北京時間10月6日17時45分許，德國科學(xué)家本杰明·李斯特 (Benjamin List) 和美國科學(xué)家戴維·麥克米倫 (David MacMillan)榮膺2021年諾貝爾化學(xué)獎，表彰他們對“不對稱有機催化的發(fā)展”所作出的貢獻(xiàn)（for the development of asymmetric organocatalysis）。

以下為諾貝爾獎委員會對于此次獲獎的官方解讀：

德國科學(xué)家本杰明·李斯特（Benjamin List ）和美國科學(xué)家戴維·麥克米倫（David MacMillan）因開發(fā)了一種新的、獨創(chuàng)的分子構(gòu)建工具——有機催化，而榮膺2021年諾貝爾化學(xué)獎。它的用途包括新藥物的研究，還有助于使化學(xué)更環(huán)保。

許多工業(yè)和研究領(lǐng)域都依賴于化學(xué)家構(gòu)建新的功能性分子的能力。這些物質(zhì)可以是在太陽能電池中捕捉光線或在電池中儲存能量的任何物質(zhì)，也可以是制造輕便跑鞋或抑制體內(nèi)疾病進展的分子。

然而，如果我們將自然制造化學(xué)制品的能力與我們自己的比較，我們?nèi)匀煌Ａ粼谑鲿r代。進化產(chǎn)生了令人難以置信的特殊工具——酶，可以用來構(gòu)建賦予生命形狀、顏色和功能的分子復(fù)合物。

最初，當(dāng)化學(xué)家們分離出這些化學(xué)杰作時，他們只是羨慕地看著它們。在他們自己的工具箱中，用于分子構(gòu)造的錘子和鑿子都是鈍的、不可靠的。所以當(dāng)他們復(fù)制自然產(chǎn)生的物質(zhì)時，往往會產(chǎn)生大量不必要的副產(chǎn)品。

精細(xì)化學(xué)的新工具

化學(xué)家們添加到工具箱中的每一個新工具都提高了分子結(jié)構(gòu)的精確度。緩慢但肯定的是，化學(xué)已經(jīng)從石頭上的雕琢發(fā)展成一種更像精細(xì)工藝的學(xué)科。這給人類帶來了巨大好處，其中一些工具還獲得了諾貝爾化學(xué)獎。

被授予2021年諾貝爾化學(xué)獎的發(fā)現(xiàn)，將分子結(jié)構(gòu)提升到了一個全新的水平。它不僅使化學(xué)更加環(huán)保，而且使生產(chǎn)不對稱分子更加容易。

在化學(xué)構(gòu)造過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)這樣一種情況：兩個分子可以形成，就像我們的手一樣互為鏡像。化學(xué)家經(jīng)常只想要鏡像中的一個分子，特別是在生產(chǎn)藥品時，但一直很難找到有效方法來做到這一點。

本杰明·李斯特和戴維·麥克米倫提出的不對稱有機催化概念既簡單又精彩，事實上，很多人都在驚嘆為什么我們沒有早點想到。

催化劑加速化學(xué)反應(yīng)

19世紀(jì)，當(dāng)化學(xué)家們開始探索不同化學(xué)物質(zhì)相互作用的方式時，他們有了一些奇怪的發(fā)現(xiàn)。例如，如果他們把銀和過氧化氫放在燒杯中，過氧化氫突然開始分解成水和氧氣，但啟動這一過程的銀似乎完全不受反應(yīng)的影響。同樣，從發(fā)芽的谷物中獲得的一種物質(zhì)可以將淀粉分解為葡萄糖。

1835年，瑞典著名化學(xué)家Jacob Berzelius發(fā)現(xiàn)了其中一個規(guī)律，在瑞典皇家科學(xué)院的年度報告中，他描述了物理學(xué)和化學(xué)的最新進展，并寫道有一種新的“力量”可以“引起化學(xué)活動”。他列舉了幾個例子來說明只有一種物質(zhì)的存在才會引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，表示這種現(xiàn)象比之前認(rèn)為的要普遍得多。他認(rèn)為這種物質(zhì)具有催化力，并把這種現(xiàn)象本身稱為催化。

