催化剂|2021年诺贝尔自然科学奖解读( 三 )

“今年的诺奖表明，我们对气候的了解建立在坚实的科学基础之上，基于对观测的严格分析。今年的获奖者都为我们更深入地了解复杂物理系统的特性和演化作出了贡献。 ”诺贝尔物理学委员会主席Thors Hans Hansson说。
2021年诺贝尔化学奖——
将分子构建变为艺术
实习生孙少卿中青报·中青网采访人员叶雨婷
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。