新浪科技訊 北京時間10月6日消息，2021年諾貝爾化學獎授予Benjamin List 和 David MacMillan，獲獎原因為“在不對稱有機催化方面的發展”，他們開發的工具徹底改變了分子的構造。
構建分子的巧妙工具
分子構建是一門困難的藝術。Benjamin List和David MacMillan因開發了一種精確的分子構建新工具——有機催化——而被授予2021年諾貝爾化學獎。這項技術對藥物研究產生了巨大的影響，并使化學更加環保。
許多研究和工業領域都依賴于化學家構建分子的能力，這些分子可以形成彈性和耐用的材料，在電池中儲存能量，甚至抑制疾病的進展。這項工作需要催化劑的參與。在化學反應中，催化劑可以控制和加速反應，但不會成為最終產物的一部分。例如，汽車中所用的催化劑能將廢氣中的有毒物質轉化為無害分子。我們的身體中也含有數以千計的催化劑——酶，它們可以分解出生命所必需的分子。
因此，催化劑是化學家的基本工具，但研究人員長期以來一直認為，原則上只有兩類催化劑：金屬和酶。Benjamin List和David MacMillan被授予2021年諾貝爾化學獎的原因是，他們在2000年在有機小分子的基礎上，各自獨立地開發了第三類催化劑，即“不對稱有機催化”。
諾貝爾化學委員會主席Johan ?qvist說：“催化的概念既簡單又巧妙，事實上，許多人都想知道為什么我們沒有更早地考慮這一領域。”
有機催化劑具有一個穩定的碳原子框架，可以讓更活躍的化學基團附著在上面。它們通常含有一些常見元素，如氧、氮、硫或磷。這意味著這些催化劑既環保又便宜。
由于有機催化劑驅動不對稱催化的能力，其用途迅速擴展。在分子構建的過程中，通常會出現形成兩種不同分子的情況，它們就像我們的手一樣，互為鏡像。化學家通常只需要其中一種分子，特別是在生產藥品的時候。
自2000年以來，有機催化領域以驚人的速度發展。Benjamin List和David MacMillan仍然是這個領域的領導者，他們證明了有機催化劑可以用來驅動大量的化學反應。利用這些反應，研究人員可以更有效地構建任何分子，包括新的藥物，以及可以在太陽能電池中捕捉光的分子。以這種方式，有機催化劑給人類帶來了巨大的益處。
Benjamin List，1968年生于德國法蘭克福，1997年獲德國法蘭克福大學哲學博士學位，目前任職于德國馬克斯-普朗克煤研究所。
David W.C。 MacMillan，1968年生于英國貝爾斯希爾，1996年獲美國加州大學歐文分校博士學位，現為美國普林斯頓大學教授。
深度解讀：
為精細化學創造的新工具
化學家每向“工具箱”中增添一件新工具，都使分子構建的精細度進一步提高。漸漸地，化學從原始的“鑿石工藝”，發展成了更加精湛的技藝。人類從中可謂獲益匪淺，其中一些工具還被授予了諾貝爾化學獎。
而此次獲獎發現更是將分子構建提高到了一個全新的水平，不僅使化學變得更加綠色環保，還大大降低了打造不對稱分子的難度。在化學合成過程中常常出現兩個互成鏡面的分子，就像我們的雙手一樣。而化學家往往只想要其中一種分子，在制藥領域尤其如此，但很難找到一種高效的方法實現這一點。而Benjamin List和David MacMillan提出的“不對稱有機催化”的概念不僅堪稱絕妙，并且十分簡單，以至于許多人不禁思考，為何我們沒能早點想到這種方法呢？
所以究竟是為什么呢？這個問題答起來可不容易。在回答它之前，我們先簡短地回顧一下歷史。我們先定義一下“催化”和“催化劑”這兩個術語，再回頭來看2021年諾貝爾化學獎的獲獎成果。
