2011诺贝尔化学奖，干货看这篇!大道至简！2021年诺贝尔化学奖揭晓

本杰明·李斯特（左）和大卫·麦克米兰（右）

构建分子的巧妙工具

构建分子是一门高难度艺术。本杰明·李斯特和大卫・麦克米兰却创建了一套能精确构建分子的全新工具——有机催化。这一创举带给药物研究以深远影响，也让化学变得更加绿色环保。

许多研究领域和产业都仰仗化学家的分子构建能力。这些分子能形成弹性和耐用的材料，也可将能量储存于电池里，或抑制疾病的发展。李斯特和麦克米兰的分子构建工作需要催化剂；催化剂是控制和加速化学反应却又不会进入最终产物的物质，例如汽车中的催化剂负责将废气里的有毒物质转化为无害分子，我们的身体内也包含大量酶形式的催化剂，它们能催化分解得到生命所必需的分子。

因此，催化剂是化学家的基本工具，但研究人员长期以来认为，原则上我们只有两种催化剂可用：金属和酶。李斯特和麦克米兰之所以被授予今年的诺贝尔化学奖，是因为他们在2000年独立研发了第三种催化剂——它基于有机小分子，被称为不对称有机催化。

诺贝尔化学委员会主席约翰·阿奎斯特（Johan Åqvist）如此说道：“这个催化概念既简单又巧妙，事实上很多人都想知道为什么我们没有早点想到它。”

有机催化剂有一个稳定的碳原子框架，可附着更活泼的化学基团；这些基团通常含有氧、氮、硫或磷等常见元素。这意味着这些催化剂既环保，又生产成本低廉。

有机催化剂迅速得到化学家们的广泛使用，主要原因在于它们能够驱动不对称催化。在构建分子过程中，经常出现手性分子。手性分子在化学结构上镜像对称而又不能完全重合，就像我们的左手和右手，不过化学家通常（尤其是在生产药品）只需要其中一种。

自2000年以来，有机催化以惊人的速度发展。李斯特和麦克米兰仍然是该领域的领头人。他们也证明了有机催化剂可用于驱动多种化学反应。利用这些反应，研究人员现在可以更高效地构建很多东西——从新药物到能在太阳能电池中捕获光的分子。有机催化剂正以这种方式为人类服务。

那么，为什么恰是这两位化学家解决了这个问题的呢？回顾有机催化剂的发现过程或许能给我们一些启发。

催化剂加速化学反应

19世纪，当化学家开始探索不同化学物质相互反应的方式时，他们发现了催化现象。例如，如果将银放入装有过氧化氢的烧杯中，过氧化氢会突然开始分解为水和氧气。1835年，著名的瑞典化学家雅各布·贝采里乌斯（Jacob Berzelius）称这种现象为催化作用。

自贝采里乌斯发现催化作用以来，化学家发现越来越多促进催化作用的催化剂。2000年之前发现的所有催化剂都属于两类：要么是金属，要么是酶。

金属通常是极好的催化剂，但它们对氧气和水非常敏感，因此，要使其发挥作用，它们需要一个没有氧气和水的环境。这导致其在大型工业生产中难以推广使用。此外，许多金属催化剂都是重金属，对环境有害。

第二种形式的催化剂由称为酶的蛋白质组成。所有生物都有成千上万种不同的酶来驱动生命所必需的化学反应。许多酶是不对称的，并且常伴有镜像：当一种酶完成反应时，另一种酶接管。也恰是通过这种方式，他们可以以惊人的精度构建复杂的分子，例如胆固醇、叶绿素或称为“士的宁”（strychnine）的毒素。

由于酶是如此高效，20世纪90 年代，研究人员试图开发新的酶变体来驱动人类所需的化学反应。加利福尼亚州南部的斯克里普斯研究所一个研究团队也致力于这样的研究——李斯特正在其中从事博士后工作。

本杰明·李斯特跳出了思维定势…

本杰明·李斯特没有固化在同行的研究思路里。他开始思考酶的实际工作原理。

酶通常是由数百种氨基酸构成，除此以外，很大一部分酶还含有助推反应的金属，同有许多酶在没有金属的情况下也能催化反应——由酶中的一个或几个单独的氨基酸驱动的。那么问题来了：酶实现催化作用，只有氨基酸是否就可以？或者单个氨基酸或其他类似的简单分子也可以实现催化效果？

