“化學家有點像魔術師，”美國化學學會主席 H.N. Cheng 說。“他們揮舞魔杖，創造出新的東西。” 現在，一種構建分子的新方法為兩位化學家贏得了 2021 年諾貝爾化學獎。 瑞典皇家科學院週三在斯德哥爾摩宣佈，該獎項授予了德國馬克斯·普朗克煤炭研究所主任本傑明·李斯特和普林斯頓大學教授戴維·W.C.·麥克米倫。
2000 年，兩位研究人員獨立工作，提出了一種稱為“不對稱有機催化”的方法。 這是一種構建具有精確形狀分子的方法，可用於從新藥到太陽能電池元件的各種領域。 “這是一種新的魔杖，一種新的技巧，”程說，它對於藥物開發和更綠色、可持續的化學尤其重要。 兩位獲獎者將分享該獎項，獎金約為 114 萬美元。
催化劑是化學家用來加速現有分子之間反應以製造新分子的物質。 在自然界中，此類反應可能需要很長時間，甚至根本不會發生。 但是，例如，將銀新增到裝有過氧化氫的燒瓶中，會迅速觸發後一種物質分解成水和氧氣。 金屬是特別好的催化劑，因為它們可以暫時從附近的分子中獲取電子，從而鬆開其組分之間的鍵並允許形成新的分子。 天然酶也是強大的催化劑，能夠將新分子的構建塊強制結合在一起。
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但是酶通常很大且複雜，並且使用它們作為催化劑的過程緩慢且需要許多步驟。 而且，當在工業製造規模中使用時，使用銅或鎳等金屬來加速反應需要高度專業化且昂貴的裝置，並且該過程會留下有毒廢物。 瑞典查爾姆斯理工大學化學生物學教授、諾貝爾化學委員會成員 Pernilla Wittung-Stafshede 在宣佈該獎項時說：“但在 2000 年，一切都改變了。” 李斯特和麥克米倫設計了採用較小催化劑並避免使用金屬的技術。 例如，這種差異可以將製造新分子的過程從 12 步減少到僅 5 步，或者將整體效率提高 7,000 倍。
李斯特當時正在研究催化人體內反應的大型酶。 他開始懷疑整個大型化合物是否真的對該過程是必要的。 他正在研究的一種酶有一個小成分——一種叫做脯氨酸的氨基酸——它似乎可以幫助自身創造新的分子。 它含有一個氮原子，可以幫助其他分子共享電子以形成新的鍵。 因此，他分離出脯氨酸，它完成了這項工作。 “當我看到它起作用時，我確實覺得這可能是一件大事，”他在諾貝爾委員會透過電話聯絡他，在週三他在阿姆斯特丹度假時告訴他獲獎時回憶道。
在李斯特研究酶的同時，麥克米倫也在嘗試簡化催化劑。 他想避免使用金屬，因此他開始設計簡單的有機分子。 這些是由碳原子組成的框架，可以容納氮等其他元素。 他發現具有氮原子的框架能夠從其他分子中捐贈或獲取電子，從而破壞鍵或形成新的鍵。
麥克米倫工作的一個特別吸引人的特點是它能夠創造特定的分子形式。 分子可以有兩種映象型別，化學家將其稱為右手或左手。 人體對這種區別特別敏感，經常僅使用一種形式進行重要的生物反應。 麥克米倫的催化劑可以產生主要產生一種或另一種形式的反應。 這使得它在藥品製造中非常重要，藥品可以以一種形式正常發揮作用，但在其對應形式中則會失效。
程說，製造藥物分子是不對稱有機催化目前的主要用途。 它有助於生產抗病毒藥物，例如奧司他韋，該藥物以達菲的品牌名稱銷售，用於對抗流感感染。 美國農業部綠色化學專家程補充說，催化過程在製造靶向農藥方面也具有廣泛的農業用途。 像人類一樣，植物也僅使用一種映象形式進行特定反應。
這種催化技術不僅提高了化學品生產效率，還使其更加清潔。 過程中步驟的減少意味著有毒副產品的減少。 在頒獎典禮上，諾貝爾化學委員會主席約翰·奧奎斯特表示，今年獲獎的發現是“徹底改變遊戲規則”。