一座座拔地而起的高樓大廈出自靈巧的建筑師之手，一件件式樣迥異的漂亮時裝出自愛幻想的服裝設計師之手，一幅幅或逼真或抽象或怪異的美麗圖畫則出自天馬行空的畫家之手，那么一個個結構各異、功能各異的分子又是出自誰之手呢？它們又是如何被設計出來的呢？現在，讓我們一起走進神秘的分子設計的世界。

打開分子設計的大門

自從人類誕生以來，對大自然的索求就一刻也沒停止過，而且隨著時間的推移，這種索求越演越烈。但是地球資源卻是有限的，于是越來越多的科學家開始把目光鎖在自我創(chuàng)造上，希望能夠像上帝創(chuàng)造人類那樣，自我創(chuàng)造出符合人類要求的具有某種特殊性能的分子，分子設計的概念便由此產生了。

分子設計這一概念最早是在20世紀70年代由美國的霍恩貝爾教授提出的，即從分子、電子水平上，通過積累大量實驗數據，建立數據庫，再結合現代量子化學方法，通過計算機圖形學技術等設計出新的分子。分子設計可能設計出具有某種特定性能的新藥物、新材料，也可能僅僅是提出一種全新的設計思路。分子設計的概念一出現，便使得新材料的合成、藥物設計、催化劑篩選等方面得以飛速發(fā)展。如今，分子設計已經成為化學、醫(yī)學、材料學、生物學等多學科的交叉學科。

設計方法并不復雜

對于分子設計來說，最重要的就是高效率地尋找具有特定性質的分子。物質的功能來源于性質，而性質決定于結構，因此，在設計分子之前首先要確定結構和功能的關系，再根據所需的功能，采用逆向分析的原則設計分子。

目前分子設計主要涉及蛋白質、藥物、催化劑、高分子等方面的合成和設計，每個領域所用的方法各不相同。根據設計路線不同，可將分子設計分為兩類：合成設計、分子剪裁與組裝。

合成設計是根據分子的結構，設計最佳合成路線以得到最高效的目標分子。如：有機合成設計、藥物合成設計、材料合成設計等。分子剪裁與組裝則是將分子在特定部位用各種形式的能量（如激光）和化學手段（如酶和化學制劑）將分子特定部位的鍵打斷或組裝，就如同裁縫縫制衣服一樣。

計算機輔助分子設計

隨著理論預測對化學發(fā)展作用的加大，化學家們已越來越多地依靠計算機來解決在實際研究中所遇到的計算問題。分子設計更是離不開計算機的輔助作用，因此也叫做計算機輔助分子設計。有了計算機的幫助，分子設計已經不再是人類的美好夢想，而是成了現實。

世界上第一個計算機輔助合成系統(tǒng)是由美國科學家E．J．Corey和W．J．Wipke開發(fā)的，他們因此于1997年獲得了諾貝爾化學獎。計算機輔助合成系統(tǒng)分為兩類：經驗性與非經驗性系統(tǒng)。經驗性計算機輔助合成系統(tǒng)有一個存儲了大量反應類型、反應條件、反應產物等信息的數據庫。輔助合成設計是以數據庫中存儲的現有有機合成反應為基礎，通過組合、拆分等方式來完成有機合成反應，但不能探索和發(fā)現前所未有的有機合成反應。非經驗性計算機輔助合成系統(tǒng)是應用原子、價鍵電子、化學結構等信息建立數學模型，由計算機提出許多可能的合成路線。在這些可能的合成路線中，有可能包含一些沒有實際意義的合成路線，準確性較差，但包含了人們前所未知的合成路線，可以啟發(fā)人們去發(fā)現、設計新的反應。

用計算機輔助合成是從目標產物出發(fā)，反推回去尋找到合成原料（稱為逆向合成分析）。在計算機數據庫中存儲有大量的有機化學反應，當確定了要合成的目標分子結構之后，按一定的規(guī)律切斷目標分子的一個或幾個化學鍵，使目標分子形成一些較簡單的分子片段或化合物，正確地切斷合理的反應機制，按一定機制切斷的鍵一定會有相應的合成反應。計算機從數據庫中查尋可能獲得該目標分子結構的前體結構和應該使用的有機化學反應，前體結構可能有幾個。在逆向合成分析中，還需考慮碳碳鍵的連接或骨架的重排，官能團的互換、加成和消除，使合成適應合成過程中激烈的反應條件并選擇性地進行反應。計算機所找到的前體結構又可以成為下一步轉換反應的目標分子，根據這些前體結構，計算機繼續(xù)查尋能獲得該前體分子結構的有機化學反應，獲得新的前體結構。依此類推，直到在數據庫中找到的前體結構是易于得到的、比較簡單合理的起始化合物——合成原料為止，這樣便構成了以目標分子為根、逐漸生長起來的逆向推理的所謂“合成樹”。

