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“不对称有机催化”——很“化学”的2021年诺贝尔化学奖

2021年诺贝尔化学奖由两位化学家分享,德国马克斯•普朗克煤炭研究所Benjamin List教授和美国普林斯顿大学的David W.C. MacMillan教授,以表彰他们在“不对称有机催化的发展”中的贡献。他们的工作对药物研究产生了巨大影响,并使化学更加符合绿色发展的趋势。


Benjamin List,1968年出生于德国法兰克福,1997年博士毕业于德国法兰克福大学,现任德国马克斯•普朗克煤炭研究所所长。


David W.C. MacMillan,1968年出生于英国贝尔希尔,1996 年博士毕业于美国加州大学欧文分校,现任美国普林斯顿大学教授。


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构建分子是一门艰难的艺术,而许多研究领域和行业都依赖于化学家构建分子的能力,这些分子或者可以形成弹性和耐用的材料,或者能够将能量储存在电池中,又或者能够用于治疗疾病。构建分子往往作需要催化剂,催化剂可以说是化学家的基本工具。长期以来,研究人员普遍认为原则上只有两种催化剂可用:金属和酶。Benjamin List教授和David MacMillan教授在 2000 年相互独立地开发了第三种催化——基于有机小分子的不对称有机催化。


有机催化剂具有稳定的碳原子框架,更活泼的化学基团可以附在其上,这些活性基团通常含有常见元素,如氧、氮、硫或磷。这就意味着这些有机催化剂环保且生产成本低廉。有机催化剂应用领域的迅速扩展主要是由于它们能够驱动不对称催化,这在药物研发中尤为重要。自 2000 年以来,有机催化以惊人的速度发展着。Benjamin List教授和 David MacMillan教授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到太阳能电池捕光分子的多种物质。通过这种方式,有机催化剂正在为人类带来更多的益处。


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在研究催化抗体(catalytic antibodies)期间,Benjamin List开始思考酶的实际工作原理。酶通常是由数百种氨基酸构成的巨大分子,除了这些氨基酸之外,很大一部分酶还含有可帮助驱动化学过程的金属。但是,还有许多酶在没有金属帮助的情况下也能催化化学反应。这就是说,金属不一定是必需的。他进一步思考,催化一个化学反应真的需要一个结构完整的酶么?还是说,其中一个或几个单独的氨基酸就够了?1970 年代初就有研究使用一种叫做脯氨酸的氨基酸作为催化剂,这已经是 25年多前的事了,他想进行进一步的尝试。在没有任何预期的情况下,他测试了脯氨酸是否可以催化羟醛反应,这是一个简单的尝试,但结果却出人意料的好。通过他的实验,Benjamin List 不仅证明脯氨酸是一种有效的催化剂,而且证明这种氨基酸可以驱动不对称催化(List, B.; Lerner, R. A.; Barbas, C. F., Proline-catalyzed direct asymmetric aldol reactions. J. Am. Chem. Soc., 2000122, 2395-2396)。与之前用脯氨酸作为催化剂的研究人员不同,Benjamin List知道这个小小的有机分子可能具有的巨大潜力。与金属和酶相比,脯氨酸堪称化学家梦寐以求的工具,它简单、廉价且环保,潜力无限。当他在 2000 年 2 月发表这一发现时,List 将有机分子参与的不对称催化描述为一个充满机会的新概念:“对这些催化剂的设计和筛选是我们未来的目标之一”。


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时针拨回到两年前,David MacMillan教授当时正在思考金属不对称催化难以进行工业应用的问题,他认为那些敏感金属使用起来实在是太麻烦了,也太贵了。在实验室中实现一些金属催化剂所要求的无氧无水条件相对简单,但在这种条件下进行大规模的工业生产却是个大麻烦。于是,他下定决心要找到更简单的催化剂,比如结构简单的有机分子,它们更廉价、更容易进行设计。David MacMillan 的化学知识告诉他,要使有机分子催化一个他感兴趣的反应,它需要能够形成亚铵离子(iminium ion)。他选择了几种有机分子,然后测试了它们催化狄尔斯-阿尔德反应的能力。正如他所希望和相信的那样,有机分子发挥了优秀的催化作用,其中一些有机分子在不对称催化方面也表现出色(Ahrendt, K. A.; Borths, C. J.; MacMillan, D. W. C., New strategies for organic catalysis: The first highly enantioselective organocatalytic Diels-Alder reaction. J. Am. Chem. Soc., 2000,122 , 4243-4244)。事实上,此前并非没有研究人员成功使用有机小分子催化化学反应,但那些报道都是孤立的例子,没有人意识到这种方法可以进一步推广。David MacMillan希望找到一个术语来描述该方法,以便其他研究人员了解还有更多有机催化剂需要发现,他的选择就是“有机催化(organocatalysis)”。


注:以上内容编译自诺贝尔奖官方网站,图片等内容版权归属于Nobelprize.org


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