“化学家有点像魔术师，”美国化学学会主席 H.N. Cheng 说。“他们挥舞魔杖，创造出新的东西。” 现在，一种构建分子的新方法为两位化学家赢得了 2021 年诺贝尔化学奖。 瑞典皇家科学院周三在斯德哥尔摩宣布，该奖项授予了德国马克斯·普朗克煤炭研究所主任本杰明·李斯特和普林斯顿大学教授戴维·W.C.·麦克米伦。
2000 年，两位研究人员独立工作，提出了一种称为“不对称有机催化”的方法。 这是一种构建具有精确形状分子的方法，可用于从新药到太阳能电池组件的各种领域。 “这是一种新的魔杖，一种新的技巧，”程说，它对于药物开发和更绿色、可持续的化学尤其重要。 两位获奖者将分享该奖项，奖金约为 114 万美元。
催化剂是化学家用来加速现有分子之间反应以制造新分子的物质。 在自然界中，此类反应可能需要很长时间，甚至根本不会发生。 但是，例如，将银添加到装有过氧化氢的烧瓶中，会迅速触发后一种物质分解成水和氧气。 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获取电子，从而松开其组分之间的键并允许形成新的分子。 天然酶也是强大的催化剂，能够将新分子的构建块强制结合在一起。
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但是酶通常很大且复杂，并且使用它们作为催化剂的过程缓慢且需要许多步骤。 而且，当在工业制造规模中使用时，使用铜或镍等金属来加速反应需要高度专业化且昂贵的装置，并且该过程会留下有毒废物。 瑞典查尔姆斯理工大学化学生物学教授、诺贝尔化学委员会成员 Pernilla Wittung-Stafshede 在宣布该奖项时说：“但在 2000 年，一切都改变了。” 李斯特和麦克米伦设计了采用较小催化剂并避免使用金属的技术。 例如，这种差异可以将制造新分子的过程从 12 步减少到仅 5 步，或者将整体效率提高 7,000 倍。
李斯特当时正在研究催化人体内反应的大型酶。 他开始怀疑整个大型化合物是否真的对该过程是必要的。 他正在研究的一种酶有一个小成分——一种叫做脯氨酸的氨基酸——它似乎可以帮助自身创造新的分子。 它含有一个氮原子，可以帮助其他分子共享电子以形成新的键。 因此，他分离出脯氨酸，它完成了这项工作。 “当我看到它起作用时，我确实觉得这可能是一件大事，”他在诺贝尔委员会通过电话联系他，在周三他在阿姆斯特丹度假时告诉他获奖时回忆道。
在李斯特研究酶的同时，麦克米伦也在尝试简化催化剂。 他想避免使用金属，因此他开始设计简单的有机分子。 这些是由碳原子组成的框架，可以容纳氮等其他元素。 他发现具有氮原子的框架能够从其他分子中捐赠或获取电子，从而破坏键或形成新的键。
麦克米伦工作的一个特别吸引人的特点是它能够创造特定的分子形式。 分子可以有两种镜像类型，化学家将其称为右手或左手。 人体对这种区别特别敏感，经常仅使用一种形式进行重要的生物反应。 麦克米伦的催化剂可以产生主要产生一种或另一种形式的反应。 这使得它在药品制造中非常重要，药品可以以一种形式正常发挥作用，但在其对应形式中则会失效。
程说，制造药物分子是不对称有机催化目前的主要用途。 它有助于生产抗病毒药物，例如奥司他韦，该药物以达菲的品牌名称销售，用于对抗流感感染。 美国农业部绿色化学专家程补充说，催化过程在制造靶向农药方面也具有广泛的农业用途。 像人类一样，植物也仅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品生产效率，还使其更加清洁。 过程中步骤的减少意味着有毒副产品的减少。 在颁奖典礼上，诺贝尔化学委员会主席约翰·奥奎斯特表示，今年获奖的发现是“彻底改变游戏规则”。