算化学的研究可以预测未知分子的性质，通过计算机辅助合成设计可以得到一定的合成路线。传统上这些方法既属于相应的具体学科，也可以大而化之地归类为生物信息学、化学信息学。高性能计算、机器学习等人工智能方法在分子设计和合成路线的研究上在过去和未来都是重要的方法。
实验上，在实验室中获得新化合物的方式通常是在已有的化合物的基础上通过增减原子或者基团来得到相应的衍生物，或者把已知的合成方法应用到新的反应物上来得到新的产物化合物。这两种方法都是寻找所谓的“已知的未知”。而真正的新化学是“未知的未知”。探索“未知的未知”化合物的一种方法是寻找和发现天然产物，如青霉素、青蒿素等。Alexander Fleming在1928年发现了青霉素，但是直到1942年才由Edward Abraham预测了它的化学结构并在1945年由Dorothy Crowfoot Hodgkin通过x射线晶体衍射验证了它的化学结构，
青霉素核的关键结构特征是四元β-内酰胺环；这个结构部分对于青霉素的抗菌活性是必不可少的。β-内酰胺环本身又与五元噻唑烷环稠合。四元β-内酰胺环是一种不寻常的化学排列，很少化学家会去这样猜测，并且很难合成。了解青霉素的结构意味着我们知道它看起来像什么，并且可以寻找它的化学表亲。如果你对青霉素过敏，需要替代抗生素，你得首先感谢Dorothy Crowfoot Hodgkin。John Sheehan在1957年实现了青霉素的化学合成。Sheehan从1948年即已开始研究青霉素的化学合成，他在这一研究过程中发展了合成肽的方法和新的保护基，并且得到了6-APA这个中间体 – 青霉素的核。将不同的基团连接到6-APA核上可以产生新形式的青霉素，用途更广，活性更好。
对于许多有用的化合物，如青霉素，从霉菌、植物或昆虫中“生长”和提取它们更容易也更便宜。因此，一部分寻找新化学的科学家们仍然经常在我们周围世界的最小角落里寻找灵感和启发。
参考文献：
•J.W. Morgan, E. Anders. “Chemical composition of Earth, Venus, and Mercury”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1980 77: 6973–77. doi:10.1073/pnas.77.12.6973
• Cátia Ornelas, Jaime Ruiz, and Didier Astruc, “Giant Cobalticinium Dendrimers”. Organometallics 2009 28: 2716-2723. doi: 10.1021/om900079y 
• M. R. Carvalho, R. L. Reisabc and J. M. Oliveira. “Dendrimer nanoparticles for colorectal cancer applications:”. Journal of Materials Chemistry B 2020 8: 1120-1138. doi: 10.1039/C9TB02289A
• P. Schilke, D. A. Neufeld, H. S. P. Müller, C. Comito, E. A. Bergin, D. C. Lis, M. Gerin, J. H. Black, M. Wolfire, N. Indriolo, J. C. Pearson, K. M. Menten, B. Winkel, Á. Sánchez-Monge, T. Möller, B. Godard and E. Falgarone. “Ubiquitous argonium (ArH+) in the diffuse interstellar medium: A molecular tracer of almost purely atomic gas”. Astronomy & Astrophysics 2014 566: A29. Doi: 10.1051/0004-6361/201423727
•V. L. Talrose and A. K. Lyubimova, Dokl. Akad. Nauk SSSR 86, 909-912 (1952) (In Russian: Тальрозе, В. Л., and А. К. Любимова. "Вторичные процессы в ионном источнике масс-
点击下方知社人才广场，查看最新学术招聘
扩展阅读
首次合成：含M=ClC双重键的“氯代锇杂环戊三烯”芳香化合物 | NSR
Npj Comput. Mater.:高熵化合物—氧空位的元素组成调控
人工离子通道的完美Na+/K+选择性，和下一代受电鳗启发的离子能转换
PNAS: Craig-Möbius芳香化合物亲电取代研究
本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容
媒体转载联系授权请看下方
继续阅读
阅读原文