北京時間10月6日17時45分許，德國科學家本傑明·李斯特 （Benjamin List） 和美國科學家戴維·麥克米倫 （David
MacMillan）榮膺2021年諾貝爾化學獎，表彰他們對“不對稱有機催化的發展”所作出的貢獻（for the development of
asymmetric organocatalysis）。
以下為諾貝爾獎委員會對於此次獲獎的官方解讀：
德國科學家本傑明·李斯特（Benjamin List ）和美國科學家戴維·麥克米倫（David MacMillan）因開發了一種新的、獨創的分子構建工具——有機催化，而榮膺2021年諾貝爾化學獎。它的用途包括新藥物的研究，還有助於使化學更環保。
許多工業和研究領域都依賴於化學家構建新的功能性分子的能力。這些物質可以是在太陽能電池中捕捉光線或在電池中儲存能量的任何物質，也可以是製造輕便跑鞋或抑制體內疾病進展的分子。
然而，如果我們將自然製造化學製品的能力與我們自己的比較，我們仍然停留在石器時代。進化產生了令人難以置信的特殊工具——酶，可以用來構建賦予生命形狀、顏色和功能的分子複合物。
最初，當化學家們分離出這些化學傑作時，他們只是羨慕地看着它們。在他們自己的工具箱中，用於分子構造的鎚子和鑿子都是鈍的、不可靠的。所以當他們複製自然產生的物質時，往往會產生大量不必要的副產品。
精細化學的新工具
化學家們添加到工具箱中的每一個新工具都提高了分子結構的精確度。緩慢但肯定的是，化學已經從石頭上的雕琢發展成一種更像精細工藝的學科。這給人類帶來了巨大好處，其中一些工具還獲得了諾貝爾化學獎。
被授予2021年諾貝爾化學獎的發現，將分子結構提升到了一個全新的水平。它不僅使化學更加環保，而且使生產不對稱分子更加容易。
許多分子存在於兩種變體中，一種是另一種的鏡像。這些對身體有完全不同的影響。例如，檸檬烯分子有一種檸檬氣味，而它的鏡像聞起來像橙子。
在化學構造過程中，經常會出現這樣一種情況：兩個分子可以形成，就像我們的手一樣互為鏡像。化學家經常只想要鏡像中的一個分子，特別是在生產藥品時，但一直很難找到有效方法來做到這一點。
本傑明·李斯特和戴維·麥克米倫提出的不對稱有機催化概念既簡單又精彩，事實上，很多人都在驚嘆為什麼我們沒有早點想到。
催化劑加速化學反應
19世紀，當化學家們開始探索不同化學物質相互作用的方式時，他們有了一些奇怪的發現。例如，如果他們把銀和過氧化氫放在燒杯中，過氧化氫突然開始分解成水和氧氣，但啟動這一過程的銀似乎完全不受反應的影響。同樣，從發芽的穀物中獲得的一種物質可以將澱粉分解為葡萄糖。
1835年，瑞典著名化學家Jacob Berzelius發現了其中一個規律，在瑞典皇家科學院的年度報告中，他描述了物理學和化學的最新進展，並寫道有一種新的“力量”可以“引起化學活動”。他列舉了幾個例子來說明只有一種物質的存在才會引發化學反應，表示這種現象比之前認為的要普遍得多。他認為這種物質具有催化力，並把這種現象本身稱為催化。
催化劑可以生產塑料、香水和美味的食物
自Jacob Berzelius時代以來，大量的水流過了化學家的吸液管。他們已經發現了多種催化劑，可以分解分子，或將分子連接在一起。多虧了這些技術，現在可以創造出我們日常生活中使用的數千種不同物質，如藥品、塑料、香水和食品調味料。事實上，據估計，在某種程度上，全球35%的GDP涉及化學催化。
實際上，在2000年之前發現的所有催化劑，要麼是金屬，要麼是酶。金屬通常是很好的催化劑，因為它們有一種特殊的能力，可以暫時容納電子或在化學過程中將電子提供給其他分子。這有助於鬆開分子中原子間的鍵，這樣一來，原本牢固的鍵就可以被打破，新的鍵就可以形成。
但一些金屬催化劑存在的問題是，它們對氧氣和水非常敏感。因此，為了使它們發揮作用，它們需要沒有氧氣和水分的環境。不過這在大型工業中很難實現，此外，許多金屬催化劑是重金屬，對環境有害。