催化劑可以生產(chǎn)塑料、香水和美味的食物

自Jacob Berzelius時代以來，大量的水流過了化學(xué)家的吸液管。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種催化劑，可以分解分子，或?qū)⒎肿舆B接在一起。多虧了這些技術(shù)，現(xiàn)在可以創(chuàng)造出我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臄?shù)千種不同物質(zhì)，如藥品、塑料、香水和食品調(diào)味料。事實上，據(jù)估計，在某種程度上，全球35%的GDP涉及化學(xué)催化。

實際上，在2000年之前發(fā)現(xiàn)的所有催化劑，要么是金屬，要么是酶。金屬通常是很好的催化劑，因為它們有一種特殊的能力，可以暫時容納電子或在化學(xué)過程中將電子提供給其他分子。這有助于松開分子中原子間的鍵，這樣一來，原本牢固的鍵就可以被打破，新的鍵就可以形成。

但一些金屬催化劑存在的問題是，它們對氧氣和水非常敏感。因此，為了使它們發(fā)揮作用，它們需要沒有氧氣和水分的環(huán)境。不過這在大型工業(yè)中很難實現(xiàn)，此外，許多金屬催化劑是重金屬，對環(huán)境有害。

生命催化劑以驚人的精確度工作

第二種催化劑“酶”由蛋白質(zhì)組成。所有生物都有成千上萬種不同的酶，它們驅(qū)動生命所必需的化學(xué)反應(yīng)。很多酶都是不對稱催化的專家，原則上總是形成鏡像。他們也會并肩工作，當(dāng)一個酶完成反應(yīng)后，另一個酶就會取而代之。通過這種方式，它們可以以驚人的精確度構(gòu)建復(fù)雜分子，如膽固醇、葉綠素，或名為“士的寧”的毒素。

由于酶是如此有效的催化劑，研究人員在20世紀(jì)90年代試圖開發(fā)新的酶變體來驅(qū)動人類所需的化學(xué)反應(yīng)。南加州斯克里普斯研究所的一個研究小組正在研究這個問題，由已故的卡洛斯·F·巴爾巴斯三世(Carlos F. Barbas III)領(lǐng)導(dǎo)。本杰明·李斯特在巴爾巴斯研究小組做博士后時，一個導(dǎo)致今年諾貝爾化學(xué)獎發(fā)現(xiàn)的絕妙想法誕生了。

本杰明·李斯特跳出常規(guī)思維模式

本杰明·李斯特研究了催化抗體。通常情況下，抗體會附著在我們體內(nèi)的外來病毒或細(xì)菌上，但斯克里普斯研究所的研究人員重新設(shè)計了抗體，讓它們能夠驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。

在研究催化抗體的過程中，本杰明·李斯特開始思考酶是如何工作的。它們通常是由數(shù)百個氨基酸組成的巨大分子。除了這些氨基酸，相當(dāng)一部分酶還含有金屬，有助于推動化學(xué)過程。

但這就是關(guān)鍵所在，許多酶的催化化學(xué)反應(yīng)不需要金屬的幫助。相反，反應(yīng)是由酶中的一個或幾個氨基酸驅(qū)動的。

本杰明·李斯特跳出常規(guī)思維的問題是：氨基酸必須是酶的一部分才能催化化學(xué)反應(yīng)嗎?一個氨基酸或其他類似的簡單分子能做同樣的工作嗎?

革命性成果

他知道，早在20世紀(jì)70年代早期，就有一項研究將一種名為脯氨酸的氨基酸用作催化劑，但在當(dāng)時，那已經(jīng)是25年前的事了。如果脯氨酸真的是一種有效的催化劑，還會有人繼續(xù)研究它嗎?

