吳苡婷綜合

北京時間10月6日訊息，德國科學家Benjamin List 和美國科學家 David MacMillan 被授予了2021年諾貝爾化學獎。獲獎原因為“在不對稱有機催化方面的發展”，他們開發的工具徹底改變了分子的構造。

很多媒體評價，今年的化學獎很化學，催化劑就是化學領域的核心之核心。

的確，縱觀21世紀被授予的20個諾貝爾化學獎，我們可以發現很多涉及生物學和儀器學，真正與化學緊密相關的是少數。

學過化學的同學們對於催化劑肯定不陌生。

初中課本上對於催化劑是這樣定義的：在化學反應裡能改變(加快或減慢)其他物質的化學反應速率，而本身的質量和化學性質在反應前後(反應過程中會改變)都沒有發生變化的物質叫做催化劑，又叫觸媒。

19世紀，化學家剛開始探索不同化學物質相互反應的方式時，發現了一些奇怪的現象。例如，如果將銀置入裝有過氧化氫（H2O2）的燒杯中，過氧化氫就會突然迅速分解為水（H2O）和氧氣（O2）。但啟動該反應的銀卻似乎絲毫不受反應影響。類似地，一種從發芽穀物中提取的物質也可以將澱粉分解為葡萄糖。

1835年，著名瑞典化學家Jacob Berzelius從這些現象中看出了規律。他在瑞典皇家科學院的年度報告中寫道，有一種新的“力”可以“產生化學活動”。他還舉了幾個例子說明，有些物質僅需存在便可開啟化學反應，並指出這種現象似乎比之前認為的常見得多。他認為這些物質具有“催化力”，因此將這種現象稱作“催化”。

在2000年之前發現的所有催化劑都屬於兩類：金屬和酶。金屬通常是很好的催化劑，因為它們具有一種特殊的能力，可以暫時容納電子或在化學過程中將電子提供給其他分子。這有助於鬆開分子中原子之間的鍵，使得原本牢固的連線可以被解開，新的鍵得以形成。

然而，有些金屬催化劑存在一個問題：它們對氧氣和水非常敏感。因此，為了使它們發揮作用，就需要一個沒有氧氣和水分的環境，而這在大型工業中很難實現。此外，許多金屬催化劑是重金屬，對環境有害。

德國科學家Benjamin List 和美國科學家 David MacMillan 開創了第三類催化劑，即“不對稱有機催化”。

德國科學家Benjamin List 的研究路線從酶開始。在研究催化抗體的過程中，Benjamin List開始思考酶的確切工作機制。它們通常是由數百個氨基酸組成的巨大分子。除了氨基酸外，相當多的酶還含有能推動化學過程的金屬。但是——這就是關鍵所在——許多酶催化化學反應並不需要金屬的幫助。相反，這些反應是由酶的一個或幾個氨基酸驅動的。Benjamin List的問題是：氨基酸必須是酶的一部分才能催化化學反應嗎？一個氨基酸，或者其他類似的簡單分子，也能起到同樣的作用嗎？

在不抱任何實際期望的情況下，Benjamin List測試了脯氨酸是否能催化羥醛反應；在羥醛反應中，兩個不同分子的碳原子會結合在一起。這是一個很簡單的嘗試，令人驚訝的是，脯氨酸立即發揮了作用。

與之前測試過脯氨酸作為催化劑的研究人員不同，Benjamin List認為脯氨酸可能具有巨大的潛力。與金屬和酶相比，脯氨酸是化學家夢寐以求的工具。它是一種非常簡單、便宜，又十分環保的分子。當Benjamin List在2000年2月發表這些發現時，他將有機分子的不對稱催化描述為一個能帶來大量機會的新概念：“這些催化劑的設計和篩選是我們未來的目標之一”。

