2021 年诺贝尔化学奖得主ღ★ღღ：德国科学家本亚明·利斯特（Benjamin List）和美国科学家戴维·麦克米伦（David MacMillan）

　　任副教授ღ★ღღ，随后加入马克斯·普朗克煤炭研究所ღ★ღღ。利斯特目前还担任德国科隆大学荣誉教授ღ★ღღ。他曾于2009年获得

　　从事博士后研究ღ★ღღ。1998 年-2006 年先后在美国加利福尼亚大学伯克利分校ღ★ღღ、加州理工学院任教ღ★ღღ。2006 年加入普林斯顿大学ღ★ღღ。他曾获得 2004 年英国皇家化学会 Corday-Morgan 奖章ღ★ღღ、2015 年 Harrison Howe 奖ღ★ღღ、2017 年野依良治奖等多个化学领域奖项ღ★ღღ，同时还是英国皇家化学会旗下著名期刊

　　化学家可以将小的化学构件连接在一起ღ★ღღ，以此创造新分子ღ★ღღ，但控制看不见的化合底物ღ★ღღ，并令它们以所需的方式结合是非常困难的ღ★ღღ。本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦因开发了有机催化

　　这种全新而巧妙的分子构建工具荣获 2021 年诺贝尔化学奖ღ★ღღ，这一工具不仅可以被用来研发新药ღ★ღღ，还能让化学更环保ღ★ღღ。

　　工业界和学界的许多领域都依赖于化学家构建新型功能性分子的能力ღ★ღღ。这些新型分子可以用在任何领域ღ★ღღ：在太阳能电池中捕获光ღ★ღღ，或在电池中扮演储能角色ღ★ღღ；既可以用来制造轻便跑鞋ღ★ღღ，也能抑制机体疾病进程ღ★ღღ。

　　然而王梦溪 1.08ღ★ღღ，如果将大自然催生化学反应的能力与我们自己的能力进行比较ღ★ღღ，我们就会发现ღ★ღღ，人类像是一直处于石器时代一样停滞不前ღ★ღღ。演化已经造就了极其特殊的工具——酶王梦溪 1.08ღ★ღღ，用于构建赋予生命形状ღ★ღღ、颜色和功能的分子复合物ღ★ღღ。化学家们最初将这些化学杰作分离出来时ღ★ღღ，他们只能对演化投以钦佩的目光ღ★ღღ，而他们自己用来构建分子的工具箱里的锤子和凿子既粗钝又不可靠ღ★ღღ。因此ღ★ღღ，当他们复制大自然的产物时ღ★ღღ，往往会得到很多不需要的副产品ღ★ღღ。

　　化学家向工具箱里添加的每一种新工具ღ★ღღ，都提高了我们构建分子的精度ღ★ღღ。科学家非常缓慢但切实地将化学从凿刻石头发展成为了一门更加精细的工艺ღ★ღღ。这对人类有很大好处ღ★ღღ，其中一些工具已获得了诺贝尔化学奖ღ★ღღ。

　　图 2 ღ★ღღ：许多分子以两种变体存在ღ★ღღ，其中一种的结构是另一种的镜像ღ★ღღ，它们通常会对人类机体产生完全不同的影响ღ★ღღ。例如ღ★ღღ，柠烯（limonene）分子中的一种具有柠檬香味ღ★ღღ，而其镜像分子的味道则像橙子ღ★ღღ。

　　2021 年诺贝尔化学奖表彰的发现ღ★ღღ，将人类构建分子的工作提升到了一个全新的水平ღ★ღღ。它不仅使化学更加环保ღ★ღღ，而且使合成不对称分子变得更加容易ღ★ღღ。在构建化合物的过程中ღ★ღღ，我们经常会得到两个结构互为镜像的分子ღ★ღღ，就像我们的双手一样ღ★ღღ。化学家通常只想要其中的一个——尤其是在生产药物时ღ★ღღ，但他们很难找到有效的方法ღ★ღღ。本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦开发的“不对称有机催化”既简单又精彩ღ★ღღ。事实上ღ★ღღ，很多人都奇怪为什么我们没有早点想到它ღ★ღღ。

　　到底是为什么？这不是一个容易回答的问题ღ★ღღ，但在我们尝试之前ღ★ღღ，须要快速回顾一下历史ღ★ღღ。我们将定义“催化”