20世纪70年代时，已有研究发现脯氨酸（proline）具有催化作用。为什么后来研究人员不继续研究这个催化剂，李斯特不得而知。但在亲自动手测试了脯氨酸是否可以催化羟醛反应时，他惊讶发现效果惊人。

通过实验，李斯特不仅证明脯氨酸是一种有效的催化剂，而且证明这种氨基酸可以驱动不对称催化。（在两个镜像分子中，其中一个比另一个更常见。）

与金属和酶相比，脯氨酸是化学家梦寐以求的工具，它是一种非常简单、廉价且环保的分子。李斯特在2000 年2 月公布了这一研究发现。

无独有偶，大卫·麦克米伦也在朝着同样的目标努力。

大卫·麦克米兰将敏感金属抛在脑后……

通过金属改进不对称催化引起当时研究人员的大量关注，但大卫・麦克米兰认为开发的催化剂很难推广应用：敏感金属（sensitive metals）不好用还贵；在实验室中实现一些金属催化作用所要求的无氧无水条件相对简单，但应用在大规模的工业制造时就显得太复杂了。

他认为需要开发真正有用的化学工具，是时候把金属抛掷脑后了。他开始设计简单的有机分子——可以像金属一样暂时提供或容纳电子。他把注意力放到了有机分子上。它们具有稳定的碳原子框架；活性化学基团连接到这个碳骨架上，它们通常含有氧、氮、硫或磷。因此，有机分子由简单和常见的元素组成，但根据它们的组合方式，它们可能具有复杂的特性。

大卫・麦克米兰知道要使有机分子催化他感兴趣的反应，它需要能够形成亚胺离子——它包含一个氮原子，它对电子具有固有的亲和力。

他选择了几种具有目标特征的有机分子，然后测试了它们的能力。正如他所期望的那样，它们发挥了出色的作用。一些有机分子在不对称催化方面也表现出色。（在两个可能的镜像中，其中一个占产品的90% 以上）。

事实上，研究人员之前已经成功地使用有机小分子催化化学反应，但这些研究太少，似乎没有人意识到这种方法可以推广。

大卫・麦克米兰希望找到一个术语来描述他发现的方法，以便其他研究人员发现更多这样的催化剂，他的选择了“有机催化”。

2000 年 1 月，就在李斯特发表成果之前，大卫・麦克米兰提交了他的手稿，并指出：“我们引入了一种新的有机催化策略，我们预计该策略将适用于一系列不对称转化。”

自此以后，有机催化的应用和发展由李斯特和麦克米兰引领，他们设计了大量廉价且稳定的有机催化剂。

有机催化不仅简单还高效

有机催化剂通常由简单的分子组成，且能实现级联反应，可以显着减少化学制造中的浪费。

例如：1952 年首次合成士的宁时，需要经过29 种不同的化学反应，但最终生成的“士的宁”只有原材料的0.0009%，其他的就浪费了。2011年，研究人员能够使用有机催化和级联反应通过12步生成士的宁，生产效率提高了7000 倍。

有机催化对经常需要不对称催化的药物研究产生了重大影响。在化学家可以进行不对称催化之前，许多药物都包含一个分子的两个镜像。其中一个是活跃的，而另一个有时会产生不良影响。使用有机催化，研究人员现在可以相对简单地制造大量不同的不对称分子。对于制药公司而言，该方法还用于简化现有药物的生产。

最简单的往往最难触及…

为什么没有人能更早地提出这种简单、绿色和廉价的非对称催化的想法？这个问题有很多答案，但不得不提其中一种解释，即过于稀松平常的想法往往很难激发人们的想象，人们常被之前已经形成的观点所左右，就像“只有金属或酶才能驱动化学反应”一样。而李斯特和麦克米兰成功地跳出了当时的“科学定论”，巧妙解决化学家数十年来一直在努力解决的问题。

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资料来源：

Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2021

Nobel Prize in chemistry honors tool to build molecules