麻省理工学院的化学家

Alison Wendlandt，绿色职业发展化学助理教授。

艾莉森·温德兰特（Alison Wendlandt）探索了诸如糖和毒品之类的分子中原子的布局如何影响其性质和我们的身体。

黑麦面包的泥土味在很大程度上是由于葛缕子籽所致。这些种子的味道来自香芹酮，该香芹酮是由10个碳原子，14个氢原子和一个氧原子组成的分子。但是，土质并不是唯一的原子集合可以创造的唯一味道。薄荷的薄荷味也归因于香芹酮。您得到哪种风味取决于分子中原子的空间分布。如果您将两个Carvones并排放置，您会发现它们是彼此的镜像。

对分子中原子空间分布的研究称为立体化学。麻省理工学院化学专业绿色职业发展助理教授艾莉森·温德兰特（Alison Wendlandt）解释说，涉及分子时，不仅是原子决定分子性质，而且还决定了相似连接的原子的三维排列。

原子的这种空间分布不仅会影响风味。它还可以确定药物分子的有效性。温德兰特（Wendlandt）的工作重点是寻找微调分子立体化学的策略，并以此为基础，研究药物治疗对患者的作用速度和彻底程度。

镜像图像

温德兰特（Wendlandt）进入大学时，并没有计划化学专业。她是数学专业。她说：“但是我最终选择了有机化学，它只是一种语言而已。”许多学生通过记忆来学习化学，但是对于温德兰特来说，化学的逻辑本来就很有意义。她回忆说：“没有记住，只是了解规则。”“然后在那一点上，我无能为力。”

温德兰特（Wendlandt）的训练是催化，包括设计催化剂以达到所需的反应。温德兰特说：“催化剂是可以促进反应但在反应中不消耗的任何一种试剂。”这可能是难以执行的反应，也可能是导致特定结果或结果的反应。在哈佛大学博士后期间，她专注于对映选择性催化，在该反应中生成了特定的对映异构体，即一对镜像分子中的一个。

左图显示了驱动稀有糖异构体合成反应的蓝色LED光的强度。右图是使用橙色滤镜拍摄的，该滤镜去除了蓝光，以显示反应设置本身。大约有28个反应瓶用于筛选各种变量。

对映选择性催化的许多方面吸引了Wendlandt参与这项工作，但其中有两个脱颖而出。她说：“一个是手性药物分子的重要性。”对于药物分子，通常只有一种对映异构体具有相关的药物特性，而另一种对映异构体则没有作用，或者在某些情况下还具有负面作用。“在一些著名的灾难中，我们未能控制或认识到对映异构体的脱靶效应导致了灾难。”1950年代孕妇服用的沙利度胺就是这样的例子。温德兰特说：“一种对映异构体很好，可以有效地治疗孕吐，而另一种对映异构体是致畸剂，可导致先天缺陷。”“这完全是一个立体化学问题。”

Wendlandt也对工作的分子设计方面很感兴趣。她说：“它使我们能够对反应坐标进行非常小的能量改变。”关于能量，温德兰特解释说，就像您消耗和消耗的能量一样，1,000-2,000卡路里可以确定一种产品是两种对映异构体的平衡混合物，还是仅是一种目标对映异构体的纯混合物。温德兰特说，借助催化作用，您实际上可以控制反应的路径。

糖冲

许多分子具有立体化学，但是温德兰特特别感兴趣的一类分子是糖。她解释说，对于诸如氨基酸和蛋白质之类的分子，其性质通常取决于其官能团，即分子上赋予其特定性质的原子分组。糖不是这种情况。温德兰特说：“糖的许多生物学和物理特性与立体化学有关。”除了一些重要的例外，所有糖都是异构体，这意味着它们具有相同的基本化学式。“它们只是在空间连通性方面有所不同。”

在人体中，糖具有多种功能，从能量和信息存储到结构，它们也是药用药物中的常见成分。一些糖，例如葡萄糖和纤维素，很容易获得，但其他糖，尤其是那些可以作为药物中有效成分的糖，则较难生产。温德兰特说，这些稀有的糖“必须通过化学合成制成”。

温德兰特说，尽管糖的重要性很高，但由于生产稀有糖的方法欠佳，阻碍了糖的研究。她说：“这些方法之所以不好，是因为我们无法处理选择性问题。”因为糖的性质由其立体化学决定，所以制造稀有糖通常归结为将特定原子从分子上的一个位置移动到另一个位置。这是一项艰巨的挑战，但温德兰特却吸引了一个人。

在2020年1月发表于《自然》杂志上的一篇论文中，温德兰特和她的实验室通过修饰葡萄糖分子中原子的空间分布，制成了一种稀有糖-阿洛糖。该过程涉及在分子的一个点上断开化学键，然后在分子上的另一个点上重新形成化学键，这违背了称为微观可逆性的化学原理。Wendlandt解释说：“它表明键断裂的方式与键形成的方式相同。”为了解决这个问题，实验室通过使用两种催化剂来解开键断裂和形成键的过程：一种是断裂键，另一种是形成键。使用这两种单独的催化剂和一些蓝光来驱动催化作用，从糖分子上的特定位置去除了氢原子，同时将新的氢原子添加到了同一分子上的另一个立体化学位置。通过这种转换，普通葡萄糖变成了稀有的糖。

制作Allose仅仅是开始。导致反应位点选择性的因素尚不清楚，这是Wendlandt和她的实验室正在继续探索的问题。温德兰特说：“如果我们能理解为什么这些反应是选择性的，我们原则上可以将它们设计为做其他事情。”例如，破坏分子其他位点的键。一旦确定了可预测性和稳定性，该方法就可以成为药品中的强大工具，包括许多FDA批准的抗病毒药，抗菌药，抗癌药和强心药​​。Wendlandt想象到：“药用化学家可以进来说'好吧，我想编辑这个键或那个键。”让他们将糖微调成有效的药物成分。分子中原子的这种修补可能意味着悲剧与安全有效的药物之间的区别。