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2021年诺贝尔化学奖——将分子构建变为艺术
2021/10/12 21:31:24 来源: 互联网
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构建分子是一门困难的艺术。

  2021年10月6日,本杰明·李斯特(Benjamin List)和大卫·麦克米兰(David W.C. MacMillan)因开发了一种精确的分子构建新工具——有机催化,而获得2021年诺贝尔化学奖,这对药物研究产生了巨大的影响。诺贝尔奖委员会的评语为:(他们)推动了不对称有机催化领域的发展。

  人们对“催化剂”的概念并不陌生。在中学化学实验中就已利用二氧化锰作催化剂,在常温下分解双氧水制备氧气。如果没有二氧化锰的催化作用,便可能需要将双氧水加热至煮沸才能得到同样的效果。因此,催化剂是化学反应中的常见工具。长期以来,化学家一直认为原则上只有两种类型的催化剂:金属和酶。早在2001年、2018年,诺贝尔化学奖就已表彰过对研究这两类催化剂作出杰出贡献的6名科学家。

  2000年,本杰明·李斯特和大卫·麦克米兰相互独立地开发了第三种催化剂——有机小分子催化剂,这种有机小分子催化剂具有稳定的碳原子框架,可以附着更多的活性化学基团,从而实现较高的催化效率。许多种氨基酸就是性能较好的有机小分子催化剂,相对于昂贵、脆弱、污染较大的金属催化剂来说,有机小分子催化剂价格低廉、易于提取、适应性广,因此,一经发现就引起了学术界的广泛注意。

  李斯特和麦克米兰开发的不对称有机催化,解决了手性有机物的高效合成问题。在有机物中存在两种手性分子,通常分为左手性和右手性。在进行合成时,这两种分子一般会同时出现。由于两种手性分子的化学性质通常是不同的,人们只希望得到某一种手性分子。

  例如,对于某些特殊的药物而言,可能左手性分子是有效成分,但右手性分子则是有害成分。人们为了去除这种成分付出了巨大的努力,而使用不对称有机催化,许多反应便具有很好的专一性,使得合成结果基本只存在一种手性分子。诺贝尔化学委员会主席Johan Qvist说:“这种催化的概念既简单又巧妙,事实上,许多人都在想为什么我们没有更早地想到它。”

  有机小分子催化剂也大大简化了某些分子的合成流程。以一种天然分子马钱子碱为例,1952年,科学家首次实现人工合成时,使用了29个不同的化学反应,原材料的转化率只有0.0009%。2011年,在有机小分子催化剂的帮助下,只需12步就能实现人工合成,生产效率提高了7000倍。

  当然,相关文献也指出了目前有机小分子催化剂的一些缺点,虽然其用途广泛、价格低廉、结构稳定,能够满足绿色化学的需求,但是与金属催化剂相比,有机小分子催化剂的催化效率仍稍逊一筹。因此,如何设计更高效的有机小分子催化剂仍是目前学界研究的重点方向。除此之外,在工业生产中有机小分子催化剂还尚未得到大规模应用。如何开发适合规模化、工业化生产的有机小分子催化剂,也是化学家们面临的共同挑战。

  据统计,诺贝尔化学奖自1901年设立以来,除了某些特殊年份外,迄今已颁发了113次,共有188名科学家获此殊荣。其中,最年轻的诺贝尔化学奖得主是著名科学家玛丽·居里的女儿约里奥·居里,年仅35岁的她于1935年获奖。最年长的诺贝尔化学奖得主是约翰·古迪纳夫,2019年他获奖时已97岁。

  此外,唯一一名两次获得诺贝尔化学奖的科学家是弗雷德里克·桑格,他分别于1958年、1980年获奖。除此之外,有两名科学家曾获得过其他诺贝尔奖项:玛丽·居里,1903年获诺贝尔物理奖、1911年获诺贝尔化学奖;莱纳斯·鲍林,1954年获诺贝尔化学奖、1961年获诺贝尔和平奖。值得一提的是,莱纳斯·鲍林也是唯一一名两次均为单人获奖的获奖者。


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