从太阳能电池到轻便跑鞋,再到治疗各种疾病的药物,许多工业产品依赖于化学家合成的能力。然而要让肉眼不可见的化学成分按人类所需的方式合成新分子并非易事。2021年诺贝尔化学奖得主本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦的成就是,各自独立开发出一种分子构建工具——不对称有机催化,它广泛用于新药开发,并使化学合成变得更“绿色”。
　　催化剂是化学合成的一个重要工具,它本身不参与化学反应,但可以改变反应速率,大幅提高合成效率。催化剂的广泛应用带来化学合成工业蓬勃发展。在催化剂的帮助下,人类可以很容易地获得药品、塑料、香水等生活所需品。据估计,目前全球约35%的国内生产总值(GDP)涉及化学催化。
　　然而直到2000年,广泛使用的催化剂仅有金属和酶两大类。其中金属催化剂很难用于大型工业生产,因为它们对氧气和水敏感,而大型工业生产中难以创造无氧无水的环境。此外许多金属催化剂是重金属,对环境有害。
　　上世纪90年代,开发新型酶催化剂成为热门领域,德国科学家利斯特的工作就是从此开始的。在研究抗体酶时,利斯特开始“跳出盒子”思考酶究竟如何工作。酶一般是由数百个氨基酸组成的巨大分子,许多酶还含有可能具有催化作用的金属组分,然而大量酶催化的反应并不需要这些金属组分参与,而是由酶分子中一个或几个氨基酸驱动。他提出的问题是:氨基酸必须作为酶的一部分才能发挥催化作用吗?一个单独的氨基酸或类似的简单分子,能做同样的工作吗?
　　利斯特测试了用脯氨酸催化羟醛反应的效果。之前曾有研究人员测试过脯氨酸的催化效果,但研究没有持续下去,所以利斯特起初没有抱太大希望。然而出人意料的是,脯氨酸立即起作用了!利斯特不仅证明它是一种高效催化剂,而且还能驱动不对称催化。在两种可能的手性分子产物中,利用脯氨酸催化可以使其中一种占主导。
　　美国普林斯顿大学教授麦克米伦也在朝同样的方向努力。麦克米伦意识到用有机小分子催化是一种可以推广的方法,需要找一个术语来描述。2000年,他在这项成果的相关论文引言中说:“在此,我们介绍了一种‘有机催化’新策略,我们希望它能用于一系列不对称转化。”
　　2000年以来,有机催化剂的发展堪比“淘金热”,而利斯特和麦克米伦保持领先地位。他们设计了大量廉价而稳定的有机催化剂,可用于驱动各种不对称催化反应,还可以用于级联反应,使化工生产中的多个反应步骤连续执行,减少中间产物浪费,大幅提高反应效率。