“分子編輯術(shù)”破百年困局

這項突破將讓藥物合成更安全、更便宜

就在28日凌晨，國際頂尖學術(shù)期刊《Nature》（《自然》雜志）上線了一篇來自中國年輕科學家團隊的重磅成果“Direct deaminative functionalization with N-nitroamines”（N-硝基胺介導直接脫氨官能團化）。這不是一次尋常的發(fā)表：從投稿到錄用僅一個多月，從投稿到見刊僅不到50天，創(chuàng)下罕見高效的《Nature》投稿紀錄；四位審稿人一致給出高度評價，其中輝瑞公司高級研發(fā)總監(jiān)Scott Bagley（斯科特·巴格利）更評價其為“true tour de force”（真正的杰作）。

這項顛覆性技術(shù)的背后，是中國科學院大學杭州高等研究院（以下簡稱“國科大杭高院”）“85后”教授張夏衡帶領團隊歷時三年、數(shù)千次實驗的執(zhí)著探索。

這是一場關(guān)于“氨基”的革命，也是一次對延續(xù)140年工業(yè)傳統(tǒng)的勇敢挑戰(zhàn)。

一塊“基礎積木” 困住了一代代化學家

你可能從未聽過“芳香胺”這個名字，但它早已悄然融入你的生活。它是抗癌藥、抗抑郁藥、農(nóng)藥乃至新型材料中的常見結(jié)構(gòu)單元，堪稱構(gòu)建現(xiàn)代分子世界的“基礎積木”。

然而，一個多世紀以來，化學家們?nèi)粝敫脑爝@塊“積木”，卻不得不走一條危險又低效的老路：先把它變成一種叫“重氮鹽”的中間體。

“這就像用炸藥拆墻。”張夏衡教授在接受采訪時形象地比喻，“重氮鹽極不穩(wěn)定，震動或升溫就可能爆炸?，F(xiàn)代化工廠既怕它，又不得不依賴它?！?/p>

不僅如此，傳統(tǒng)工藝還需大量銅試劑參與反應，產(chǎn)生大量含銅廢水——環(huán)保成本高昂，三廢處理成為行業(yè)痛點。一百多年來，科學家們嘗試了多種手段改進，但始終未能擺脫這一高風險中間體的束縛。

“我們一直在想：能不能跳過這一步？直接把‘積木’上的氨基拿掉，換上我們需要的官能團？”張夏衡說。這個念頭，早在他回國之初就已萌生。

偶然發(fā)現(xiàn)的“幸運”

源于三年堅持

科學的突破，常常被描述為靈光乍現(xiàn)的瞬間——但只有真正走進實驗室的人才知道，那道光往往誕生于成百上千個黯淡無光的日夜之后。

一次偶然，實驗室里一名學生做完實驗后發(fā)現(xiàn)了一些副產(chǎn)物。按慣例，這些“廢品”本該被丟棄，但通過細致的分析后，張夏衡團隊發(fā)現(xiàn)了它的價值。

其實早在1893年，這種名為“N-硝基胺”的化合物就已經(jīng)被國外化學家報道過，但它像一個被遺忘的孤兒，沒人去深究它的反應潛力。

這個“意外”成了整個研究的轉(zhuǎn)折點。團隊迅速意識到：如果能讓芳香胺在溫和條件下原位形成N-硝基胺，再通過脫除一氧化二氮（N2O）實現(xiàn)C-N鍵斷裂——那不正是夢寐以求的“無爆炸風險脫氨”路徑嗎？

“靈感有時不是設計出來的，而是‘撞’出來的?！睆埾暮庑χf，“我們很幸運，站在了前人的肩膀上，看到了他們沒看到的方向?！?/p>

接下來近一年時間，團隊進行了數(shù)百次條件優(yōu)化，反復驗證反應的穩(wěn)定性與普適性。他們測試了上百種藥物分子骨架，包括多氮雜環(huán)、稠環(huán)體系等復雜結(jié)構(gòu)，結(jié)果令人振奮：幾乎所有的芳香胺都能高效轉(zhuǎn)化！