許多分子以兩種變體的形式存在，其中一種是另一種的鏡像。這些鏡像分子會對身體產生完全不同的影響。例如，一種版本的檸檬烯分子具有檸檬香氣（S-檸檬烯），而它的鏡像版本（R-檸檬烯）則聞起來像橙子。催化劑可加速化學反應
19世紀，化學家剛開始探索不同化學物質相互反應的方式時，發現了一些奇怪的現象。例如，如果將銀置入裝有過氧化氫（H2O2）的燒杯中，過氧化氫就會突然迅速分解為水（H2O）和氧氣（O2）。但啟動該反應的銀卻似乎絲毫不受反應影響。類似地，一種從發芽谷物中提取的物質也可以將淀粉分解為葡萄糖。
1835年，著名瑞典化學家Jacob Berzelius從這些現象中看出了規律。他在瑞典皇家科學院的年度報告中寫道，有一種新的“力”可以“產生化學活動”。他還舉了幾個例子說明，有些物質僅需存在便可開啟化學反應，并指出這種現象似乎比之前認為的常見得多。他認為這些物質具有“催化力”，因此將這種現象稱作“催化”。
催化劑可以生產塑料、香水和美食
自瑞典化學家Berzelius的時代至今，化學家們已經進行了大量的嘗試。他們發現了多種催化劑，可以分解分子，或將分子連接在一起。多虧了這些技術，今天的化學產業可以生產出我們日常生活中使用的數千種不同的物質，如藥品、塑料、香水和食品等。事實上，據估計，全球35%的GDP在某種程度上都涉及化學催化。
原則上，在2000年之前發現的所有催化劑都屬于兩類：金屬和酶。金屬通常是很好的催化劑，因為它們具有一種特殊的能力，可以暫時容納電子或在化學過程中將電子提供給其他分子。這有助于松開分子中原子之間的鍵，使得原本牢固的連接可以被解開，新的鍵得以形成。
然而，有些金屬催化劑存在一個問題：它們對氧氣和水非常敏感。因此，為了使它們發揮作用，就需要一個沒有氧氣和水分的環境，而這在大型工業中很難實現。此外，許多金屬催化劑是重金屬，對環境有害。
生物體內的催化劑
第二類催化劑主要是由被稱為“酶”的蛋白質組成的。所有生物體內都有成千上萬種不同的酶，它們驅動著維持生命所必需的化學反應。許多酶是不對稱催化的專家，原則上總是在可能的兩種互成鏡像的分子中形成其中一種分子。它們也會“并肩工作”；當一種酶完成反應后，另一種酶就會取而代之。通過這種方式，酶以驚人的準確度構建復雜分子，如膽固醇、葉綠素或番木鱉堿（我們所知道的最復雜的分子之一）等毒素。
由于酶的催化作用是如此高效，研究人員在20世紀90年代就試圖開發新的酶變體來驅動人類所需的化學反應。美國南加州斯克里普斯研究所的一個研究小組就在研究這個問題，領導者是已故的Carlos F。 Barbas III。當Benjamin List在Barbas的研究小組做博士后時，他想到了一個絕妙的想法，最終幫他贏得了今年的諾貝爾化學獎。
Benjamin List的非常規思考
Benjamin List研究了催化抗體，即抗體酶。通常情況下，抗體會附著在我們體內的外來病毒或細菌上，但斯克里普斯大學的研究人員重新設計了抗體，讓它們能夠驅動化學反應。
在研究催化抗體的過程中，Benjamin List開始思考酶的確切工作機制。它們通常是由數百個氨基酸組成的巨大分子。除了氨基酸外，相當多的酶還含有能推動化學過程的金屬。但是——這就是關鍵所在——許多酶催化化學反應并不需要金屬的幫助。相反，這些反應是由酶的一個或幾個氨基酸驅動的。Benjamin List的問題是：氨基酸必須是酶的一部分才能催化化學反應嗎？一個氨基酸，或者其他類似的簡單分子，也能起到同樣的作用嗎？
革命性的結果
