شیمی کلیک چیست و چرا برنده جایزه نوبل شد‌؟

درسی از طبیعت: شیمی کلیک چیست و چرا برنده جایزه نوبل شد‌؟

واکنش شیمیایی خاصی وجود دارد که اغلب به آن واکنش کلیک می گویند، اما این کمی اشتباه است.
شیمی کلیک یک چارچوب یا روش برای انجام شیمی است، و به طور خاص، ساخت مولکول های آلی پیچیده، عمدتاً دارویی است.

یک نکته بسیار کوتاه:

معنای “ارگانیک” در شیمی آلی با معنای آن در “غذای ارگانیک” بسیار متفاوت است.
برچسب ارگانیک بودن یک غذا به این معنی است که به مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها پایبند است که در هر کشور متفاوت است،
اما عموماً به طور فرضی برای محیط ‌زیست بهتر هستند (اما از نظر تغذیه‌ای مشابه) و از مصرف برخی کودها و آفت‌کش‌ها
در فرایند تهیه آن ها اجتناب شده است. اما، شیمی آلی فقط به این معنی است که مولکول‌های درگیر، تقریباً به طور کامل
از پیوندهای کربن به کربن و کربن به هیدروژن تشکیل شده‌اند، همراه با مقدار متناسبی از اتم‌های اکسیژن و نیتروژن.
با وجود این موضوع، بیایید نگاهی به ماهیت شیمی کلیک بیندازیم که واژه ای فراگیر شده است!

الهام از طبیعت:

درست قبل از قرن بیست و یکم،بری شارپلس به فکر روشی بود که بتوان در مورد مولکول‌های دارویی بالقوه جدید تحقیق کرد.
پیچیده ترین ساختارهای شیمیایی توسط شیمیدانان ساخته نشده اند، آنها توسط طبیعت ساخته شده، که در اغلب موارد،
محققان از اثر مشاهده شده در طبیعت الهام گرفتنه و سپس ماهها یا سالها را صرف تلاش برای سنتز همان ترکیبی می کنند
که گیاه، حیوان یا میکروارگانیسم تقریباً بدون زحمت ساخته است.

بری شارپلس:

در سال ۲۰۰۱، بری شارپلس متوجه شد که طبیعت، کلید اصلی است، اما نه آنطور که قبلاً فکر می کردیم.
در حالي که شیمیدانان دیگر سعی می کردند با استفاده از تعداد زیادی واکنش شیمیایی بسیار تخصصی با تقلید کامل از ترکیبات طبیعی،
از طبیعت تقلید کنند. شارپلس دیدگاه متفاوتی داشت. او مشاهده کرد که طبیعت تمام مولکول‌های مورد نیاز خود را از حدود 35 بلوک ساختمانی
مبتنی بر کربن می‌سازد، که هیچکدام واقعاً پیچیده نیستند. ترکیبات تقریباً نامتناهی را می توان فقط از چند مولکول نسبتاً کوچک،
با پیوند دادن آنها با یک اتم نیتروژن یا اکسیژن ایجاد کرد. این نحوه ساخت DNA، قندها و پروتئین ها است.
شارپلس برای سنتز مولکول‌های پیچیده یک رویکرد ساده و مینیمالیستی را مطرح کرد که در آن تنها تعداد انگشت شماری
از واکنش‌های واقعا خوب (یعنی با بازده بالا و به طور گسترده قابل اجرا) استفاده می‌شود.
او استفاده از طیف کوچکی از “بلوک‌های ساختمانی” آلی مشتق شده از پتروشیمی‌ها را در نظر گرفت
که توسط واکنش‌های واقعا خوب به یکدیگر متصل شده‌اند تا ساختارهای شیمیایی بزرگی را سنتز کنند
که می‌توانند به عنوان دارو یا اهداف دیگری عمل کنند.

واکنش های کلیک:

بری شارپلس معیارهایی را برای در نظر گرفتن یکی از این واکنش های عالی تعریف کرد، که او آن را “واکنش های کلیک” نامید.
زیرا آنها به قدری خوب کار می کردند که اساساً فقط مولکول ها را مانند لگو روی هم سوار می کردند.
برای اینکه یک واکنش به عنوان بخشی از شیمی کلیک در نظر گرفته شود، به چند ویژگی نیاز دارد:
۱- مدولار (آنها را می توان با بسیاری از بلوک های ساختمانی مختلف استفاده کرد)
۲- بازده بالا (در صورت وجود، محصولات جانبی زیادی تولید نمی کنند و مقدار زیادی از محصول مورد نظر را تولید می کنند)
۳- خالص سازی ساده (اگر محصولات جانبی تولید می کنند، باید غیر سمی باشند و به راحتی حذف شوند)
۴- شرایط واکنش ساده (بدون تجهیزات گران قیمت یا کار در خلاء)
۵- مواد اولیه در دسترس (بدون ترکیبات فوق العاده عجیب و غریب و گران قیمت)
۶- یا از حلال استفاده نکنید یا از ترکیبی مانند آب که به راحتی جدا می شود استفاده کنید
۷- به سرعت اتفاق می افتد (بدون واکنش چند روزه یا چند هفته ای)