　　19 世纪ღ★ღღ，当化学家开始探索不同化学物质与彼此发生反应的方式时ღ★ღღ，他们有了一些奇异的发现ღ★ღღ。例如ღ★ღღ，如果他们将银放入装有过氧化氢

　　ღ★ღღ，但触发这一过程的银似乎完全没有受到反应的影响ღ★ღღ。同样地ღ★ღღ，从发芽的谷物中获取的一种物质ღ★ღღ，可以将淀粉分解成葡萄糖ღ★ღღ。

　　的年度报告中ღ★ღღ，他描述了一种可以“产生化学活性”的新型“力”ღ★ღღ。他列举了好些例子ღ★ღღ，在这些实例中ღ★ღღ，一种物质只要“到场”ღ★ღღ，就能开启化学反应ღ★ღღ，说明这似乎是一种比此前想象中要普遍得多的现象ღ★ღღ。他认为该物质具有催化力

　　自贝采利乌斯之后ღ★ღღ，不计其数的水流从实验化学家的反应器中穿过ღ★ღღ，他们发现了许多可以分解分子ღ★ღღ，或将它们组装在一起的催化剂ღ★ღღ。多亏这些催化剂ღ★ღღ，人们现在才可以生产日常生活中使用的数千种不同的物质ღ★ღღ，例如药品ღ★ღღ、塑料ღ★ღღ、香水和食用香精ღ★ღღ。事实上ღ★ღღ，据估计ღ★ღღ，全球 GDP 总量的 35% 都以某种方式与化学催化有关ღ★ღღ。

　　原则上ღ★ღღ，在 21 世纪之前ღ★ღღ，我们发现的所有催化剂都分属于两大类ღ★ღღ，它们要么是金属ღ★ღღ，要么是酶ღ★ღღ。金属通常是极好的催化剂ღ★ღღ，因为它们有一种特殊能力ღ★ღღ，可以在化学过程中暂时容纳电子王梦溪 1.08ღ★ღღ，或将电子提供给其他分子ღ★ღღ。这有助于松化分子中原子之间的键ღ★ღღ，原本很牢固的化学键可能被破坏ღ★ღღ，并形成新的键ღ★ღღ。

　　然而凯发k8官网登录vipღ★ღღ，一些金属催化剂的问题是ღ★ღღ，它们对氧气和水非常敏感ღ★ღღ，因而只能在没有氧气和水的环境下发挥作用ღ★ღღ，而这在大型工业中难以实现ღ★ღღ。此外ღ★ღღ，许多金属催化剂都是重金属王梦溪 1.08ღ★ღღ，对环境有害ღ★ღღ。

　　第二大类的催化剂由一种叫做酶的蛋白质构成ღ★ღღ。所有的生物体内都有成千上万种不同的酶ღ★ღღ，以驱动生命所必需的化学反应ღ★ღღ。许多酶是不对称催化的专家ღ★ღღ，并且原则上来说它们总能催化产生两种镜像分子中的某一种ღ★ღღ。酶也总是协同工作ღ★ღღ，当一种酶完成反应时凯发k8官网登录vipღ★ღღ，另一种酶就会接手之后的反应ღ★ღღ。通过这种方式ღ★ღღ，酶可以以惊人的精度构建复杂的分子ღ★ღღ，例如胆固醇ღ★ღღ、叶绿素ღ★ღღ，或是被称作士的宁

　　由于酶是如此有效的催化剂凯发k8官网登录vipღ★ღღ，20 世纪 90 年代的研究人员试图开发新的酶变体ღ★ღღ，来驱动人类所需的化学反应ღ★ღღ。其中一个团队来自美国加利福尼亚州南部的斯克里普斯研究所

　　领导ღ★ღღ，而当今年诺贝尔化学奖背后的那个绝妙的点子诞生之时ღ★ღღ，本亚明·利斯特是巴尔巴斯团队中的博士后ღ★ღღ。

　　本亚明·利斯特的研究对象是催化抗体ღ★ღღ。一般来说ღ★ღღ，抗体会附着在人体中的外来病毒或细菌上ღ★ღღ。但斯克里普斯研究所的科学家对其进行了重新设计ღ★ღღ，使它们能够驱动化学反应ღ★ღღ。

　　在研究催化抗体的过程中ღ★ღღ，本亚明对酶的实际工作方式展开了思考ღ★ღღ。酶通常是由数百个氨基酸构成的大分子ღ★ღღ，除了这些氨基酸外ღ★ღღ，酶还有相当一部分结构中含有帮助驱动化学过程的金属ღ★ღღ。但问题的关键就在此处ღ★ღღ，许多酶并不依靠金属的帮助来催化化学反应ღ★ღღ。恰恰相反ღ★ღღ，反应是靠这些酶中的一个或几个单独的氨基酸驱动的ღ★ღღ。本亚明跳出了既有的思维定式ღ★ღღ，提出了一个问题ღ★ღღ：氨基酸必须作为酶的一部分ღ★ღღ，才能催化化学反应吗？单个氨基酸ღ★ღღ，或类似的其它简单分子ღ★ღღ，是否也能起到相同的作用？

