Angew：化学家与建筑师的异曲同工之妙

大象无形，各行各业虽形式不同，但原理相通。建筑学起源较早，4500年前的先民就可以建造恢宏的大金字塔。相比之下，化学作为近代科学的产物要年轻的多，但同样与人类生活密不可分。建筑学讲究空间意境和实用性的完美结合，包括结构、外观、内部构造和各种装饰，最终以形达意。而化学，尤其是合成化学，则是在细微处见功夫，通过研究和创造分子，从而更好地认识和改造我们的物质世界。

二者到底在什么地方有“异曲同工”之妙呢？其实，建筑师和化学家都需要先在脑中思考目标的结构，然后再在现实世界中用各种材料将它实现。有没有注意到，合成化学里常用的原料就叫“building blocks”，而有些建筑物，看起来就像放大无数倍的分子结构。纽约大学的Dirk Trauner教授（点击查看介绍）为此还在Angew. Chem. Int. Ed. 上写了篇Essay，分析了化学和建筑学、分子和建筑物、化学家和建筑师之间的微妙联系。

事实上，历史上有些大名鼎鼎的化学家还真的曾经兼任过建筑师。德国化学家尤斯图斯•冯•李比希（Justus von Liebig）在吉森和慕尼黑的实验室都是由他自己亲自设计，而他的学生凯库勒（August Kekulé）其实最开始想来杰森大学钻研建筑学，后来听了李比希的课之后深受吸引才转投化学。1915年获诺贝尔化学奖得主理查德•威尔斯泰特（Richard Willstatter）扩建了慕尼黑实验室，还设计了自己的别墅。喜欢设计自己居所的化学家还有尤金•范•塔梅伦（Eugene van Tamelen），他首次合成了杜瓦苯。

图1. 与建筑学有渊源的化学家。a）凯库勒和苯的结构； b）理查德•威尔斯泰特和环辛四烯； c）尤金•范•塔梅伦和杜瓦苯。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

建筑和分子

建筑物和化学分子其实都是三维立体的物理实体，具有一定的形状、结构、质量、体积以及稳定性、与环境的相互作用，也都具有生命周期。显而易见，化学分子比建筑物更具有动力学性质，它们的活动部分更多。甚至有些分子被称为分子机器，可以移动部分结构。分子不像建筑物一样矗立不动，它们在溶液或呈气态时快速运动，具有动力学和潜在的能级。当然建筑物也有自己的动力学性质，会受到外力影响（如重力、风、地震波），会经历能量交换（如光、热），还具有循环性（如空气、居民、污染物）。

建筑物和化学分子一样结构多变，纷繁复杂，数量众多。化学分子的灵感有时来自建筑物，下图就是一些例子。比如神似东方塔式庙宇的庙宇烷（pagodane），以及稍微简单一些的房烷（housane）和教堂烷（churchane）（图2a）。六甲基苯二价阳离子的五角锥（图2b）造型，就像是一顶马戏团帐篷。天然产物吗啡具有建筑学上的“巴洛克风格”（图2c），而它的竞争对手——止痛药芬太尼的结构更符合“国际主义风格”（图2d）。窗烷（fenestranes）形如其名地在结构中开了一扇“窗户”（图2e），十二聚卟啉（图2g）看上去就是个纳米油桶，还有些化合物则被形容为笼子、地下室甚至监狱，图2f中的苯炔就被“关在监狱里”。蛋白质分子是更复杂的分子结构，拥有大量的柱状α-螺旋和墙状β-折叠，例如钾离子通道蛋白就像个印第安人的圆锥帐篷（图2i），而炭疽P抗原的结构完全就是一个科林斯式柱头（图2h）。

图2 具有建筑概念的化合物。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

对称性对建筑物和化学分子都一个重要概念，对称性的物体具有匀称、和谐和平衡的特点。一般而言，建筑可以按数学点群分类，特别是在无视内部结构的情形下。大部分建筑属于C₁到C_s点群，意味者它们要么没有对称性，要么一个对称的平面。德国的新天鹅城堡（图3a）唯美浪漫，但看上去一点都不对称。另外一些著名的建筑如巴黎圣母院、伦敦的圣保罗大教堂、罗马的圣彼得大教堂都呈C_s对称，泰姬陵（图3b）和帕拉第奥设计的别墅（图8d）都是C_4v对称：罗马万神殿的穹顶（图3c）更是夸张到C_28v对称。高度对称的建筑少见，但化学分子中却很常见，如超蕃（superphane，图3d）、十二面烷（dodecahedrane，图3e）、富勒烯C₆₀（图3f）、杯芳烃和铀自组装的十二面体（图3g）。

图3. 建筑和分子中的对称性。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

另一个需要关注的特性是手性。建筑中手性的作用没有化学中那么突出。图4展示了化学和建筑学中的一些手性结构，如聚扭曲烷（polytwistane），类似所罗门柱，而其异构体bramantane则类似梵蒂冈的螺旋阶梯。

图4. 建筑和分子中的手性。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

此外，平移对称（translational symmetry）也值得一提。平移对称常见于晶体结构，在建筑中也偶有发现，如建筑的正面外表、瓦片、装饰甚至城市规划。伦敦社区的联排别墅（图5a）与dibefurin晶体结构（图5b），放在一起显现出了某种难以名状的和谐。

图5. 建筑和分子中的平移对称。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

形式服从功能

根据古罗马建筑师维特鲁威（Vitruvius）的理论，建筑必须体现三原则：坚固、实用、美观。这同样适用于化学分子，一个化合物必须稳定才能被分离，而那些不稳定的化合物可以作为活泼的化学试剂或反应中间体。此外，分子美不美，完全看欣赏者所站的角度，这与建筑也是一样。不管如何，实用性上佳的建筑和分子，在使用者眼中，都不会丑到哪里去。

