▲10月6日,2021諾貝爾化學獎揭曉,來自德國和美國的兩位科學家分享此一殊榮。圖/看看新聞Knews相關視頻截圖


2021年10月6日,瑞典皇家科學院決定將2021年諾貝爾化學獎授予德國馬克斯·普朗克研究所的本亞明·利斯特(Benjamin List)和美國普林斯頓大學的戴維·麥克米倫(David WC MacMillan),“以表彰他們在不對稱有機催化方面的貢獻”。

 

長期以來,物質的化學反應、分解、生成和合成等都需要酶作為催化劑,而傳統的催化劑則有金屬和酶,后者是一種蛋白質,也稱為生物催化劑。2000年,利斯特和麥克米倫又研發了第三種類型的催化劑,被稱為不對稱有機催化劑,而且建立在有機小分子上,也稱為小有機分子催化劑。由于這一貢獻,他們被授予2021年諾貝爾化學獎。

 

在人們的生活、生產和許多研究領域,都需要進行化學反應以產生新的物質和材料。這首先依賴于化學家構建分子的能力,以使分子可以形成各種材料和產品,如有彈性和耐用的材料,以便將能量儲存在電池中或治療和抑制疾病的發展。

 

構建不同的分子需要催化劑,后者是控制和加速化學反應的物質,但不會成為最終產品的一部分。例如,生產塑料和降解塑料都需要催化劑,人造樹脂和塑料制品已經成為人們日常生活中不可或缺的重要組成部分,這些產品都離不開龐大的聚烯烴工業和推動聚烯烴工業跨越式發展的齊格勒-納塔(Ziegler-Natta)催化劑。同時,塑料使用對人類和生態的污染,又促使研究人員研發新的催化劑來降解塑料垃圾,以減少其對環境的危害。

 

有機催化劑的本質是,有一個穩定的碳原子骨架,讓更活潑的化學基團,如常見的氧、氮、硫或磷等元素可以附著在上面。由此讓這類催化劑既環保又成本低廉。因為,小分子量的催化劑既具有低成本的優勢,又有對環境更友好的優點。

 

有機催化劑的特點是,它們能夠驅動不對稱催化,后者催化的合成反應也稱不對稱合成、手性合成、立體選擇性合成、對映選擇性合成,而非對稱反應可以借由手性催化劑從無到有地創造具有手性特征的目標分子。

 

▲10月6日,諾貝爾獎官網發布本年度諾貝爾化學獎獲獎科學家本亞明·利斯特(左)與戴維·麥克米倫官方畫像。圖/諾貝爾獎官網


一直以來,人們觀察世界時都會發現,很多物質都是對稱的,就像人體和人們的左右手。因此,化學家在構建物質分子時,經常會發現有兩種不同的鏡像分子,而且不同鏡像的分子功能有的相同,有的并不相同。實際上,化學家通常只需要其中一種分子就可以創造新的物質,例如,設計和生產新的藥物。

 

利斯特和麥克米倫經過多年研究發現,不對稱有機催化劑可用于驅動多種化學反應。利用這些反應,研究人員現在可以更有效地構建任何東西,從新的藥物到可以在太陽能電池中捕獲光的分子。通過這種方式,有機催化劑正在為人類帶來最大的益處。

 

2000年,利斯特與同事研發了一種使用脯氨酸催化劑的不對稱醛醇反應,成為有機催化這一重大研究領域的關鍵人物。而麥克米倫發明的麥克米倫催化劑可以很容易地從各種α-氨基酸中制備,對烯醛的不對稱共軛加成反應有非常好的催化活性。

 

今年諾貝爾化學獎的一個重要意義是,在表面上體現了化學獎的回歸,也即突破了“理綜”項目。多年來,諾貝爾化學獎的交叉化和“理綜化”,引起了化學界的一些不同聲音或批評,例如,把化學獎授予了一些既屬于醫學、生命科學,又屬于化學的研究。2015年的諾貝爾化學獎就是如此,授予了發現和闡明DNA修復機制的科學家。

 

DNA損傷修復機制對于生命的繁衍、預防和治療癌癥都非常重要。但這本應是生物醫學的內容,卻受到諾貝爾化學獎的青睞。而且,從1901年以來,諾貝爾化學獎幾近一半授予了生物化學的研究成果,以至于有些科學家鼓勵年輕學子首選醫學、生命科學和生物化學研究,因為有1.5倍的機會獲得諾貝爾獎。

 

但是,這也引起了純粹化學家的微辭,認為不公平,尤其是對傳統的無機化學研究者來說,更為不公。不過,今年的諾貝爾化學獎盡管在表面上體現為純化學科目,但本質上可能還是一種綜合性的成果,表面上是有機化學,實際上還帶有生物化學的內容,如脯氨酸催化劑和α-氨基酸制備的催化劑。

 

這也再一次證明,交叉學科有豐富的大礦,值得科學家去挖掘,而且可能產生更多更大的成果。

 

另一方面,今年的諾貝爾獎也明確顯示,只有那些既對人類生活和生產有益,同時又對生態和環境友好的研究成果,才能造福于人,也有利于這個星球,因此能獲得諾貝爾獎的青睞。

 

新京報特約撰稿人丨張田勘(專欄作家)

編輯丨遲道華

校對丨李銘