本杰明·李斯特認(rèn)為，沒有人繼續(xù)研究這一現(xiàn)象的原因是它的效果不是特別好。在沒有任何實際期望的情況下，他測試了脯氨酸是否能催化醛醇反應(yīng)。在醛醇反應(yīng)中，兩個不同分子的碳原子結(jié)合在了一起。這是一個簡單的嘗試，令人驚訝的是，它立即起作用了。

本杰明·李斯特明確了自己的方向

本杰明·李斯特的實驗不僅證明了脯氨酸是一種高效的催化劑，而且還證明了這種氨基酸可以驅(qū)動不對稱催化。在兩種可能的鏡像中，其中一種鏡像的形成要比另一種更常見。

與之前將脯氨酸作為催化劑測試的研究人員不同，本杰明·李斯特發(fā)現(xiàn)脯氨酸可能具有巨大潛力。與金屬和酶相比，脯氨酸是化學(xué)家夢寐以求的工具。它是一種非常簡單、便宜、環(huán)保的分子。

當(dāng)他在2000年2月發(fā)表他的發(fā)現(xiàn)時，他將有機分子的不對稱催化描述為一個擁有很多機會的新概念，“這些催化劑的設(shè)計和篩選是我們未來的目標(biāo)之一。”

而在加州北部的一個實驗室里，戴維·麥克米倫也在朝著同樣的目標(biāo)努力。

戴維·麥克米倫丟下敏感金屬

戴維·麥克米倫在哈佛大學(xué)時曾致力于利用金屬改善不對稱催化。這是一個吸引了大量研究人員關(guān)注的領(lǐng)域，但戴維·麥克米倫指出，開發(fā)的催化劑很少用于工業(yè)。他開始思考原因，并認(rèn)為敏感金屬的使用非常困難和昂貴。

實驗室中，實現(xiàn)某些金屬催化劑所要求的無氧、無濕條件相對簡單，但在這樣的條件下進行大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)是復(fù)雜的。他的結(jié)論是，如果他正在開發(fā)的化學(xué)工具要有用，他需要重新思考。所以當(dāng)他搬到加州大學(xué)伯克利分校，他丟下了金屬。

發(fā)展出一種更簡單的催化劑

他開始設(shè)計簡單的有機分子，就像金屬一樣可以暫時提供或容納電子。所謂有機分子，組成有機物的分子叫有機分子，有機分子是含碳元素的化合物。它們有穩(wěn)定的碳原子結(jié)構(gòu)，活性化學(xué)基團附著在這個碳結(jié)構(gòu)上，它們通常含有氧、氮、硫或磷。有機分子由簡單和普通的元素組成，但根據(jù)它們的組合方式可以具有復(fù)雜的性質(zhì)。

戴維·麥克米倫的化學(xué)知識告訴他，一個有機分子要催化他感興趣的反應(yīng)，就必須能夠形成亞胺離子。它包含一個氮原子，氮原子對電子有固有的親和力。

他選擇了幾個具有正確性質(zhì)的有機分子，然后測試了它們驅(qū)動狄爾斯－阿爾德反應(yīng)（Diels-Alder）的能力。這是一種有機反應(yīng)，用來形成碳原子環(huán)。

正如他所希望和相信的那樣，這一招非常奏效。一些有機分子在不對稱催化方面也很出色，在兩種可能的鏡像中，其中一種占據(jù)了產(chǎn)物的90%以上。

戴維·麥克米倫創(chuàng)造了“有機催化”一詞

當(dāng)戴維·麥克米倫準(zhǔn)備發(fā)表他的研究結(jié)果時，他意識到他發(fā)現(xiàn)的催化概念需要一個名字。事實上，研究人員以前已成功利用小的有機分子催化化學(xué)反應(yīng)，但這些都是孤立的例子，沒有人意識到這種方法可以推廣。