1896年建筑学家Louis Sullivan写下名言“Form Follows Function”（形式服从功能），而著名化学家Eschenmoser在30年前也说过类似的话——“function-oriented synthesis”（功能指向性合成）。自然界中的天然产物分子结构大多非常复杂，如果能设计出具有出相似功能但结构更简单的分子，就会对药物研发产生重大影响。例如，由吗啡简化获得芬太尼，止疼效果更好，成瘾性大幅降低，结构更简单了很多。

分子或建筑的功能与它所处的环境息息相关。建筑不会凭空出现，一幢个性鲜明的建筑还会成为一个地方的标志。至于化学分子，一样会和溶剂、配体、其他分子等等相互作用。有些大分子或者超分子，具有内部表面和空间可以容纳作为“住户”的客体分子，这就更像是“分子建筑物”了。比如，由5个Cu²⁺离子和5个吡啶单元组成的双螺旋超分子结构可作为氯离子受体（图6a），可识别碳水化合物的分子折叠体（foldamer，图6b），以及通过“分子手术”插入氟化氢的富勒烯（图6c），这些都完美地诠释了分子内表面和客体的相互作用。

图6. 分子与其所处的环境。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

创造者与发现者

虽然有些灵感也来源于自然，但建筑师大多为创造者，他们追求独到的设计、新颖的材料和前所未有的施工方法，以构筑“坚固、实用、美观”的建筑。化学家也是一样。可能很多化学成就是基于对于已知物质或者规律的发现，但更多成就则是基于创造新分子。法国化学家Berthelot在1860年就曾说过“Chemistry creates its own objects of study”（化学创造自己的研究对象）。

化学家们在实验室中创造出许多的分子，这些人造分子往往有重要的、特殊的化学性质可以被化学家们利用，还有些也或许会让人们对化学的本质有更深一层的了解。理查德•威尔斯泰特最初设想了环辛四烯（Cyclooctatetraene，图1b）的结构，后来花费数年去合成它。苯的结构式可谓化学史上的重要一节，它开启了芳香族化合物的时代。苯结构的确定则有多种推测，大家最熟悉的是凯库勒的首尾相连的环状结构。图7显示了当时对苯结构式的几种推测：Wursformel的苯结构显示了正确的连接和价态，但忽略了几何形状（图7a）；Loschmidt所用的苯和苯甲酸酐的结构更近了一步（图7b）；凯库勒的苯环结构以及另外两个他所设想的可能结构（图7c）；Dewar的苯环模型（图7d）。有理由相信，凯库勒未完成的建筑师学业，可能帮他画出了正确的苯结构式。

图7. “建筑师”凯库勒与苯等分子结构推测。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

凯库勒的优秀门生van't Hoff首次在化学中引入了手性的概念，将光学活性与分子的三维空间结构联系起来。一些基本的化学小分子（如烷烃、烯烃等）可以由四面体（共享顶点、边、面）模型来预测（图7e），这比价键理论早了50年。四面体结构同样可以呈螺旋状，这个结构在化学和建筑学中都实现过（图7f）。

化学家和建筑师都喜欢在草稿上手绘最初的灵感，这对他们的创造性非常关键。大部分伟大的分子或建筑物的最初模型可能就是素写本甚至餐巾纸上的信手涂鸦，无论是悉尼歌剧院（图8a）还是一线抗癌药物紫杉醇的合成（图8b），都是如此。此外，化学家和建筑师都会从不同侧面去描绘分子和建筑（图8c-d）。

图8. 建筑师和化学家的作图功夫。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

化学家和建筑师还都喜欢用模型来进一步理解分子和建筑，通过放大或缩小模型足以用手掌握，可更直观地显现出设想的目标。无论是Robert Burns Woodward手持的维生素B12模型（图9a），还是Ludwig Mies van der Rohe面前的芝加哥克朗楼（Crown Hall）模型（图9b），都能帮助大师们更好地了解自己的目标。而现在，便捷的3D打印技术以及计算机建模软件的出现（图d-f），使得分子及建筑模型的应用更加普遍。

图9. 化学和建筑中的模型。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

把设想变成现实

模型终归是模型，不论再怎么漂亮，它都不是真实存在。合成化学家如同建筑师一样，需要“一砖一瓦”一步步让自己的目标变成现实，这是漫长曲折的道路。在这个过程中，催化剂就类似于建筑工人和机械设备，让这个过程加速，但又不出现在最终产品中。如同脚手架在建筑完成后要拆除一样，化学分子的保护基等也起到了类似作用。看着埃菲尔铁塔的建造和黑麦草碱（loline）的合成（图10a-b），过程何其相似。

图10. 建造与合成过程。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

就这个方面来说，化学家和建筑师还有一个显著不同。化学家会重复合成某个分子或者自然界中已经存在的天然产物分子，不过他们会开发不同的路线，以追求更绿色环保、更方便快捷、更低成本。建筑师很少这样做，几乎没有人用两种不同的方法来修建同一个建筑，除非原来的很有价值，需要重修或重建。

另外，在建筑界，负责设计的设计师和负责建造的规划师是分开的，而化学界中，往往“设计师”同时也需要负责把分子合成出来。当然，类似建筑行业把设计和生产分开的概念，在化学工业界也有不少支持者，制药业特别是这样，药物化学家负责设计结构，后续的合成甚至生产由其他化学家来完成。不过作者认为，结构和合成是密不可分的，就像设计师不可能一次工地也不去一样，除非他不想成为一名合格的建筑设计师。

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The Chemist and the Architect

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 4177-4191, DOI: 10.1002/anie.201708325

导师介绍

Dirk Trauner

http://www.x-mol.com/university/faculty/4057