生命催化劑以驚人的精確度工作
第二種催化劑“酶”由蛋白質組成。所有生物都有成千上萬種不同的酶，它們驅動生命所必需的化學反應。很多酶都是不對稱催化的專家，原則上總是形成鏡像。他們也會並肩工作，當一個酶完成反應后，另一個酶就會取而代之。通過這種方式，它們可以以驚人的精確度構建複雜分子，如膽固醇、葉綠素，或名為“士的寧”的毒素。
由於酶是如此有效的催化劑，研究人員在20世紀90年代試圖開發新的酶變體來驅動人類所需的化學反應。南加州斯克里普斯研究所的一個研究小組正在研究這個問題，由已故的卡洛斯·F·巴爾巴斯三世（Carlos F。 Barbas III）領導。本傑明·李斯特在巴爾巴斯研究小組做博士后時，一個導致今年諾貝爾化學獎發現的絕妙想法誕生了。
本傑明·李斯特跳出常規思維模式
本傑明·李斯特研究了催化抗體。通常情況下，抗體會附着在我們體內的外來病毒或細菌上，但斯克里普斯研究所的研究人員重新設計了抗體，讓它們能夠驅動化學反應。
在研究催化抗體的過程中，本傑明·李斯特開始思考酶是如何工作的。它們通常是由數百個氨基酸組成的巨大分子。除了這些氨基酸，相當一部分酶還含有金屬，有助於推動化學過程。
但這就是關鍵所在，許多酶的催化化學反應不需要金屬的幫助。相反，反應是由酶中的一個或幾個氨基酸驅動的。
本傑明·李斯特跳出常規思維的問題是：氨基酸必須是酶的一部分才能催化化學反應嗎？一個氨基酸或其他類似的簡單分子能做同樣的工作嗎？
革命性成果
他知道，早在20世紀70年代早期，就有一項研究將一種名為脯氨酸的氨基酸用作催化劑，但在當時，那已經是25年前的事了。如果脯氨酸真的是一種有效的催化劑，還會有人繼續研究它嗎？
本傑明·李斯特認為，沒有人繼續研究這一現象的原因是它的效果不是特別好。在沒有任何實際期望的情況下，他測試了脯氨酸是否能催化醛醇反應。在醛醇反應中，兩個不同分子的碳原子結合在了一起。這是一個簡單的嘗試，令人驚訝的是，它立即起作用了。
酶由數百種氨基酸組成，但通常只有少數氨基酸參與化學反應。本傑明·李斯特測試了一種名為脯氨酸的氨基酸是否能催化化學反應，並發現其表現出色，脯氨酸有一個氮原子，可以在化學反應中提供和容納電子。
本傑明·李斯特明確了自己的方向
本傑明·李斯特的實驗不僅證明了脯氨酸是一種高效的催化劑，而且還證明了這種氨基酸可以驅動不對稱催化。在兩種可能的鏡像中，其中一種鏡像的形成要比另一種更常見。
與之前將脯氨酸作為催化劑測試的研究人員不同，本傑明·李斯特發現脯氨酸可能具有巨大潛力。與金屬和酶相比，脯氨酸是化學家夢寐以求的工具。它是一種非常簡單、便宜、環保的分子。
當他在2000年2月發表他的發現時，他將有機分子的不對稱催化描述為一個擁有很多機會的新概念，“這些催化劑的設計和篩選是我們未來的目標之一。”
而在加州北部的一個實驗室里，戴維·麥克米倫也在朝着同樣的目標努力。
戴維·麥克米倫丟下敏感金屬
戴維·麥克米倫在哈佛大學時曾致力於利用金屬改善不對稱催化。這是一個吸引了大量研究人員關注的領域，但戴維·麥克米倫指出，開發的催化劑很少用於工業。他開始思考原因，並認為敏感金屬的使用非常困難和昂貴。
實驗室中，實現某些金屬催化劑所要求的無氧、無濕條件相對簡單，但在這樣的條件下進行大規模的工業生產是複雜的。他的結論是，如果他正在開發的化學工具要有用，他需要重新思考。所以當他搬到加州大學伯克利分校，他丟下了金屬。
發展出一種更簡單的催化劑
他開始設計簡單的有機分子，就像金屬一樣可以暫時提供或容納電子。所謂有機分子，組成有機物的分子叫有機分子，有機分子是含碳元素的化合物。它們有穩定的碳原子結構，活性化學基團附着在這個碳結構上，它們通常含有氧、氮、硫或磷。有機分子由簡單和普通的元素組成，但根據它們的組合方式可以具有複雜的性質。
