北京時(shí)間10月6日17時(shí)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(chēng)有機催化的發(fā)展”所作出的貢獻（for the development of asymmetric organocatalysis）。
以下為諾貝爾獎委員會(huì )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(kāi)發(fā)了一種新的、獨創(chuàng )的分子構建工具——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(lài)于化學(xué)家構建新的功能性分子的能力。這些物質(zhì)可以是在太陽(yáng)能電池中捕捉光線(xiàn)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疾病進(jìn)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，我們仍然停留在石器時(shí)代。進(jìn)化產(chǎn)生了令人難以置信的特殊工具——酶，可以用來(lái)構建賦予生命形狀、顏色和功能的分子復合物。
最初，當化學(xué)家們分離出這些化學(xué)杰作時(shí)，他們只是羨慕地看著(zhù)它們。在他們自己的工具箱中，用于分子構造的錘子和鑿子都是鈍的、不可靠的。所以當他們復制自然產(chǎn)生的物質(zhì)時(shí)，往往會(huì )產(chǎn)生大量不必要的副產(chǎn)品。
精細化學(xué)的新工具
化學(xué)家們添加到工具箱中的每一個(gè)新工具都提高了分子結構的精確度。緩慢但肯定的是，化學(xué)已經(jīng)從石頭上的雕琢發(fā)展成一種更像精細工藝的學(xué)科。這給人類(lèi)帶來(lái)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，將分子結構提升到了一個(gè)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(chēng)分子更加容易。
在化學(xué)構造過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )出現這樣一種情況：兩個(gè)分子可以形成，就像我們的手一樣互為鏡像?；瘜W(xué)家經(jīng)常只想要鏡像中的一個(gè)分子，特別是在生產(chǎn)藥品時(shí)，但一直很難找到有效方法來(lái)做到這一點(diǎn)。
本杰明·李斯特和戴維·麥克米倫提出的不對稱(chēng)有機催化概念既簡(jiǎn)單又精彩，事實(shí)上，很多人都在驚嘆為什么我們沒(méi)有早點(diǎn)想到。
催化劑加速化學(xué)反應
19世紀，當化學(xué)家們開(kāi)始探索不同化學(xué)物質(zhì)相互作用的方式時(shí)，他們有了一些奇怪的發(fā)現。例如，如果他們把銀和過(guò)氧化氫放在燒杯中，過(guò)氧化氫突然開(kāi)始分解成水和氧氣，但啟動(dòng)這一過(guò)程的銀似乎完全不受反應的影響。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(zhù)名化學(xué)家Jacob Berzelius發(fā)現了其中一個(gè)規律，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(jìn)展，并寫(xiě)道有一種新的“力量”可以“引起化學(xué)活動(dòng)”。他列舉了幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明只有一種物質(zhì)的存在才會(huì )引發(fā)化學(xué)反應，表示這種現象比之前認為的要普遍得多。他認為這種物質(zhì)具有催化力，并把這種現象本身稱(chēng)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(shí)代以來(lái)，大量的水流過(guò)了化學(xué)家的吸液管。他們已經(jīng)發(fā)現了多種催化劑，可以分解分子，或將分子連接在一起。多虧了這些技術(shù)，現在可以創(chuàng )造出我們日常生活中使用的數千種不同物質(zhì)，如藥品、塑料、香水和食品調味料。事實(shí)上，據估計，在某種程度上，全球35%的GDP涉及化學(xué)催化。
