“化学家有点像魔术师,”美国化学学会主席H.N. Cheng说。“他们挥动魔杖,创造出新的东西。”现在,一种构建分子的新方法赢得了两位化学家2021年诺贝尔化学奖.瑞典皇家科学院(Royal Swedish Academy of Sciences)周三在斯德哥尔摩宣布,该奖项由德国马克斯·普朗克煤炭研究所(Max Planck Institute for Coal Research)所长本杰明·李斯特(Benjamin List)和普林斯顿大学(Princeton University)教授大卫·麦克米伦(David W.C. MacMillan)获得。

2000年,这两位研究人员独立工作,提出了一种名为“不对称有机催化”的过程。这是一种构建具有精确形状的分子的方法,可以用于从新药到太阳能电池组件的所有领域。“这是一根新的魔棒,一种新的魔术,”Cheng说,它对药物开发和更绿色、可持续的化学尤其重要。两位获奖者将平分这笔价值约114万美元的奖金。

催化剂是化学家用来加速现有分子之间的反应以产生新分子的物质。在自然界中,这样的反应可能需要很长时间,也可能根本不会发生。但是,例如,在装有过氧化氢的烧瓶中加入银,会迅速促使过氧化氢分解为水和氧气。金属是特别好的催化剂,因为它们可以暂时从附近的分子中夺取电子,松开它们组分之间的键,从而形成新的分子。自然产生的酶也是强大的催化剂,能够使新分子的构建块聚集在一起。

但是酶通常体积大,结构复杂,将它们用作催化剂需要一个缓慢的过程,需要很多步骤。在工业生产规模中使用铜或镍等金属来加速反应需要高度专业化和昂贵的设备,而这一过程会产生有毒废物。“但在2000年,一切都改变了,”诺贝尔化学委员会成员、瑞典查尔默斯理工大学化学生物学教授佩妮拉·维通-斯塔夫谢德(Pernilla witton - stafshede)在宣布该奖时说。List和麦克米伦设计了使用更小催化剂的技术,并且避免使用金属。在一个例子中,这种差异可以将制造一个新分子的过程从12步减少到5步,或者将整体效率提高7000倍。

List研究的是能催化人体反应的巨大酶。他开始怀疑整个大型化合物对这个过程是否真的必要。他正在研究的一种酶有一个很小的成分——一种叫做脯氨酸的氨基酸,它似乎可以帮助自己产生新的分子。它包含一个氮原子,帮助其他分子共享电子形成新的键。所以他分离出了脯氨酸,它完成了任务。“当我看到它起作用时,我确实觉得这可能是一件大事,”他回忆说,诺贝尔委员会周三打电话给他,告诉他自己获奖的消息,当时他正在阿姆斯特丹度假。

就在List研究酶的同时,麦克米伦也在尝试简化催化剂。他想要避免金属,所以他开始设计简单的有机分子。这些是包含氮等其他元素的碳原子框架。他发现了一个带有氮原子的框架,它能够捐赠或从其他分子中夺取电子,打破化学键或形成新的化学键。

麦克米伦的工作有一个特别吸引人的特点,那就是它能够创造特定的分子形式。分子可以分为两种镜像类型,化学家称之为右撇子和左撇子。人体对这种区别特别敏感,通常只使用一种形式来进行重要的生物反应。麦克米伦的催化剂可以产生反应,主要产生一种或另一种形式。这使得它在制药业中非常重要,因为它可以在一种形式下正常工作,但在另一种形式下却会失效。

Cheng说,制造药物分子是目前不对称有机催化的主要用途。它帮助生产抗病毒药物,如奥司他韦(oseltamivir),这种药物的品牌名为达菲(Tamiflu),用于对抗流感感染。美国农业部专门研究绿色化学的Cheng补充说,催化过程在农业生产中也有广泛的用途。植物和人类一样,只使用一种镜像形式进行特定反应。

这种催化技术不仅提高了化学生产的效率,还使其更清洁。更少的过程意味着更少的有毒副产品。在奖项宣布期间,诺贝尔化学委员会主席Johan Åqvist表示,今年获奖的发现是“一个彻底的游戏规则改变者”。