本亞明·利斯特（左）和戴維·麥克米倫（右），圖源：諾貝爾獎官網(wǎng)

10月6日，2021年諾貝爾化學獎授予德國科學家本亞明·利斯特和美國科學家戴維·麥克米倫，以表彰他們對“不對稱有機催化”的發(fā)展所作出的貢獻。

諾獎委員會指出，兩位科學家為合成分子提供了一種巧妙的工具，可以利用這種不同于傳統(tǒng)的全新的工具來創(chuàng)造新的有機分子，他們的工作對藥物研究產(chǎn)生了巨大影響，并使化學更加符合綠色發(fā)展的趨勢。

諾貝爾化學獎曾一度被戲稱為“理科綜合獎”，因它獎勵過化學與生物、物理等交叉領域的成果。“這次的諾貝爾化學獎和以往相比，可以說是更純粹的諾貝爾化學獎?！闭憬髮W有機與藥物化學研究所所長陸展說，“這次諾獎回歸傳統(tǒng)化學，對我們化學領域的科研工作者來說是極大的激勵。”

圖源：諾貝爾獎官網(wǎng)

工業(yè)制造中往往會涉及一系列繁復的化學反應，為了提高生產(chǎn)效率，我們往往會采用“催化”來提高轉化效率、減少工業(yè)廢物，而催化劑是反應進行的導火索和助推器。正因為這些催化劑，人們才可以生產(chǎn)出例如藥品、塑料、香水等等日常生活所需的數(shù)千種不同物質。事實上，據(jù)估計，全球 GDP 總量的 35% 都以某種方式與化學催化有關。

陸展告訴記者，不對稱催化往往可以分為不對稱金屬催化、不對稱酶催化以及不對稱有機催化。事實上，早在2001年，三位科學家憑借“手性催化氫化及氧化反應”而獲得諾貝爾化學獎。三年前，又有三位科學家憑借“酶的定向演化以及用于多肽和抗體的噬菌體展示技術”也獲得了諾貝爾化學獎?？梢哉f，這次本亞明·利斯特和戴維·麥克米倫的獲獎也是在“情理之中”。

2000年，戴維·麥克米倫在思考金屬不對稱催化難以進行工業(yè)應用的問題時，他發(fā)現(xiàn)那些敏感金屬使用起來實在是太麻煩、太貴了。于是，他選擇了結構簡單，且廉價易設計的有機分子，在測試中，他發(fā)現(xiàn)有機分子發(fā)揮了優(yōu)秀的催化作用，其中一些有機分子在不對稱催化方面也表現(xiàn)出色。為了研究方便，戴維·麥克米倫用“有機催化（organocatalysis）”這一術語來描述該方法。

圖源：諾貝爾獎官網(wǎng)

另一位諾獎得主本亞明·利斯特在研究催化抗體（catalytic antibodies）期間開始思考酶的實際工作原理。在沒有任何預期的情況下，他測試了脯氨酸是否可以催化羥醛反應，這個簡單嘗試的結果出乎意料的好。通過實驗，本亞明·利斯特不僅證明脯氨酸是一種有效的催化劑，而且證明這種氨基酸可以驅動不對稱催化。2000 年 2 月，他發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，并將有機分子參與的不對稱催化描述為一個充滿機會的新概念：“對這些催化劑的設計和篩選是我們未來的目標之一”。

圖源：諾貝爾獎官網(wǎng)

有機催化劑使用的迅速擴大主要是由于其驅動不對稱催化的能力。當分子形成時，通常會出現(xiàn)兩種不同的分子形成的情況，就像人體的左右手一樣，互為鏡像。然而在工業(yè)生產(chǎn)，特別是藥物生產(chǎn)時，通常只需要其中的一種，僅“左手”或者“右手”。不對稱有機催化中的“不對稱”意味著可識別，也就是能夠識別“左手”或者“右手”，即選擇需要的分子情況；而“有機催化”則意味著有機分子成為了催化劑，利用有機分子有選擇地對分子進行催化反應。

那么，不對稱有機催化有何獨特之處呢？陸展解釋道，在藥物分子合成的過程中，以往會使用高效的不對稱金屬催化，盡管作為催化劑的金屬用量很少，但仍存在一定的貴金屬殘留，為此，藥廠往往還需要花高額代價對藥物進行提純。而采用有機催化時，不含有金屬，也就不存在這一問題。因此，區(qū)別于金屬和酶催化，有機催化具有低毒，對人體和環(huán)境友好的特性?！俺俗酝猓袡C催化還有使用、存儲及放大的技術難度較低，且可依據(jù)催化機理將反應的普適類型做迭代設計，具有較高的可預測性等優(yōu)勢。當然，它在催化活性和工作效率方面還有提升的空間?！标懻拐f。

揭曉現(xiàn)場，諾貝爾化學委員會主席約翰·奧克維斯特說:“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想到它?！逼鋵崳呋恢倍荚?，巧妙地改變著我們的生活，正如科學家們探索的步伐，將一個個“催化反應”為己所用，“催化”著科學技術不斷向前。