“分子編輯術(shù)”：

一鍵替換，像改寫代碼一樣改造分子

面對百年困局，張夏衡團隊交出的答案，簡潔得驚人。

他們開創(chuàng)的“直接脫氨”策略，就像是一場溫和而精準的“分子手術(shù)”：科學家們無需再借助危險的“重氮鹽”作為中介，而是直接在芳香胺這塊“基礎積木”上操作，像使用“查找與替換”功能一樣，將穩(wěn)定的C-N鍵，輕松轉(zhuǎn)換為構(gòu)建藥物所需的各種關(guān)鍵連接（C-Br、C-Cl、C-C等）。更重要的是，整個過程平穩(wěn)可控，沒有危險中間體積累。張夏衡笑稱：“一個普通藥廠的工人，看了我們的配方就能操作?！?/p>

更令人驚嘆的是，這項技術(shù)幾乎適用于所有類型的藥物分子結(jié)構(gòu)?！熬拖褚粋€萬能接口，不管分子長什么樣、氨基在哪個位置，我們幾乎都能‘接上’想要的官能團?！睆埾暮庹f。

正因如此，這項技術(shù)展現(xiàn)出巨大的產(chǎn)業(yè)價值?！坝衅髽I(yè)愿意花重金購買專利，”張夏衡坦言，“但我們選擇了公開發(fā)表。因為科學的價值在于共享，尤其當它關(guān)乎安全與可持續(xù)時。”

目前，該方法已在多種藥物分子修飾中驗證成功，團隊已經(jīng)與一些藥企對接，將其應用于抗癌藥物中間體的合成。據(jù)估算，新技術(shù)有望將某些藥物中間體的生產(chǎn)成本降低40%至50%，并實現(xiàn)噸級綠色生產(chǎn)。

從燒瓶走向工廠，這條路正在鋪平。

而未來，或許每一粒更安全、更廉價的藥片背后，都藏著這場靜默卻深刻的“分子革命”。

扎根杭州：一群青年科學家的綠色理想

作為國科大杭高院2021年引進的首位“海外優(yōu)青”，張夏衡自美國普林斯頓大學師從諾貝爾獎得主戴維·麥克米倫（David MacMillan）歸來后，便立志要做“真正能走出實驗室、服務產(chǎn)業(yè)”的研究。

“杭州不僅有西湖，更有蓬勃發(fā)展的生物醫(yī)藥生態(tài)?！彼f，“杭高院鼓勵我們對接企業(yè)，在走訪中我們發(fā)現(xiàn)，很多藥企都在為重氮工藝的安全隱患頭疼——這恰好與我們的研究方向不謀而合?！?/p>

三年磨一劍。此前，他已在《Nature》發(fā)表兩篇重要論文，此次第三篇正刊上線，標志著他在綠色合成領域的持續(xù)深耕迎來里程碑式突破。

當被問及“什么是你心中理想的化學”時，張夏衡沉思片刻，答道：“我希望未來的合成，不再是蘊含潛在風險的操作，而是像搭積木一樣安全、清潔、可預測?；瘜W不該傷害人，也不該傷害地球?！?/p>

這句話，或許正是這項研究最深刻的注腳。

在“雙碳”目標成為全球共識的今天，綠色化學正從理念走向剛需。張夏衡團隊的技術(shù)不僅避免了爆炸風險，更大幅削減了重金屬污染與三廢處理負擔，為化學工業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了一條清晰、可行的路徑。

今天，《Nature》的在線頁面點亮了一項屬于中國青年科學家的榮耀。但對張夏衡和他的團隊而言，這并非終點，而是新征程的起點。他們正聚焦于綠色藥物合成、可見光催化、活性分子精準修飾等更多前沿方向，繼續(xù)推動實驗室技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化。

百年前，人類用烈性炸藥般的重氮化學敲開了芳香環(huán)功能化的大門；百年后，在西子湖畔，一群年輕的中國科學家用智慧與堅持，點燃了一盞更安全、更清潔的燈。

這束光，源自實驗室的方寸之間，照亮的卻是通往可持續(xù)未來的寬闊大道。