一座座拔地而起的高楼大厦出自灵巧的建筑师之手，一件件式样迥异的漂亮时装出自爱幻想的服装设计师之手，一幅幅或逼真或抽象或怪异的美丽图画则出自天马行空的画家之手，那么一个个结构各异、功能各异的分子又是出自谁之手呢？它们又是如何被设计出来的呢？现在，让我们一起走进神秘的分子设计的世界。

打开分子设计的大门

自从人类诞生以来，对大自然的索求就一刻也没停止过，而且随着时间的推移，这种索求越演越烈。但是地球资源却是有限的，于是越来越多的科学家开始把目光锁在自我创造上，希望能够像上帝创造人类那样，自我创造出符合人类要求的具有某种特殊性能的分子，分子设计的概念便由此产生了。

分子设计这一概念最早是在20世纪70年代由美国的霍恩贝尔教授提出的，即从分子、电子水平上，通过积累大量实验数据，建立数据库，再结合现代量子化学方法，通过计算机图形学技术等设计出新的分子。分子设计可能设计出具有某种特定性能的新药物、新材料，也可能仅仅是提出一种全新的设计思路。分子设计的概念一出现，便使得新材料的合成、药物设计、催化剂筛选等方面得以飞速发展。如今，分子设计已经成为化学、医学、材料学、生物学等多学科的交叉学科。

设计方法并不复杂

对于分子设计来说，最重要的就是高效率地寻找具有特定性质的分子。物质的功能来源于性质，而性质决定于结构，因此，在设计分子之前首先要确定结构和功能的关系，再根据所需的功能，采用逆向分析的原则设计分子。

目前分子设计主要涉及蛋白质、药物、催化剂、高分子等方面的合成和设计，每个领域所用的方法各不相同。根据设计路线不同，可将分子设计分为两类：合成设计、分子剪裁与组装。

合成设计是根据分子的结构，设计最佳合成路线以得到最高效的目标分子。如：有机合成设计、药物合成设计、材料合成设计等。分子剪裁与组装则是将分子在特定部位用各种形式的能量（如激光）和化学手段（如酶和化学制剂）将分子特定部位的键打断或组装，就如同裁缝缝制衣服一样。

计算机辅助分子设计

随着理论预测对化学发展作用的加大，化学家们已越来越多地依靠计算机来解决在实际研究中所遇到的计算问题。分子设计更是离不开计算机的辅助作用，因此也叫做计算机辅助分子设计。有了计算机的帮助，分子设计已经不再是人类的美好梦想，而是成了现实。

世界上第一个计算机辅助合成系统是由美国科学家E．J．Corey和W．J．Wipke开发的，他们因此于1997年获得了诺贝尔化学奖。计算机辅助合成系统分为两类：经验性与非经验性系统。经验性计算机辅助合成系统有一个存储了大量反应类型、反应条件、反应产物等信息的数据库。辅助合成设计是以数据库中存储的现有有机合成反应为基础，通过组合、拆分等方式来完成有机合成反应，但不能探索和发现前所未有的有机合成反应。非经验性计算机辅助合成系统是应用原子、价键电子、化学结构等信息建立数学模型，由计算机提出许多可能的合成路线。在这些可能的合成路线中，有可能包含一些没有实际意义的合成路线，准确性较差，但包含了人们前所未知的合成路线，可以启发人们去发现、设计新的反应。

用计算机辅助合成是从目标产物出发，反推回去寻找到合成原料（称为逆向合成分析）。在计算机数据库中存储有大量的有机化学反应，当确定了要合成的目标分子结构之后，按一定的规律切断目标分子的一个或几个化学键，使目标分子形成一些较简单的分子片段或化合物，正确地切断合理的反应机制，按一定机制切断的键一定会有相应的合成反应。计算机从数据库中查寻可能获得该目标分子结构的前体结构和应该使用的有机化学反应，前体结构可能有几个。在逆向合成分析中，还需考虑碳碳键的连接或骨架的重排，官能团的互换、加成和消除，使合成适应合成过程中激烈的反应条件并选择性地进行反应。计算机所找到的前体结构又可以成为下一步转换反应的目标分子，根据这些前体结构，计算机继续查寻能获得该前体分子结构的有机化学反应，获得新的前体结构。依此类推，直到在数据库中找到的前体结构是易于得到的、比较简单合理的起始化合物——合成原料为止，这样便构成了以目标分子为根、逐渐生长起来的逆向推理的所谓“合成树”。