　　的氨基酸作为催化剂——但那是至少 25 年前的事情了ღ★ღღ。如果脯氨酸当真是一种有效的催化剂ღ★ღღ，应该会有人继续研究它吧？

　　本亚明或多或少是这么想的ღ★ღღ：没有人继续研究这一现象ღ★ღღ，是因为它并不是十分有效ღ★ღღ。在不抱任何实际希望的情况下ღ★ღღ，他对脯氨酸是否能催化两个不同分子的碳原子相结合的羟醛缩合反应进行了测试ღ★ღღ。令人惊讶的是ღ★ღღ，这次简单的尝试ღ★ღღ，立刻获得了成功ღ★ღღ。

　　图 3ღ★ღღ：1-酶由数百个氨基酸构成ღ★ღღ，但与化学反应相关的往往只是其中的极少数氨基酸ღ★ღღ。本亚明·利斯特开始思考ღ★ღღ，想获得一种催化剂ღ★ღღ，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凯发k8官网登录vipღ★ღღ。尽管很简单ღ★ღღ，但脯氨酸的催化十分有效ღ★ღღ。脯氨酸的一个氮原子能够在化学反应中提供或容纳电子ღ★ღღ。

　　与那之前测试了脯氨酸催化剂的研究者不同ღ★ღღ，本亚明·利斯特弄清了脯氨酸的巨大潜力ღ★ღღ。与金属和酶相比ღ★ღღ，脯氨酸是化学家梦寐以求的工具王梦溪 1.08王梦溪 1.08ღ★ღღ。它是一种十分简单ღ★ღღ、廉价且对环境友好的分子ღ★ღღ。在 2000 年 2 月发表这一发现时ღ★ღღ，利斯特描述了有机分子不对称催化这一潜力巨大的全新概念ღ★ღღ：“这些催化剂的设计和筛选是我们未来的目标之一ღ★ღღ。”

　　不过ღ★ღღ，这些研究并非只有他一个人在做ღ★ღღ。在美国加利福尼亚北部的一个实验室里ღ★ღღ，戴维·麦克米伦也在朝着相同的目标努力ღ★ღღ。

　　上面故事发生的两年前ღ★ღღ，戴维·麦克米伦离开哈佛大学凯发k8官网登录vipღ★ღღ，加入了加利福尼亚大学伯克利分校ღ★ღღ。在哈佛ღ★ღღ，他曾致力于利用金属改进不对称催化ღ★ღღ。这个领域吸引了大量研究人员的注意力ღ★ღღ，但戴维·麦克米伦发现ღ★ღღ，开发出的金属催化剂极少在工业中得到应用ღ★ღღ。他开始思考原因ღ★ღღ，并认定ღ★ღღ，敏感金属的应用太过复杂ღ★ღღ、昂贵ღ★ღღ。在实验室中实现某些金属催化剂所需的无氧和无水条件相对容易ღ★ღღ，但在大规模工业生产中实现这种条件是十分复杂的ღ★ღღ。

　　他总结认为ღ★ღღ，自己有必要重新思考正在开发的化学工具是否有用ღ★ღღ。因此ღ★ღღ，在加入伯克利时ღ★ღღ，他把金属留在了身后ღ★ღღ。

　　与金属相反ღ★ღღ，戴维·麦克米伦开始开发一种简单的有机分子ღ★ღღ。它能够像金属一样暂时提供或容纳电子ღ★ღღ。这里我们需要对有机分子——简言之ღ★ღღ，所有生物的构成分子——给出定义ღ★ღღ。有机分子有一个稳定的碳原子骨架ღ★ღღ，活性化学基团附着在碳骨架上ღ★ღღ，通常含有氧ღ★ღღ、氮ღ★ღღ、硫或磷ღ★ღღ。

　　有机分子由简单的常见元素构成ღ★ღღ，但根据构成方式的不同ღ★ღღ，它们可能具有复杂的性质王梦溪 1.08ღ★ღღ。戴维·麦克米伦的化学知识告诉他ღ★ღღ，若要有机分子催化他感兴趣的反应ღ★ღღ，它必须能够形成亚胺离子ღ★ღღ。它包含氮原子ღ★ღღ，对电子有亲和力ღ★ღღ。

　　他选择了几种具有所需性质的有机分子ღ★ღღ，测试了它们驱动 Diels-Alder 反应的能力ღ★ღღ。化学家们用这种反应来构建碳原子环ღ★ღღ。正如他所期望和相信的ღ★ღღ，这些分子的催化作用十分出色ღ★ღღ。一些有机分子在不对称催化上也表现优异王梦溪 1.08ღ★ღღ。在两种可能的镜像异构产物中ღ★ღღ，其中一种占到了 90% 以上ღ★ღღ。