戴維·麥克米倫想找一個術(shù)語來描述這種方法，這樣其他研究人員就會明白還有更多的有機催化劑有待發(fā)現(xiàn)。因此他選擇了一個詞，也就是“有機催化”。

2000年1月，就在本杰明·李斯特發(fā)表他的發(fā)現(xiàn)之前，戴維·麥克米倫將他的手稿提交給了一家科學(xué)雜志準(zhǔn)備發(fā)表。引言中提到，“在此，我們介紹了一種新的有機催化策略，我們希望它能適應(yīng)一系列的不對稱轉(zhuǎn)化。”

有機催化應(yīng)用蓬勃發(fā)展

本杰明·李斯特和戴維·麥克米倫各自獨立發(fā)現(xiàn)了一個全新的催化概念。自2000年以來，這一領(lǐng)域的發(fā)展幾乎可以比作淘金熱，李斯特和麥克米倫在這一領(lǐng)域保持著領(lǐng)先地位。他們設(shè)計了大量廉價且穩(wěn)定的有機催化劑，可用于驅(qū)動各種各樣的化學(xué)反應(yīng)。

有機催化劑通常由簡單的分子組成。以前，在化工生產(chǎn)過程中，每一個中間產(chǎn)物都需要分離和提純，否則副產(chǎn)品的體積會很大，這導(dǎo)致在化學(xué)結(jié)構(gòu)的每一步都有一些物質(zhì)流失。而有機催化劑相對來說，在生產(chǎn)過程中的幾個步驟可以連續(xù)執(zhí)行，這被稱為級聯(lián)反應(yīng)，它可以大大減少化學(xué)制造中的浪費。

士的寧合成效率提高了7000倍

有機催化催生更有效的分子結(jié)構(gòu)，一個例子是合成自然、復(fù)雜的士的寧分子。對化學(xué)家來說，士的寧就像一個魔方，如何才能用盡可能少的步驟合成它。1952年第一次合成士的寧時，需要29種不同的化學(xué)反應(yīng)，只有0.0009%的初始物質(zhì)形成士的寧，剩下的都浪費了。2011年，研究人員利用有機催化和級聯(lián)反應(yīng)，只需12步就能生產(chǎn)士的寧，生產(chǎn)效率提高了7000倍。

在醫(yī)藥生產(chǎn)中，有機催化是最重要的

有機催化已經(jīng)對藥物研究產(chǎn)生了重大影響，而藥物研究往往需要不對稱催化。在化學(xué)家能夠進行不對稱催化之前，許多藥物都包含分子的鏡像。其中一種是活性的，而另一種有時會產(chǎn)生不良影響。一個災(zāi)難性的例子是20世紀(jì)60年代的沙利度胺丑聞，沙利度胺藥物的一個鏡像導(dǎo)致數(shù)千個發(fā)育中的人類胚胎嚴(yán)重畸形。

利用有機催化，研究人員現(xiàn)在可以相對簡單地制造大量不同的不對稱分子，例如可以人工生產(chǎn)具有潛在療效的物質(zhì)，否則只能從稀有植物或深海生物中少量分離出來。

在制藥公司，這種方法也被用來簡化現(xiàn)有藥品的生產(chǎn)，這方面的例子包括用于治療焦慮和抑郁的帕羅西汀，以及用于治療呼吸道感染的抗病毒藥物奧司他韋。

簡單的想法往往是最難想象的

關(guān)于有機催化如何使用，可以列舉出成千上萬的例子。但為什么之前沒有人提出這個簡單、綠色、廉價的不對稱催化概念呢?這個問題有很多答案。一個原因是簡單的想法往往是最難想象的。我們的觀點被先入為主的觀念所掩蓋，例如認(rèn)為只有金屬或酶才能驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。本杰明·李斯特和戴維·麥克米倫成功超越了這些先入之見，為化學(xué)家奮斗幾十年的問題找到了一個巧妙的解決方案。因此，有機催化劑正給人類帶來巨大的好處。

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