“合成树”的每一个结点表示一种化合物，结点之间的连线表示反应路线，一棵“合成树”表示可由许多可能的反应路线获得目标分子。在实际合成工作中，通常只能从这许多可能的路线中选择一两条、最多几条路线去合成目标分子，这就需要确定若干准则，比如技术上成功的可能性、经济上的合理性和学术上的创新性等，来评价和筛选合成路线。就像果园的工作人员修剪果树枝一样，剪去不好的枝条，留下茁壮的枝干。最后从中选择出最合理的合成路线，合成目标分子。

分子设计让新药层出不穷

我国曾有“神农尝百草”的传说流传至今，在远古时代，人们往往要经过漫长的时间，而且要经历无数次的试验，才能逐渐摸索出某种药物的药性。长期以来，人们一直依靠传统的药物设计方法，但这种方法带有很大的盲目性，一般平均要筛选10000种以上的化合物才能得到一种新药，效率非常低。而计算机辅助药物设计，简称CADD，则给药物科学家们带来了曙光。它依据生物化学、酶学、分子生物学以及遗传学等生命科学的研究成果，针对这些基础研究中所揭示的包括酶、受体、离子通道及核酸等潜在的药物设计靶点，并参考其他类的源性配体或天然产物的化学结构特征，设计出合理的药物分子，大大减少了药物筛选试验的数量。药物分子设计就像是锁和钥匙的关系，只要先弄清楚锁的形状和结构，然后在此基础上去寻找能够匹配的钥匙。

例如，类风湿性关节炎是一种慢性炎症性多发病，大量的实验已经证明磷脂酶A2与关节炎有着密切关系，是关节炎症的病源体。如果能找到磷脂酶A2的有效抑制剂作为药物，病人服用后通过抑制磷脂酶A2以阻断发炎进程，就可以根治类风湿性关节炎。我们可以基于这种设想来设计和开发治疗类风湿性关节炎的药物，其药效一定很好。

蛋白质的三维结构信息是药物分子设计的基础，应用X射线晶体学、核磁共振波谱技术，结合蛋白质结构预测方法，能够确定分子的总体结构，构建出较为准确的三维模型。使用计算机图形学技术可以十分方便地在荧光屏上显示分子的立体结构，直观地了解分子的特征和细节，获得分子结构的信息。利用分子力学、分子动力学可以揭示和模拟分子的化学结构、构型和构象，利用量子力学方法可以研究分子的电子性质，计算电荷分布等。综合应用这些科学技术手段，就可以实现合理药物分子的设计，创造和开发出各种各样的特效药物，为人类战胜各种疾病提供有效的手段。

开发新材料不再是梦想

尖端科学技术和军事工业的发展，对高分子材料提出了越来越高的要求，各种功能高分子材料应运而生。功能高分子材料是指，除了具有一定的力学性能外，还具有光、电、磁、能量储存和转化等特殊性能，这些特殊功能是由它们的高分子链结构、链上所带的功能基团的种类、数量、分布，以及高分子的聚集态和形态所确定的。例如高分子催化剂、光活性高分子材料、导电高分子材料、磁性功能高分子材料、医用高分子材料等，人们主要应用其分子水平的性质。

高分子具有多重结构（链节结构、分子结构、组态结构、微区结构等），因此其性能也具有多重性。高分子的性质有的只取决于其中的一种结构，而有的则依赖于几种结构，这种复杂性为建立结构和性能之间的关系带来了很大的困难，但是这种关系的建立是进行分子设计的基础。制备功能高分子材料的方法有：（1）利用现有高分子或按设计合成的高分子骨架，通过反应引入特定功能基；（2）用具有功能基团的单体进行聚合或缩合；（3）通过加工工艺改变高分子形态（如制成膜和中空纤维等）。但是高分子设计目前尚处于定性设计阶段，还没有进入定量设计的高级阶段。只要搞清楚它们的结构和功能之间的关系，就可以在此基础上进行分子设计，从而可望开发出各种具有特定功能或一定结构的性能优良的功能高分子材料。

相信在不久的将来，科学家们会设计出更多让人意想不到的、具有各种功能的分子来服务于我们人类。