戴維·麥克米倫的化學知識告訴他，一個有機分子要催化他感興趣的反應，就必須能夠形成亞胺離子。它包含一個氮原子，氮原子對電子有固有的親和力。
他選擇了幾個具有正確性質的有機分子，然後測試了它們驅動狄爾斯-阿爾德反應（Diels-Alder）的能力。這是一種有機反應，用來形成碳原子環。
正如他所希望和相信的那樣，這一招非常奏效。一些有機分子在不對稱催化方面也很出色，在兩種可能的鏡像中，其中一種佔據了產物的90%以上。
戴維·麥克米倫研究的金屬催化劑很容易被水分破壞，因此他開始思考是否有可能開發一種更耐用的催化劑。他設計了一些簡單分子來製造亞胺離子，其中一種在不對稱催化方面表現出色。
戴維·麥克米倫創造了“有機催化”一詞
當戴維·麥克米倫準備發表他的研究結果時，他意識到他發現的催化概念需要一個名字。事實上，研究人員以前已成功利用小的有機分子催化化學反應，但這些都是孤立的例子，沒有人意識到這種方法可以推廣。
戴維·麥克米倫想找一個術語來描述這種方法，這樣其他研究人員就會明白還有更多的有機催化劑有待發現。因此他選擇了一個詞，也就是“有機催化”。
2000年1月，就在本傑明·李斯特發表他的發現之前，戴維·麥克米倫將他的手稿提交給了一家科學雜誌準備發表。引言中提到，“在此，我們介紹了一種新的有機催化策略，我們希望它能適應一系列的不對稱轉化。”
有機催化應用蓬勃發展
本傑明·李斯特和戴維·麥克米倫各自獨立發現了一個全新的催化概念。自2000年以來，這一領域的發展幾乎可以比作淘金熱，李斯特和麥克米倫在這一領域保持着領先地位。他們設計了大量廉價且穩定的有機催化劑，可用於驅動各種各樣的化學反應。
有機催化劑通常由簡單的分子組成。以前，在化工生產過程中，每一個中間產物都需要分離和提純，否則副產品的體積會很大，這導致在化學結構的每一步都有一些物質流失。而有機催化劑相對來說，在生產過程中的幾個步驟可以連續執行，這被稱為級聯反應，它可以大大減少化學製造中的浪費。
士的寧合成效率提高了7000倍
有機催化催生更有效的分子結構，一個例子是合成自然、複雜的士的寧分子。對化學家來說，士的寧就像一個魔方，如何才能用儘可能少的步驟合成它。1952年第一次合成士的寧時，需要29種不同的化學反應，只有0.0009%的初始物質形成士的寧，剩下的都浪費了。2011年，研究人員利用有機催化和級聯反應，只需12步就能生產士的寧，生產效率提高了7000倍。
在醫藥生產中，有機催化是最重要的
有機催化已經對藥物研究產生了重大影響，而藥物研究往往需要不對稱催化。在化學家能夠進行不對稱催化之前，許多藥物都包含分子的鏡像。其中一種是活性的，而另一種有時會產生不良影響。一個災難性的例子是20世紀60年代的沙利度胺醜聞，沙利度胺藥物的一個鏡像導致數千個發育中的人類胚胎嚴重畸形。
利用有機催化，研究人員現在可以相對簡單地製造大量不同的不對稱分子，例如可以人工生產具有潛在療效的物質，否則只能從稀有植物或深海生物中少量分離出來。
在製藥公司，這種方法也被用來簡化現有藥品的生產，這方面的例子包括用於治療焦慮和抑鬱的帕羅西汀，以及用於治療呼吸道感染的抗病毒藥物奧司他韋。
簡單的想法往往是最難想象的
關於有機催化如何使用，可以列舉出成千上萬的例子。但為什麼之前沒有人提出這個簡單、綠色、廉價的不對稱催化概念呢？這個問題有很多答案。一個原因是簡單的想法往往是最難想象的。我們的觀點被先入為主的觀念所掩蓋，例如認為只有金屬或酶才能驅動化學反應。本傑明·李斯特和戴維·麥克米倫成功超越了這些先入之見，為化學家奮鬥幾十年的問題找到了一個巧妙的解決方案。因此，有機催化劑正給人類帶來巨大的好處。
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