實(shí)際上，在2000年之前發(fā)現的所有催化劑，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(shí)容納電子或在化學(xué)過(guò)程中將電子提供給其他分子。這有助于松開(kāi)分子中原子間的鍵，這樣一來(lái)，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(wèn)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(méi)有氧氣和水分的環(huán)境。不過(guò)這在大型工業(yè)中很難實(shí)現，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(wàn)種不同的酶，它們驅動(dòng)生命所必需的化學(xué)反應。很多酶都是不對稱(chēng)催化的專(zhuān)家，原則上總是形成鏡像。他們也會(huì )并肩工作，當一個(gè)酶完成反應后，另一個(gè)酶就會(huì )取而代之。通過(guò)這種方式，它們可以以驚人的精確度構建復雜分子，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90年代試圖開(kāi)發(fā)新的酶變體來(lái)驅動(dòng)人類(lèi)所需的化學(xué)反應。南加州斯克里普斯研究所的一個(gè)研究小組正在研究這個(gè)問(wèn)題，由已故的卡洛斯·F·巴爾巴斯三世(Carlos F. Barbas III)領(lǐng)導。本杰明·李斯特在巴爾巴斯研究小組做博士后時(shí)，一個(gè)導致今年諾貝爾化學(xué)獎發(fā)現的絕妙想法誕生了。
本杰明·李斯特跳出常規思維模式
本杰明·李斯特研究了催化抗體。通常情況下，抗體會(huì )附著(zhù)在我們體內的外來(lái)病毒或細菌上，但斯克里普斯研究所的研究人員重新設計了抗體，讓它們能夠驅動(dòng)化學(xué)反應。
在研究催化抗體的過(guò)程中，本杰明·李斯特開(kāi)始思考酶是如何工作的。它們通常是由數百個(gè)氨基酸組成的巨大分子。除了這些氨基酸，相當一部分酶還含有金屬，有助于推動(dòng)化學(xué)過(guò)程。
但這就是關(guān)鍵所在，許多酶的催化化學(xué)反應不需要金屬的幫助。相反，反應是由酶中的一個(gè)或幾個(gè)氨基酸驅動(dòng)的。
本杰明·李斯特跳出常規思維的問(wèn)題是：氨基酸必須是酶的一部分才能催化化學(xué)反應嗎?一個(gè)氨基酸或其他類(lèi)似的簡(jiǎn)單分子能做同樣的工作嗎?
革命性成果
他知道，早在20世紀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，但在當時(shí)，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(huì )有人繼續研究它嗎?
本杰明·李斯特認為，沒(méi)有人繼續研究這一現象的原因是它的效果不是特別好。在沒(méi)有任何實(shí)際期望的情況下，他測試了脯氨酸是否能催化醛醇反應。在醛醇反應中，兩個(gè)不同分子的碳原子結合在了一起。這是一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)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動(dòng)不對稱(chēng)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(jiàn)。
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(mèng)寐以求的工具。它是一種非常簡(jiǎn)單、便宜、環(huán)保的分子。
當他在2000年2月發(fā)表他的發(fā)現時(shí)，他將有機分子的不對稱(chēng)催化描述為一個(gè)擁有很多機會(huì )的新概念，“這些催化劑的設計和篩選是我們未來(lái)的目標之一。”
而在加州北部的一個(gè)實(shí)驗室里，戴維·麥克米倫也在朝著(zhù)同樣的目標努力。
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(shí)曾致力于利用金屬改善不對稱(chēng)催化。這是一個(gè)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(kāi)發(fā)的催化劑很少用于工業(yè)。他開(kāi)始思考原因，并認為敏感金屬的使用非常困難和昂貴。
實(shí)驗室中，實(shí)現某些金屬催化劑所要求的無(wú)氧、無(wú)濕條件相對簡(jiǎn)單，但在這樣的條件下進(jìn)行大規模的工業(yè)生產(chǎn)是復雜的。他的結論是，如果他正在開(kāi)發(fā)的化學(xué)工具要有用，他需要重新思考。所以當他搬到加州大學(xué)伯克利分校，他丟下了金屬。
發(fā)展出一種更簡(jiǎn)單的催化劑
他開(kāi)始設計簡(jiǎn)單的有機分子，就像金屬一樣可以暫時(shí)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。它們有穩定的碳原子結構，活性化學(xué)基團附著(zhù)在這個(gè)碳結構上，它們通常含有氧、氮、硫或磷。有機分子由簡(jiǎn)單和普通的元素組成，但根據它們的組合方式可以具有復雜的性質(zhì)。
