第二次似是而非的课堂上,化学系的孙兴文老师以同学们对于从事化学行业的疑问为切入点,向我们展示了化学在当今社会受到的质疑与曲解:“生化环材”沦为天坑专业、从事化工行业引发生育问题、以仇视化学为噱头的广告在央视登录…..。这些观点无意中影响了大众对化学的印象,致使化学学科在大众眼中妖魔化。对此现象,孙老师用幽默的方式列举了一氧化二氢(即我们日常用到的水)在气态和固态对人体组织的危害,同时人类无法戒掉对一氧化二氢的依赖,但是人体组织中过量的一氧化二氢又会出现一些不良现象(汗液,尿液的过量分泌,恶心,呕吐等),甚至一氧化二氢每年还会对整个人类造成巨大的经济损失。随后,孙老师给我们展示了Nature的子刊NatureChemistry以规范的学术论文标准发表的题目为“全面概述无化学品的消费产品”的文章,新奇之处在于该论文的正文部分是空白的,说明不含化学的物质是不存在的。
对化学正名之后,孙老师从无机物与有机物两个角度展开了本次课程的讲解。首先,孙老师讲解了人们在陶器制作过程中对其中无机物化学性质的开发利用过程。从远古时期人类开始用火烧制陶器开始,由于在天然环境下烧制陶瓷的过程中铁被氧化生成高价铁,因此总得到红色的陶片。随着人类知识和经验的积累,人们发现烧制瓷器时借助水煤气将高价铁还原为低价铁能得到青釉,关键是要控制窑内的强还原性,色质的纯正以及鲜艳程度由FeO与Fe3O4的比值确定,比值越高则青绿色越艳丽。出现在北朝的白瓷含铁量控制在1%以内,人们需要通过控制原料中铁的含量使瓷器表现出白色。另一方面,对锰、铁、钴等成分含量的釉的运用塑造了青花瓷与唐三彩独特的艺术魅力。从开始的陶器到后来的青瓷、白瓷以及各种颜色釉的应用,今天我们才能看到绚丽多彩的瓷器。这展示了人类对于美好的追求以及化学在人类从古至今认识世界、总结规律,推动文明进步的过程中发挥的作用。
同样,人类也是逐步从自然界中根据物质的功能提取有机物为己所用。公元前年,古埃及人已经开始用柳树皮镇痛。在柳树皮中发挥作用的化学物质是水杨苷(Salicin),之后该物质则由HenriLeroux与RaffaelePiria分离出,由于水杨苷的酸味,它又被称为水杨酸。随后,Hoffman在水杨酸的研究基础上合成了乙酰水杨酸也就是所谓的阿司匹林,乙酰水杨酸消减了水杨酸造成的胃疼的副作用,并且在持续的研究过程中,人们还发现了阿司匹林抗凝血的功能。另外一个植物药开发研究领域中的著名案例就是屠呦呦女士用乙醚对抗疟疾药物青蒿素的有效提取。二者的共同点在于化学人对现象背后对应的物质本质的探究。
认识化合物发挥药用本质的过程,同样可能伴随着沉重的代价,孙老师以孕妇服用沙利度胺(Thalidomide)致使婴儿畸形为例,阐述了手性在药物中的重要性。沙利度胺(Thalidomide)是手性化合物,具有两个对映异构体,为S构型与R构型。R构型化合物具有镇静作用,可以治疗孕妇孕吐,但是S构型化合物具有致畸作用。沙利度胺早期作为镇静剂减缓孕吐,由于人们当时没有认识到由手性引发的双重作用:镇静剂的镜像结构是致畸剂,使得千万海豹婴儿产生,造成了许多家庭的痛苦。手性作为自然界的基本属性广泛存在于生命物质中,比如氨基酸、糖、蛋白质、DNA等物质都具备手性,反映了生命于分子的不对称性。在后来的实验中人们发现了沙利度胺对麻风病、皮肤型红斑狼疮甚至对艾滋病与抗肿瘤的医用效果,使得沙利度胺卷土重来。
沙利度胺对药物合成还有一个启发:对已有的具有手性药物将其左右两个结构分离出来独立研究并当作新药报批。事实上,近50%的化学药物具有手性,在研究的药物2/3以上有手性。从-年全球销售额前25位的药物中,手性药物超过66%。年诺贝尔奖被授予不对称合成领域的三位科学家WilliamsS.Knowles,RyojiNoyori以及K.BarrySharpless,不对称合成提供了高产率、高原子经济性、环境友好的合成手性化合物的方法,同时,寻找更加高效的方法也是化学家们努力的方向。
在专利申请之中也存在“似是而非”。ONC曾命名为TIC10,最初由Ingelheim申请了专利保护该药物可能用于癫痫病治疗,专利中介绍了合成方法,人们起初认为TIC10中三个环呈线性结构稠合。年,宾夕法尼亚州立大学的WafikS.El-Deiry及其团队发现国家癌症研究中心提供的TIC10样品具备抗癌活性,他们以质谱确定其结构,并申请了新药物专利并重新命名为ONC。年,TSRI的KimD.Janda及其团队以自创的方法合成ONC,但是却没有活性,由此发现ONC在国家癌症中心数据库中的结构是错误的,三个环并非线性稠合,而是成一定角度。虽然先前的团队制出的ONC的确具有活性,但是弄错了分子结构,由于提出的结构式与申请专利的物质不是同一个物质,TSRI最终将正确的ONC分子结构重新申请了专利并独家授权给另一个制药公司。
围绕着孙老师的课程,似是而非具备着双重意义:一方面这代表着人类认识事物的否定发展过程:从认识表面现象到理解内在本质,例如水杨酸到阿司匹林的进步。这个过程需要拥有一颗“似是而非”的好奇心,不仅仅停留于承认事物的表面规律,而是要探究规律背后的本质,从总结现象到认识本质以总结规律为人所利用。另一方面,在探索知识的过程中,我们可能会被短暂的福利所蒙蔽,貌似简单直接的效果背后可能隐藏着沉重的后果。
化学领域中的似是而非向我们展示了化学人对于规律的探寻以及总结规律为人类所用的气度。在这个伴随着巨大成果与风险的领域中,借鉴历史经验、明辨那些似是而非的现象使我们的脚步越来越明智,这种从观察到应用的思维方式延展到学习与生活的实践之中,也会成为宝贵的路标。
作者简介:
叶雨昂,管理学院8级本科生
刘会利,化学系7级研究生
注:本次课开讲于年上半年,采用网课形式
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