Benjamin List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，但那已經是25年前的事了。當然，如果脯氨酸真的是一種有效的催化劑，還會有人繼續研究它嗎？
在某種程度上，Benjamin List也是這么想的。他認為，沒有人繼續研究這一現象的原因，是這種氨基酸的催化效果不是特別好。在不抱任何實際期望的情況下，他測試了脯氨酸是否能催化羥醛反應；在羥醛反應中，兩個不同分子的碳原子會結合在一起。這是一個很簡單的嘗試，令人驚訝的是，脯氨酸立即發揮了作用。
1. 酶由成百上千種氨基酸構成，但其中往往只有少數幾個氨基酸會參與化學反應。Benjamin List開始思考，要想起到催化作用，是否真的需要一整個酶才行。 2. Benjamin List測試了一種名叫脯氨酸的氨基酸能否催化化學反應，結果非常理想。脯氨酸中含有一個氮原子，可以在化學反應過程中提供和容納電子。Benjamin List把握住了未來
Benjamin List不僅通過實驗證明了脯氨酸是一種高效的催化劑，還證明了這種氨基酸可以驅動不對稱催化。在兩種可能的鏡像分子中，其中一種分子的形成要比另一種更常見。
與之前測試過脯氨酸作為催化劑的研究人員不同，Benjamin List認為脯氨酸可能具有巨大的潛力。與金屬和酶相比，脯氨酸是化學家夢寐以求的工具。它是一種非常簡單、便宜，又十分環保的分子。當Benjamin List在2000年2月發表這些發現時，他將有機分子的不對稱催化描述為一個能帶來大量機會的新概念：“這些催化劑的設計和篩選是我們未來的目標之一”。
不過，Benjamin List并不是唯一這么做的人。在加州北部的一個實驗室里，David MacMillan也在朝著同樣的目標努力。
David MacMillan“拋棄”敏感金屬設計了一種更簡單的催化劑
兩年前，David MacMillan從哈佛大學搬到了加州大學伯克利分校。在哈佛，他曾致力于利用金屬改善不對稱催化反應。這是一個受到大量研究人員關注的領域，但David MacMillan指出，已開發的催化劑很少用于工業。他開始思考背后的原因，認為是敏感金屬在使用上非常困難和昂貴導致的。在實驗室中，實現某些金屬催化劑所要求的無氧、無濕條件相對簡單，但在大規模的工業生產中，實現這樣的條件是非常復雜的。
他的結論是，如果想讓正在開發的化學工具起到作用，他就需要換一個新的思路。于是，他搬到了伯克利，“拋棄”了敏感金屬。
David MacMillan開始設計簡單的有機分子，就像金屬一樣能暫時提供或容納電子。在這里，我們需要定義什么是“有機分子”。簡而言之，有機分子就是構建所有生物體的分子；它們有一個穩定的碳原子結構，活性化學基團就附著在這個碳骨架上；它們通常含有氧、氮、硫或磷。
因此，有機分子由簡單和普通的元素組成，但根據其組合方式，它們可以具有復雜的性質。David MacMillan的化學知識告訴他，一個有機分子要催化那些他感興趣的反應，就必須能夠形成亞胺離子。亞胺離子含有一個氮原子，而氮原子與電子具有與生俱來的親和性。
他選擇了幾個具有合適性質的有機分子，測試了它們驅動狄爾斯–阿爾德反應的能力。化學家們用狄爾斯–阿爾德反應來制造碳原子環。結果正如他所預計的那樣，這一方法非常奏效。其中一些有機分子在不對稱催化方面也很出色，在兩種可能的鏡像產物中，其中一種占據了產物的90%以上。
1.金屬催化劑：David MacMillan研究的金屬催化劑很容易被水分破壞，因此，他開始思考是否有可能開發一種更耐用的催化劑； 2.有機催化劑：David MacMillan設計了一些簡單的分子來制造亞胺離子，其中一種分子在不對稱催化方面表現出色。David MacMillan發明了“有機催化”一詞
