把化学实验室搬进电脑

--科学家利用计算方法揭示化学反应设计催化剂

来源：科技日报 发布日期：2012年07月12日

1928年，奥托·迪尔斯和库尔特·阿尔德两位化学家首次证明了二烯合成这个能够合成众多高分子、生物碱和类固醇的极具重要性的化学反应，也就是著名的迪尔斯—阿尔德反应。多年来，这项标志性的反应得到了广泛应用，并成为人们研究有机化学机理的工具。鉴于此项研究成果对社会的贡献，迪尔斯和阿尔德在1950年荣获了诺贝尔化学奖。然而，尽管迪尔斯—阿尔德反应意义重大，但是长期以来此反应过程中的具体情况却鲜为人知。

如今，美国加州大学洛杉矶分校有机化学教授肯德尔·霍克和同事表示，通过研究，他们掌握了迪尔斯—阿尔德反应发生的细节。相关的研究文章日前发表在美国《国家科学院学报》网站上，并将在下期杂志上登出。

用短片再现化学反应微观细节

霍克本人还是加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所的成员。他表示，迪尔斯—阿尔德反应是最重要的合成反应，为了解反应发生的细节，他和同事仔细地分析调查了此反应的分子动力学。

基于自己的研究，霍克和同事制作出许多模拟分子组合和反应的视频短片。霍克表示，模拟短片的意图在于帮助人们认识迪尔斯—阿尔德反应是如何进行的。这些短片并非只是简单地介绍从A物质变为B物质，以及从B物质到C物质，而是真实地展示了化学反应中化学键如何形成以及原子如何运动并结合起来。采用当今运算功能强大的计算机，可以对化学反应机制展开过去无法实现的精确分析。这花费了大量的计算时间，但是最终的结果是前所未有地观察到了反应的详细情况。

不过，霍克并非唯一制作迪尔斯—阿尔德反应短片的人，加州大学洛杉矶分校尼尔·格里格教授的有机化学课堂上的学生曾制作了有关该反应的有趣的配乐视频系列片。

如果在一个迪尔斯—阿尔德反应过程中形成了两个化学键，那么它们是在同一时间形成的还是一前一后形成的？围绕这个问题，有机化学家争论了多年。霍克说，他们发现在最简单的迪尔斯—阿尔德环加成反应中，两个化学键形成的平均时差约为5飞秒，对此他们认为这两个化学键为同时形成。

霍克是全球研究成果高产的化学家和全球著名的物理有机化学家。他在接受美国《国家科学院学报》访谈时表示，他和同事研究了众多不同的反应类型，并掌握了化学反应依照其自然方式发生的多种规律。

借助计算方法设计化学反应催化剂

霍克是借助技术运算和模拟来研究有机化学和推断化学反应性的先行者，他领导的研究小组预言的许多新现象最后都为实验所证实。此外，他在帮助人们了解酶如何有选择性地催化化学反应方面也做出了重要贡献。

2008年，霍克的研究小组利用计算机方法开创了“设计酶”，并推断出能够催化非自然反应的蛋白质结构，这是计算化学和蛋白质工程领域的重要里程碑。霍克表示，设计酶有望通过让致病生物制剂失活而用于防御生物战，也能帮助人们开发更有效的药物。

在介绍其从事的推断催化特殊化学反应酶结构的研究时，霍克说，其理念是为化学反应设计催化剂。无论是为研发关键药物或者实验产品，这都是十分重要的。设计蛋白质和酶相当困难，但是人们能够获得成功。

霍克和同事认为，利用计算方法能够更好地了解化学基本反应，同时设计蛋白质和酶来催化化学反应。目前，他们正利用计算方法预测催化剂，这些催化剂能够催化那些在工业和疾病治疗方面具有重要应用的反应。霍克表示，如果一切工作正常进行，那么计算机设计和分子生物学的结合能够为任何反应找到所需的催化剂。他还表示，虽然他们经历了重重困难才了解到表面现象，但未来在理论和计算能力方面的发展有望让他们的工作更为容易。

“我们的工作涉及理论和计算，但是却与现实密切相关。”霍克说，“我们首先试图了解正在发生什么，然后再试图推测实验者所能够进行的试验。我们研究的目标是利用计算方法在蛋白质内进行组合，以引发所希望发生的化学反应。”（本报华盛顿7月10日电）