美國科學獎 David MacMillan 的研究從拋棄金屬開始，兩年前，David MacMillan從哈佛大學搬到了加州大學伯克利分校。在哈佛，他曾致力於利用金屬改善不對稱催化反應。這是一個受到大量研究人員關注的領域，但David MacMillan指出，已開發的催化劑很少用於工業。他開始思考背後的原因，認為是敏感金屬在使用上非常困難和昂貴導致的。在實驗室中，實現某些金屬催化劑所要求的無氧、無溼條件相對簡單，但在大規模的工業生產中，實現這樣的條件是非常複雜的。

他的結論是，如果想讓正在開發的化學工具起到作用，他就需要換一個新的思路。於是，他搬到了伯克利，“拋棄”了敏感金屬。　

David MacMillan開始設計簡單的有機分子，就像金屬一樣能暫時提供或容納電子。在這裡，我們需要定義什麼是“有機分子”。簡而言之，有機分子就是構建所有生物體的分子；它們有一個穩定的碳原子結構，活性化學基團就附著在這個碳骨架上；它們通常含有氧、氮、硫或磷。

因此，有機分子由簡單和普通的元素組成，但根據其組合方式，它們可以具有複雜的性質。David MacMillan的化學知識告訴他，一個有機分子要催化那些他感興趣的反應，就必須能夠形成亞胺離子。亞胺離子含有一個氮原子，而氮原子與電子具有與生俱來的親和性。

David MacMillan選擇了幾個具有合適性質的有機分子，測試了它們驅動狄爾斯–阿爾德反應的能力。化學家們用狄爾斯–阿爾德反應來製造碳原子環。結果正如他所預計的那樣，這一方法非常奏效。其中一些有機分子在不對稱催化方面也很出色，在兩種可能的映象產物中，其中一種佔據了產物的90%以上。

David MacMillan準備釋出自己的研究成果時，忽然意識到他發現的這種催化概念需要一個名字。他想找到一個合適的詞來描述這種方法，好讓其他研究人員明白，還有很多有機催化劑尚待發現。最終他選定了“有機催化”一詞。

2000年1月，就在Benjamin List釋出自己的研究成果前，David MacMillan將手稿提交給了一份科學期刊。他在論文簡介中寫道：“本文介紹了一種進行有機催化的新策略，可適用於多種不對稱轉化。”

那麼這種“不對稱有機催化”可以用在什麼地方呢？

最關鍵的領域是製藥，這個問題我們先來說說手性。

手性一詞指一個物體不能與其映象相重合 。如我們的雙手，左手與互成映象的右手不重合。

手性現象在自然界中也廣泛存在。手性是自然界的基本屬性。

很多化學物質的分子結構都有左旋右旋之分，人們會在分子式後面加入（R）表示右旋，（S）表示左旋。

從上述圖中，我們可以理解分子式的左旋和右旋區別。事實上，同一個分子式，左旋和右旋有不同的化學特性。

在手性藥物未被人們認識以前，歐洲一些醫生曾給孕婦服用α-苯酞茂二醯亞胺（分子式:C13H10N2O4）藥物作為鎮痛藥或止咳藥，很多孕婦服用後，生出了無頭或缺腿的先天畸形兒，有的胎兒沒有胳膊，手長在肩膀上，模樣非常恐怖。僅僅4年時間，世界範圍內誕生了1.2萬多名畸形的"海豹嬰兒"。這就是被稱為"反應停"的慘劇。後來經過研究發現，反應停的R體（右旋）結構有鎮靜作用，但是S-對映體（左旋）對胚胎有很強的致畸作用。

使用有機催化，就可以很容易地規避這種左右旋物質的區分。同時，研究人員現在可以相對簡單地製造大量不同的不對稱分子。例如，他們可以人工生產潛在的治療物質，否則這些質量物質只能從稀有植物或深海生物中少量分離。

在製藥公司，該方法還用於簡化現有藥物的生產。這方面的例子包括用於治療焦慮和抑鬱的帕羅西汀，以及用於治療呼吸道感染的抗病毒藥物奧司他韋。

Benjamin List和David MacMillan的努力是開創性的，他們解決困擾了化學家們幾十年的問題。有機催化劑現在正在為人類帶來極大的好處。

兩位科學家的得獎是名至實歸。