“合成樹”的每一個結點表示一種化合物，結點之間的連線表示反應路線，一棵“合成樹”表示可由許多可能的反應路線獲得目標分子。在實際合成工作中，通常只能從這許多可能的路線中選擇一兩條、最多幾條路線去合成目標分子，這就需要確定若干準則，比如技術上成功的可能性、經濟上的合理性和學術上的創(chuàng)新性等，來評價和篩選合成路線。就像果園的工作人員修剪果樹枝一樣，剪去不好的枝條，留下茁壯的枝干。最后從中選擇出最合理的合成路線，合成目標分子。

分子設計讓新藥層出不窮

我國曾有“神農嘗百草”的傳說流傳至今，在遠古時代，人們往往要經過漫長的時間，而且要經歷無數次的試驗，才能逐漸摸索出某種藥物的藥性。長期以來，人們一直依靠傳統(tǒng)的藥物設計方法，但這種方法帶有很大的盲目性，一般平均要篩選10000種以上的化合物才能得到一種新藥，效率非常低。而計算機輔助藥物設計，簡稱CADD，則給藥物科學家們帶來了曙光。它依據生物化學、酶學、分子生物學以及遺傳學等生命科學的研究成果，針對這些基礎研究中所揭示的包括酶、受體、離子通道及核酸等潛在的藥物設計靶點，并參考其他類的源性配體或天然產物的化學結構特征，設計出合理的藥物分子，大大減少了藥物篩選試驗的數量。藥物分子設計就像是鎖和鑰匙的關系，只要先弄清楚鎖的形狀和結構，然后在此基礎上去尋找能夠匹配的鑰匙。

例如，類風濕性關節(jié)炎是一種慢性炎癥性多發(fā)病，大量的實驗已經證明磷脂酶A2與關節(jié)炎有著密切關系，是關節(jié)炎癥的病源體。如果能找到磷脂酶A2的有效抑制劑作為藥物，病人服用后通過抑制磷脂酶A2以阻斷發(fā)炎進程，就可以根治類風濕性關節(jié)炎。我們可以基于這種設想來設計和開發(fā)治療類風濕性關節(jié)炎的藥物，其藥效一定很好。

蛋白質的三維結構信息是藥物分子設計的基礎，應用X射線晶體學、核磁共振波譜技術，結合蛋白質結構預測方法，能夠確定分子的總體結構，構建出較為準確的三維模型。使用計算機圖形學技術可以十分方便地在熒光屏上顯示分子的立體結構，直觀地了解分子的特征和細節(jié)，獲得分子結構的信息。利用分子力學、分子動力學可以揭示和模擬分子的化學結構、構型和構象，利用量子力學方法可以研究分子的電子性質，計算電荷分布等。綜合應用這些科學技術手段，就可以實現合理藥物分子的設計，創(chuàng)造和開發(fā)出各種各樣的特效藥物，為人類戰(zhàn)勝各種疾病提供有效的手段。

開發(fā)新材料不再是夢想

尖端科學技術和軍事工業(yè)的發(fā)展，對高分子材料提出了越來越高的要求，各種功能高分子材料應運而生。功能高分子材料是指，除了具有一定的力學性能外，還具有光、電、磁、能量儲存和轉化等特殊性能，這些特殊功能是由它們的高分子鏈結構、鏈上所帶的功能基團的種類、數量、分布，以及高分子的聚集態(tài)和形態(tài)所確定的。例如高分子催化劑、光活性高分子材料、導電高分子材料、磁性功能高分子材料、醫(yī)用高分子材料等，人們主要應用其分子水平的性質。

高分子具有多重結構（鏈節(jié)結構、分子結構、組態(tài)結構、微區(qū)結構等），因此其性能也具有多重性。高分子的性質有的只取決于其中的一種結構，而有的則依賴于幾種結構，這種復雜性為建立結構和性能之間的關系帶來了很大的困難，但是這種關系的建立是進行分子設計的基礎。制備功能高分子材料的方法有：（1）利用現有高分子或按設計合成的高分子骨架，通過反應引入特定功能基；（2）用具有功能基團的單體進行聚合或縮合；（3）通過加工工藝改變高分子形態(tài)（如制成膜和中空纖維等）。但是高分子設計目前尚處于定性設計階段，還沒有進入定量設計的高級階段。只要搞清楚它們的結構和功能之間的關系，就可以在此基礎上進行分子設計，從而可望開發(fā)出各種具有特定功能或一定結構的性能優(yōu)良的功能高分子材料。

相信在不久的將來，科學家們會設計出更多讓人意想不到的、具有各種功能的分子來服務于我們人類。