　　图 4ღ★ღღ：1-戴维·麦克米伦曾研究的金属催化剂极易被湿度破坏ღ★ღღ。他由此开始思考ღ★ღღ，是否存在开发一种更加耐久的催化剂的可能性ღ★ღღ。

　　当戴维·麦克米伦准备发表结果时ღ★ღღ，他意识到他发现的催化概念需要一个名字ღ★ღღ。事实上ღ★ღღ，此前已经有研究人员成功地使用有机小分子催化化学反应ღ★ღღ，但这些都是孤立案例ღ★ღღ，没有人意识到这种方法可以推广ღ★ღღ。

　　戴维·麦克米伦想找到一个术语来描述该方法ღ★ღღ，以便其他研究人员了解还有更多的有机催化剂等待发现ღ★ღღ。他的选择是有机催化

　　2000 年 1 月ღ★ღღ，就在本亚明·利斯特发表他的发现之前ღ★ღღ，戴维·麦克米伦向科学期刊提交了他的手稿ღ★ღღ。他在论文导语中宣布ღ★ღღ：“在此ღ★ღღ，我们引入了一种新的有机催化策略ღ★ღღ，我们预计该策略将适用于一系列不对称转化ღ★ღღ。”

　　本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦各自独立地发现了一个全新的催化概念ღ★ღღ。自 2000 年以来ღ★ღღ，该领域的发展几乎像一场淘金热ღ★ღღ，其中利斯特和麦克米伦保持领先地位ღ★ღღ。他们设计了大量廉价且稳定的有机催化剂ღ★ღღ，可用于驱动各种各样的化学反应ღ★ღღ。

　　有机催化剂不仅通常由简单分子组成ღ★ღღ，在某些情况下还可以应用于流水线ღ★ღღ，就像自然界的酶一样ღ★ღღ。过去在化工生产过程中ღ★ღღ，需要对每个中间产品进行分离纯化ღ★ღღ，否则会产出过多的副产品ღ★ღღ。这导致在化学合成的每个步骤中都会丢失一些物质ღ★ღღ。

　　有机催化剂的宽容度要高得多ღ★ღღ，因为相对而言ღ★ღღ，在更多的情况下ღ★ღღ，生产过程中的几个步骤可以连续执行ღ★ღღ。这称为级联反应

　　体现有机催化如何让化学合成更高效的一个例子ღ★ღღ，就是合成天然存在且极其复杂的士的宁分子ღ★ღღ。许多人从“谋杀小说女王“阿加莎·克里斯蒂

　　的书中知道了士的宁ღ★ღღ。然而ღ★ღღ，对于化学家来说ღ★ღღ，士的宁就像一个魔方ღ★ღღ：一个你想用尽可能少的步骤解决的挑战ღ★ღღ。

　　1952 年士的宁被首次合成时ღ★ღღ，它需要 29 次不同的化学反应ღ★ღღ，只有 0.0009% 的初始材料合成了士的宁ღ★ღღ。剩下的就浪费了ღ★ღღ。

　　到 2011 年ღ★ღღ，研究人员能够使用有机催化和级联反应ღ★ღღ，仅用 12 步就合成了士的宁ღ★ღღ，并且生产过程的效率提高了 7000 倍ღ★ღღ。

　　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ღ★ღღ。在化学家实现不对称催化之前ღ★ღღ，许多药物都包含一个分子的两个镜像ღ★ღღ，其中一个是具有疗效的ღ★ღღ，而另一个有时会产生不良影响ღ★ღღ。一个灾难性的例子是 1960 年代的沙利度胺

　　如今ღ★ღღ，使用有机催化ღ★ღღ，研究人员得以通过相对简单的方式大量制造多种不对称分子ღ★ღღ。例如ღ★ღღ，他们可以人工合成候选药物成分ღ★ღღ，而这些成分原本只能从稀有植物或深海生物中少量提取ღ★ღღ。

　　我们可以列出数千个有机催化应用案例ღ★ღღ，但为什么没有人更早地提出这种简单ღ★ღღ、绿色和廉价的非对称催化概念？这个问题有很多答案ღ★ღღ。其一是简单的想法往往最难想象ღ★ღღ。我们的观点被与世界应该如何运作有关的强烈先入之见所掩盖凯发k8官网登录vipღ★ღღ，例如只有金属或酶才能驱动化学反应的想法ღ★ღღ。本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦成功地打破了这些先入之见ღ★ღღ，找到了一个巧妙的解决方案ღ★ღღ，解决了化学家几十年来一直在努力克服的问题ღ★ღღ。如今ღ★ღღ，有机催化剂才得以为人类带来最大利益ღ★ღღ。凯发k8娱乐官网app下载ღ★ღღ，凯发k8官网登录vip入口ღ★ღღ，凯发国际官网首页ღ★ღღ，凯发在线ღ★ღღ，