2021年诺贝尔化学奖 解读

导读

今年的诺贝尔化学奖于10月6日17点45分在瑞典首都斯德哥尔摩瑞典皇家科学院揭晓，诺贝尔奖委员会将今年的诺贝尔化学奖授予德国科学家Benjamin List和美国科学家David W.C. MacMillan，获奖理由：因“在不对称有机催化方面的发展(for the development of asymmetric organocatalysis)”，他们开发的工具彻底改变了分子的结构。(图 1)。

图 1 2021年诺贝尔化学奖得主

获奖理由

众所周知，许多领域研究领域和工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。然而相关分子的构建就需要催化剂，催化剂是控制和加速反应的物质，其并不会成为最终产物的一部分。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。我们的身体也含有数以千计的酶形式的催化剂，它们构建了生命所必需的分子。综上，化学分子构建是一门很困难并且迷人的艺术，吸引了众多化学家们的眼球，其考虑如何高效快速便捷的构建分子。今年的诺贝尔化学奖得主就发展了一种绿色高效的催化剂去构建化学分子。

Benjamin List 和 David MacMillan 因开发出一种精确的分子构建新工具：“有机催化剂”并将其用于不对称催化领域而获得 2021 年诺贝尔化学奖。这对药物研究以及精细化学品产生了巨大影响，并且已经极大地造福于人类。”

深度解析

催化剂是科学家们武器库中最重要的武器之一。但研究人员长期以来一直认为，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，即：建立在有机小分子上的不对称有机催化剂。

有机催化剂具有一个稳定的碳原子框架，更活泼的化学基团可以附着在碳原子上。这些基团通常含有氧、氮、硫或磷等常见元素。这意味着该类催化剂既环保且成本低廉。有机催化剂应用领域的迅速扩展主要是该类催化剂能够在不对称领域很好的应用，并且对药物研究以及精细化学品的产生了巨大影响。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从新药物到可以在太阳能电池中捕获光子的多种物质。通过这种方式，有机催化剂正在为人类带来最大的好处。

酶由数百种氨基酸组成，但通常只有少数氨基酸参与化学反应，来构建我们身体中重要的分子。Benjamin List 教授开始怀疑是否真的需要整个酶才能催化一个化学反应呢?上个世纪70年代，众多化学家使用脯氨酸作为催化剂进行了大量的研究。基于此，Benjamin List 教授测试了脯氨酸1催化羟醛缩合反应(Aldol Reaction)(图 2和图3)，就是这个简单的尝试，证明了脯氨酸是一种高效的催化剂，提出了「有机催化剂」概念，已成为有机催化领域的鼻祖。

图 2 Benjamin List的设计理念

图 3 脯氨酸催化的Aldol反应

金属催化剂很容易被水分以及其他因素破坏。David MacMillan基于这样一个出发点思考，是否有可能开发一种简单、廉价且环保催化剂去驱动不对称反应。基于此想法，David MacMillan教授设计并制备了一种有机催化剂2，其二级胺部位与底物反应形成亲电性高的亚胺中间体，极大地催化狄尔斯-阿尔德反应的能力(图 4和图5)。David MacMillan 创制出“有机催化”一词，并提出一种全新的有机催化机理——亚胺活化。

图 4 David MacMillan的设计理念

图 5 狄尔斯-阿尔德反应

Benjamin List 和 David MacMillan各自独立地发现了一个全新的催化概念。自2000年以来，可以将该领域比作“淘金热”，一大批的研究及其应用被科学家们发现，对药物以及精细化学品行业 产生了巨大的影响。因此，有机催化剂现在正给人类带来最大的好处。

参考文献

1 B. List; R. A. Lerner; C. F. Barbas, J. Am. Chem. Soc. 2000,122, 2395, doi:10.1021/ja994280y.

2 K. A. Ahrendt; C. J. Borths; D. W. C. MacMillan, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4243, doi:10.1021/ja000092s.