واکنش کلیکی که شیمی را تغییر داد:

آزیدها و آلکین‌ها وقتی یون‌های مس اضافه می‌شوند، بسیار کارآمد واکنش نشان می‌دهند.
این واکنش اکنون در سطح جهانی برای پیوند دادن مولکول ها به یکدیگر به روشی ساده استفاده می شود.
منبع:  https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/fig2_ke_en_22_clickReaction.pdf

واکنش تصویر بالا به عنوان “واکنش کلیک” یاد می شود: حلقه‌زایی آزید-آلکین هیوسگن یا CuAAC.
بری شارپلس آن را کشف کرد، اما در نقطه ای دیگر از جهان در دانمارک، تقریباً دقیقاً در همان زمان، مورتن ملدال نیز چنین کرد.
CuAAC به سرعت تبدیل به مظهر شیمی کلیک شد. دیری نگذشت که در اتصال تقریباً هر دو مولکول آلی
به یکدیگر مورد استفاده قرار گرفت. در میان بسیاری از دلایل مورد استقبال قرار گرفتن این واکنش میتوان
به بازده بالا و پیوند تری آزول که ایجاد می کند اشاره کرد. تری آزول ها کاملاً پایدار هستند و بخشی از چندین داروی مهم
مانند فلوکونازول (یک داروی ضد قارچی پرمصرف) هستند.
واکنش CuAAC سرعت توسعه دارو را به شدت افزایش داد و انواع تحقیقاتی را که قبلاً بسیار غیرعملی بود،
اگر غیرممکن نبود، امکان پذیر کرد.
اگرچه شارپلس پتانسیل شیمی کلیک را بسیار زیاد توصیف کرد، هیچ یک از محققین واقعاً نمی دانستند که عصر جدیدی
از شیمی آلی را آغاز می کنند. با این حال، یک مشکل در واکنش CuAAC وجود داشت: کاتالیزور مس آن.
متأسفانه مس برای موجودات زنده بسیار سمی است. برخی تلاش‌ها برای توسعه
و گنجاندن ترکیبات دیگری که می‌توانند مس را جدا کرده و از آسیب رساندن به سلول‌ها جلوگیری کنند، انجام شد،
اما پیشرفت بعدی در سال 2004 اتفاق افتاد.
زمانی که سومین برنده جایزه نوبل شیمی در سال 2022 به کارولین آر. برتوزی رسید. .

کارولین برتوزی:

برتوزی که می‌خواست قندهای پیچیده‌ای را که روی سطح سلول‌های خاصی قرار می‌گیرد، مطالعه کند،
از ماهیت ساده و کارآمد شیمی کلیک الهام گرفت. اما، استفاده از شیمی کلیک بر روی سلول‌های زنده به معنای یافتن
راهی بدون مس برای کاتالیز کردن واکنش بود. با نگاهی به تحقیقات سال ۱۹۶۱،
او تصمیم گرفت که از یک مولکول حلقه‌ای شکل استفاده کند که از حلقه بودن بسیار ناراضی است.
درست مانند زمانی که یک رشته فرنگی را به صورت دایره ای خم کنید، مولکول ها اغلب می توانند
به صورت حلقه خم شوند. اما لحظه ای که به آنها فرصت داده می شود، مولکول ها به حالت اولیه خود باز می گردند.
برتوزی توانست این انرژی را مهار کند و ابزار فوق‌العاده قدرتمندی برای مطالعه زیست‌شناسی مولکولی ایجاد کند:
سیکلودیشن آلکین آزیدی یا SPAAC.

آکادمی سلطنتی علوم سوئد:

نوآوری های شارپلس، ملدال و برتوزی به عنوان لحظات تعیین کننده در تاریخ علمی ثبت شده اند.
تأثیر آنها بر تحقیقات علمی را را نمی توان اغراق کرد، همانطور که آکادمی سلطنتی علوم سوئد نوشت:
“علاوه بر اینکه ظریف، هوشمندانه، بدیع و مفید است، بیشترین سود را برای بشریت به همراه دارد.”

منبع: A Lesson From Nature: What Click Chemistry Is, and Why It Won a Nobel Prize