David MacMillan準備發布自己的研究成果時，忽然意識到他發現的這種催化概念需要一個名字。事實上，研究人員之前也曾用有機小分子成功催化過化學反應，但這些案例都相互獨立，沒有人意識到它們其實可以被概括總結為同一種方法。
David MacMillan想找到一個合適的詞來描述這種方法，好讓其他研究人員明白，還有很多有機催化劑尚待發現。最終他選定了“有機催化”一詞。
2000年1月，就在Benjamin List發布自己的研究成果前，David MacMillan將手稿提交給了一份科學期刊。他在論文簡介中寫道：“本文介紹了一種進行有機催化的新策略，可適用于多種不對稱轉化。”
有機催化的使用得到蓬勃發展
Benjamin List和David MacMillan各自獨立地發現了一種全新的催化概念。自2000年以來，該領域的發展就像歷史上的“淘金熱”一樣火爆，而二人都在其中扮演了領銜角色。他們設計出了多種價格低廉、性能穩定的有機催化劑，可用于驅動多種化學反應的進行。
有機催化劑常常由簡單分子構成，并且在有些情況下，它們還可以進行“流水作業”，就像自然界中的酶一樣。此前，在化學生產過程中，必須對每種中間產物進行分離和提純，否則副產物就會過多。這就導致在化學構建過程中，每一步都會損失一部分物質。
相對來說，有機催化劑的容錯率則要高得多，生產過程中往往可以讓幾個環節連續進行、中間無需停頓。這叫做級聯反應，可以大大減少化學制造過程中造成的浪費。
番木鱉堿合成效率現在提高7000倍
有機催化如何導致更有效的分子結構的一個例子是合成天然且極其復雜的士的寧分子。許多人會從偵探女王阿加莎·克里斯蒂的書中認出番木鱉堿（也叫“馬錢子堿”）。 然而，對于化學家來說，番木鱉堿就像一個魔方：一個你想用盡可能少的步驟去解決的挑戰。
1952年，番木鱉堿首次被合成時，需要經過29次不同的化學反應，只有0.0009%的初始材料最終形成番木鱉堿。剩下的材料都浪費了。
2011年，研究人員能夠使用有機催化和級聯反應，僅以12個步驟合成番木鱉堿，生產效率提高了7000多倍。
有機催化在藥物生產中最最重要
有機催化對經常需要不對稱催化的藥物研究產生了重大影響。在化學家可以進行不對稱催化之前，許多制藥都包含一個分子的兩個鏡像。 其中一個是活躍的，而另一個有時會產生無用影響。一個災難性的例子是上世紀六十年代的反應停丑聞，其中反應停制藥的一個鏡像導致數千個發育中的人類胚胎嚴重畸形。
使用有機催化，研究人員現在可以相對簡單地制造大量不同的不對稱分子。例如，他們可以人工生產潛在的治療物質，否則這些質量物質只能從稀有植物或深海生物中少量分離。
在制藥公司，該方法還用于簡化現有藥物的生產。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。
簡單的想法往往最難想象
我們可以列出數千個如何使用有機催化的例子，但為什么沒有人更早地提出這種簡單、綠色又廉價的非對稱催化概念呢？這個問題有很多回答。 一是簡單的想法往往是最難想象的。我們的觀點被關于世界應該如何運作的強烈的先入之見所掩蓋，例如只有金屬或酶才能驅動化學反應的想法。Benjamin List和David MacMillan成功打破了這些先入之見，找到了一個巧妙的解決方案，來解決困擾了化學家們幾十年的問題。因此，有機催化劑現在正在為人類帶來極大的好處。
“掌”握科技鮮聞 （微信搜索techsina或掃描左側二維碼關注）