戴維·麥克米倫的化學(xué)知識告訴他，一個(gè)有機分子要催化他感興趣的反應，就必須能夠形成亞胺離子。它包含一個(gè)氮原子，氮原子對電子有固有的親和力。
他選擇了幾個(gè)具有正確性質(zhì)的有機分子，然后測試了它們驅動(dòng)狄爾斯－阿爾德反應（Diels-Alder）的能力。這是一種有機反應，用來(lái)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(chēng)催化方面也很出色，在兩種可能的鏡像中，其中一種占據了產(chǎn)物的90%以上。
戴維·麥克米倫創(chuàng )造了“有機催化”一詞
當戴維·麥克米倫準備發(fā)表他的研究結果時(shí)，他意識到他發(fā)現的催化概念需要一個(gè)名字。事實(shí)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，但這些都是孤立的例子，沒(méi)有人意識到這種方法可以推廣。
戴維·麥克米倫想找一個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述這種方法，這樣其他研究人員就會(huì )明白還有更多的有機催化劑有待發(fā)現。因此他選擇了一個(gè)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，我們希望它能適應一系列的不對稱(chēng)轉化。”
有機催化應用蓬勃發(fā)展
本杰明·李斯特和戴維·麥克米倫各自獨立發(fā)現了一個(gè)全新的催化概念。自2000年以來(lái)，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(zhù)領(lǐng)先地位。他們設計了大量廉價(jià)且穩定的有機催化劑，可用于驅動(dòng)各種各樣的化學(xué)反應。
有機催化劑通常由簡(jiǎn)單的分子組成。以前，在化工生產(chǎn)過(guò)程中，每一個(gè)中間產(chǎn)物都需要分離和提純，否則副產(chǎn)品的體積會(huì )很大，這導致在化學(xué)結構的每一步都有一些物質(zhì)流失。而有機催化劑相對來(lái)說(shuō)，在生產(chǎn)過(guò)程中的幾個(gè)步驟可以連續執行，這被稱(chēng)為級聯(lián)反應，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構，一個(gè)例子是合成自然、復雜的士的寧分子。對化學(xué)家來(lái)說(shuō)，士的寧就像一個(gè)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(shí)，需要29種不同的化學(xué)反應，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，只需12步就能生產(chǎn)士的寧，生產(chǎn)效率提高了7000倍。
在醫藥生產(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(chēng)催化。在化學(xué)家能夠進(jìn)行不對稱(chēng)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(shí)會(huì )產(chǎn)生不良影響。一個(gè)災難性的例子是20世紀60年代的沙利度胺丑聞，沙利度胺藥物的一個(gè)鏡像導致數千個(gè)發(fā)育中的人類(lèi)胚胎嚴重畸形。
利用有機催化，研究人員現在可以相對簡(jiǎn)單地制造大量不同的不對稱(chēng)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(lái)。
在制藥公司，這種方法也被用來(lái)簡(jiǎn)化現有藥品的生產(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(jiǎn)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(wàn)的例子。但為什么之前沒(méi)有人提出這個(gè)簡(jiǎn)單、綠色、廉價(jià)的不對稱(chēng)催化概念呢?這個(gè)問(wèn)題有很多答案。一個(gè)原因是簡(jiǎn)單的想法往往是最難想象的。我們的觀(guān)點(diǎn)被先入為主的觀(guān)念所掩蓋，例如認為只有金屬或酶才能驅動(dòng)化學(xué)反應。本杰明·李斯特和戴維·麥克米倫成功超越了這些先入之見(jiàn)，為化學(xué)家?jiàn)^斗幾十年的問(wèn)題找到了一個(gè)巧妙的解決方案。因此，有機催化劑正給人類(lèi)帶來(lái)巨大的好處。
相關(guān)專(zhuān)題：2021年諾貝爾獎