2021年10月6日 本亚明·利斯特(左)与戴维·麦克米伦分享2021年诺贝尔化学奖

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2021年10月6日,瑞典皇家科学院宣布,将2021年诺贝尔化学奖授予两名科学家本亚明·利斯特(Benjamin List)和戴维·麦克米伦(David W.C. MacMillan),以表彰他们在发展不对称有机催化中的贡献。

2021年10月6日,在瑞典斯德哥尔摩举行的2021年诺贝尔化学奖公布现场,屏幕上显示奖项得主本亚明·利斯特(左)与戴维·麦克米伦的照片。(新华社发,魏学超摄)
2021年10月6日,在瑞典斯德哥尔摩举行的2021年诺贝尔化学奖公布现场,屏幕上显示奖项得主本亚明·利斯特(左)与戴维·麦克米伦的照片。

利斯特(Benjamin List)1968年出生于德国法兰克福,现任德国马克斯-普朗克煤炭研究所所长;麦克米伦(David W.C. MacMillan)1968年出生于英国贝尔斯希尔,现任美国普林斯顿大学教授。瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松当天在皇家科学院会议厅公布了获奖者名单及主要成就。他说,今年的获奖研究成果是“构建分子的巧妙工具”。

瑞典皇家科学院在当天发表的新闻公报中说,构建分子是“一门困难的艺术”。利斯特和麦克米伦因开发出一种精确的分子构建工具——不对称有机催化而获奖,他们的成果对药物研究产生了巨大影响,并使化学更加“绿色”。

公报说,许多科研领域和工业行业都依赖于化学家构建分子的能力,而构建分子需要催化剂来控制和加速化学反应。例如,汽车里的催化剂可以将排放废气中的有毒物质转化为无害分子;我们体内也有数以千计的催化剂,这就是能帮助生成生命必需分子的酶。

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只有金属和酶这两类催化剂可用。利斯特和麦克米伦在2000年各自独立开发出了第三类催化剂,它建立在有机小分子基础上,被称为不对称有机催化剂,它们驱动的反应就是不对称有机催化。

2021年诺贝尔化学奖奖项得主本亚明·利斯特(左)与戴维·麦克米伦的画像

据介绍,有机催化剂拥有一个稳定的碳原子骨架,使得更活泼的化学基团可以附着在上面。有机催化剂的其他元素是常见的氧、氮、硫或磷,这意味着它既环保又廉价。

有机催化剂的迅速广泛应用主要是由于它们能驱动“不对称催化反应”,合成手性分子。手性分子是指两种分子在成分上完全一样,但空间结构彼此互为镜像,好比人的左手和右手。互为手性的分子特性可能有很大差异,化学家通常只需要其中一种,尤其是在生产药品时。这就需要用不对称有机催化来选择性地合成分子。

2000年以来有机催化发展速度惊人,利斯特和麦克米伦一直是该研究领域的领导者。他们的研究成果表明,有机催化剂可用于驱动多种化学反应,通过这些反应可以有效合成多种分子,包括新药物分子、在太阳能电池中捕获光的分子等,为人类带来巨大益处。

两名科学家将平分1000万瑞典克朗(约合115万美元)奖金。利斯特在发布会现场的电话连线中表示自己获奖很意外。他形容收到获奖消息所感时说:“很难描述,这是一个我永远不会忘记的特殊时刻。”


许多分子以两种变体存在,其中一种的结构是另一种的镜像,它们通常会对人类机体产生完全不同的影响。例如,柠烯(limonene)分子中的一种具有柠檬香味,而其镜像分子的味道则像橙子。

构建分子是一门困难的艺术。Benjamin List 和 David MacMillan 因开发出一种精确的分子构建新工具:有机催化而获得 2021 年诺贝尔化学奖。这对药物研究产生了巨大影响,并使化学更加绿色。

许多研究领域和行业都依赖于化学家构建分子的能力,这些分子可以形成弹性和耐用的材料,将能量储存在电池中或抑制疾病的进展。这项工作需要催化剂,催化剂是控制和加速化学反应的物质,但不会成为最终产品的一部分。例如,汽车中的催化剂将废气中的有毒物质转化为无害分子。我们的身体还包含数以千计的酶形式的催化剂,它们可以分解出生命所必需的分子。

1-酶由数百个氨基酸构成,但与化学反应相关的往往只是其中的极少数氨基酸。本亚明·利斯特开始思考,想获得一种催化剂,是否一定需要完整的酶?
2-本亚明·利斯特测试了一种名为脯氨酸的氨基酸是否能够催化化学反应。尽管很简单,但脯氨酸的催化十分有效。脯氨酸的一个氮原子能够在化学反应中提供或容纳电子。

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,原则上只有两种催化剂可用:金属和酶。Benjamin List和David MacMillan被授予 2021 年诺贝尔化学奖,因为他们在 2000 年独立开发了第三种催化剂。它被称为不对称有机催化并建立在小有机分子上。

“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更早地想到它,”诺贝尔化学委员会主席 Johan Åqvist 说。

有机催化剂有一个稳定的碳原子骨架,更活泼的化学基团可以附着在上面。这些通常含有常见元素,如氧、氮、硫或磷。这意味着这些催化剂既环保又生产成本低廉。

1-戴维·麦克米伦曾研究的金属催化剂极易被湿度破坏。他由此开始思考,是否存在开发一种更加耐久的催化剂的可能性。
2-他设计了一些能够生成亚胺离子的简单的分子,其中之一被证明在不对称催化中表现优异。

有机催化剂应用的迅速扩展主要是由于它们能够驱动不对称催化。在构建分子时,经常会出现两种不同的分子可以形成的情况,就像我们的手一样,它们是彼此的镜像。化学家通常只需要其中一种,尤其是在生产药品时。

自 2000 年以来,有机催化以惊人的速度发展。Benjamin List 和 David MacMillan 仍然是该领域的领导者,并表明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有效地构建任何东西,从新药物到可以在太阳能电池中捕获光的分子。通过这种方式,有机催化剂正在为人类带来最大的好处。


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