本亞明·利斯特（左）和戴維·麥克米倫（右），圖源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)

10月6日，2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)科學(xué)家本亞明·利斯特和美國(guó)科學(xué)家戴維·麥克米倫，以表彰他們對(duì)“不對(duì)稱有機(jī)催化”的發(fā)展所作出的貢獻(xiàn)。

諾獎(jiǎng)委員會(huì)指出，兩位科學(xué)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(jī)分子，他們的工作對(duì)藥物研究產(chǎn)生了巨大影響，并使化學(xué)更加符合綠色發(fā)展的趨勢(shì)。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)曾一度被戲稱為“理科綜合獎(jiǎng)”，因它獎(jiǎng)勵(lì)過化學(xué)與生物、物理等交叉領(lǐng)域的成果。“這次的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)和以往相比，可以說是更純粹的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。”浙江大學(xué)有機(jī)與藥物化學(xué)研究所所長(zhǎng)陸展說，“這次諾獎(jiǎng)回歸傳統(tǒng)化學(xué)，對(duì)我們化學(xué)領(lǐng)域的科研工作者來說是極大的激勵(lì)。”

圖源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)

工業(yè)制造中往往會(huì)涉及一系列繁復(fù)的化學(xué)反應(yīng)，為了提高生產(chǎn)效率，我們往往會(huì)采用“催化”來提高轉(zhuǎn)化效率、減少工業(yè)廢物，而催化劑是反應(yīng)進(jìn)行的導(dǎo)火索和助推器。正因?yàn)檫@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(zhì)。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，全球 GDP 總量的 35% 都以某種方式與化學(xué)催化有關(guān)。

陸展告訴記者，不對(duì)稱催化往往可以分為不對(duì)稱金屬催化、不對(duì)稱酶催化以及不對(duì)稱有機(jī)催化。事實(shí)上，早在2001年，三位科學(xué)家憑借“手性催化氫化及氧化反應(yīng)”而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。三年前，又有三位科學(xué)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(shù)”也獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。可以說，這次本亞明·利斯特和戴維·麥克米倫的獲獎(jiǎng)也是在“情理之中”。

2000年，戴維·麥克米倫在思考金屬不對(duì)稱催化難以進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的問題時(shí)，他發(fā)現(xiàn)那些敏感金屬使用起來實(shí)在是太麻煩、太貴了。于是，他選擇了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且廉價(jià)易設(shè)計(jì)的有機(jī)分子，在測(cè)試中，他發(fā)現(xiàn)有機(jī)分子發(fā)揮了優(yōu)秀的催化作用，其中一些有機(jī)分子在不對(duì)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(jī)催化（organocatalysis）”這一術(shù)語來描述該方法。

圖源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)

另一位諾獎(jiǎng)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(shí)際工作原理。在沒有任何預(yù)期的情況下，他測(cè)試了脯氨酸是否可以催化羥醛反應(yīng)，這個(gè)簡(jiǎn)單嘗試的結(jié)果出乎意料的好。通過實(shí)驗(yàn)，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(qū)動(dòng)不對(duì)稱催化。2000 年 2 月，他發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，并將有機(jī)分子參與的不對(duì)稱催化描述為一個(gè)充滿機(jī)會(huì)的新概念：“對(duì)這些催化劑的設(shè)計(jì)和篩選是我們未來的目標(biāo)之一”。

圖源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)

有機(jī)催化劑使用的迅速擴(kuò)大主要是由于其驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱催化的能力。當(dāng)分子形成時(shí)，通常會(huì)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(shí)，通常只需要其中的一種，僅“左手”或者“右手”。不對(duì)稱有機(jī)催化中的“不對(duì)稱”意味著可識(shí)別，也就是能夠識(shí)別“左手”或者“右手”，即選擇需要的分子情況；而“有機(jī)催化”則意味著有機(jī)分子成為了催化劑，利用有機(jī)分子有選擇地對(duì)分子進(jìn)行催化反應(yīng)。

那么，不對(duì)稱有機(jī)催化有何獨(dú)特之處呢？陸展解釋道，在藥物分子合成的過程中，以往會(huì)使用高效的不對(duì)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(jià)對(duì)藥物進(jìn)行提純。而采用有機(jī)催化時(shí)，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(jī)催化具有低毒，對(duì)人體和環(huán)境友好的特性?！俺俗酝猓袡C(jī)催化還有使用、存儲(chǔ)及放大的技術(shù)難度較低，且可依據(jù)催化機(jī)理將反應(yīng)的普適類型做迭代設(shè)計(jì)，具有較高的可預(yù)測(cè)性等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)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(chǎng)，諾貝爾化學(xué)委員會(huì)主席約翰·奧克維斯特說:“催化的概念既簡(jiǎn)單又巧妙，事實(shí)上，許多人都想知道為什么我們沒有更早地想到它。”其實(shí)，催化一直都在，巧妙地改變著我們的生活，正如科學(xué)家們探索的步伐，將一個(gè)個(gè)“催化反應(yīng)”為己所用，“催化”著科學(xué)技術(shù)不斷向前。