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人類可能只發現了宇宙中1%的化學物質
宇宙中可能充斥著數十億種化學物質﹐每一種都有其潛力﹐而人類目前只確認了其中的1%。在各種應用領域中都可能因未來發現的新的化合物而發生革命性的變化。
目前人類已知的元素有117種﹐從排列組合的角度出發可以推測會存在6903種雙原子化合物﹐大約160萬種三原子化合物。當然﹐這只是一種簡化的推測。宇宙中大約有1.3x1050個原子﹐如果我們按照排列組合的方式去構想4-原子和5-原子化合物的話﹐我們大概需要來回利用宇宙中所有的材料好幾次。
目前已知的人類所合成的最大的化合物是Ornela, Ruiz和Astruc在2009年發佈的巨型枝狀聚合物﹐理論上它含有近3百萬個原子﹐但我們還不知道能用它幹什麼。但是類似的化合物﹐如枝狀奈米顆粒已經在抗癌藥物中得到應用。顯然化合物並非原子的簡單堆積﹐而是需要符合本質上是量子力學規則的化學規則。但一般條件下的規則往往有可能在極端條件下被打破﹐例如﹐ArH+在地球上並不天然存在﹐但是在宇宙中到處都是﹐再例如Talrose和Lyubimova在1950年合成的甲烷正離子+… …等等。有的化學家的整個職業生涯都會用來試圖得到打破化學常規的化合物。
所謂的「化學空間」由所有可能的化合物構成﹐可能存在的化合物種類的上限是10180。「化學空間」可以複雜到令人抓狂﹐為給定的應用尋找有用的分子可能意味著要同時搜尋幾十個維度。例如﹐在理想的大小﹑形狀﹑極性﹑溶解度﹑毒性以及其它參數相交的地方發現有效的藥物分子。理論上通過分子設計以及計算化學的研究可以預測未知分子的性質﹐通過計算機輔助合成設計可以得到一定的合成路線。傳統上這些方法既屬於相應的具體學科﹐也可以大而化之地歸類為生物資訊學﹑化學資訊學。高效能運算﹑機器學習等人工智慧方法在分子設計和合成路線的研究上在過去和未來都是重要的方法。
實驗上﹐在實驗室中獲得新化合物的方式通常是在已有的化合物的基礎上通過增減原子或者基團來得到相應的衍生物﹐或者把已知的合成方法應用到新的反應物上來得到新的產物化合物。這兩種方法都是尋找所謂的「已知的未知」。而真正的新化學是「未知的未知」。探索「未知的未知」化合物的一種方法是尋找和發現天然產物﹐如青黴素﹑青蒿素等。Alexander Fleming在1928年發現了青黴素﹐但是直到1942年才由Edward Abraham預測了它的化學結構並在1945年由Dorothy Crowfoot Hodgkin通過x射線晶體衍射驗證了它的化學結構﹐
青黴素核的關鍵結構特徵是四元β-內醯胺環。這個結構部分對於青黴素的抗菌活性是必不可少。β-內醯胺環本身又與五元塞唑烷環稠合。四元β-內醯胺環是一種不尋常的化學排列﹐很少化學家會去這樣猜測﹐並且很難合成。瞭解青黴素的結構意味著我們知道它看起來像什麼﹐並且可以尋找它的化學表親。如果你對青黴素過敏﹐需要替代抗生素﹐你得首先感謝Dorothy Crowfoot Hodgkin。John Sheehan在1957年實現了青黴素的化學合成。Sheehan從1948年即已開始研究青黴素的化學合成﹐他在這一研究過程中發展了合成肽的方法和新的保護基﹐並且得到了6-APA這個中間體–青黴素的核。將不同的基團連接到6-APA核上可以產生新形式的青黴素﹐用途更廣﹐活性更好。
對於許多有用的化合物﹐如青黴素﹐從黴菌﹑植物或昆蟲中「生長」和提取它們更容易也更便宜。因此﹐一部分尋找新化學的科學家們仍然經常在我們周圍世界的最小角落裡尋找靈感和啟發。
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