有机催化,打造新世界的“魔棒”
——简介2021年诺贝尔化学奖

2021-02-24 09:39赵皆冀
农村青少年科学探究 2021年11期
关键词:魔棒化学家本杰明

○赵皆冀

2021年10月6日,瑞典皇家科学院宣布将2021年诺贝尔化学奖授予本杰明·李斯特(Benjamin List)和戴维·麦克米伦(Da⁃vid MacMillan),因为他们在“发展不对称有机催化”方面做出了卓越的贡献。有机催化这一工具对药物研究等领域产生了巨大影响,并使化学学科更加“绿色”。

催化剂的定义及发现过程

化学反应无处不在,世界就是由无数的化学反应构成的。我们为什么会长大?这是因为我们从外界吸收各种物质,再在体内经过各种化学变化,生成我们的肌肉、骨骼等,我们才能慢慢长大。自然界的动植物的生长发育也是一样。还有,我们日常所用的东西,没有一样能离开化学反应。它们不仅是化学反应的产物,还在不断进行着各种化学反应,比如食物会变质,铁会生锈等。

19 世纪,化学家们探索不同的化学反应时,有了一些奇怪的发现。比如把银和过氧化氢放在烧杯中,过氧化氢突然开始分解成水和氧气,但启动这一过程的银似乎完全不受反应的影响。1835 年,瑞典著名化学家Jacob Berzelius 发现了其中一个规律,并写道:有一种新的“力量”可以“引起化学活动”。他列举了几个例子来说明只有一种物质的存在才会引发化学反应,表示这种现象比之前认为的要普遍得多。他认为这种物质具有催化力,并把这种现象本身称为催化。

初中课本上这样定义催化剂:在化学反应里能改变(加快或减慢)其他物质的化学反应速率,而本身的质量和化学性质在反应前后(反应过程中会改变)都没有发生变化的物质叫做催化剂,又叫触媒。

催化剂在自然界的存在非常普遍。例如,我们的身体就包含数以千计的酶类催化剂,它们可以分解出生命所必需的分子,可以用来构建赋予生命形状、颜色和功能的分子复合物。化学家们分离出这些化学杰作——酶类催化剂时,他们只是羡慕地看着它们。在他们自己的工具箱中,用于分子构造的“锤子”和“凿子”都是钝的、不可靠的。所以当他们复制自然产生的物质时,往往会产生大量不必要的副产品。

自Jacob Berzelius 时代以来,化学家们已经发现了多种催化剂。催化剂因而被称为化学家的“基本工具”。化学家们添加到“工具箱”中的每一个新“工具”都提高了分子结构的精确度。这给人类带来了巨大好处,创造出了我们日常生活中千万种不同的新物质,如药品、塑料、香水和食品调味料等。据估计,在某种程度上,全球35%的GDP 涉及化学催化。

金属和酶类催化剂的弊端

长期以来,研究人员认为,原则上只有两种催化剂可用:金属和酶。金属通常是很好的催化剂,但也存在一些问题,比如对氧气和水非常敏感。因此,为了使它们发挥作用,需要没有氧气和水分的环境。实验室中,实现某些金属催化剂所要求的无氧、无湿条件相对简单,但在这样的条件下进行大规模的工业生产是复杂的,很难实现。此外,许多金属催化剂是重金属,对环境有害。

所有生物体内都有成千上万种不同的酶,它们驱动生命所必需的化学反应。很多酶并肩工作,当一个酶完成反应后,另一个酶就会取而代之。通过这种方式,它们以惊人的精确度构建复杂分子,如胆固醇、叶绿素等。由于很多酶都是不对称催化的“专家”,原则上总是形成镜像。即在化学构造过程中,许多分子存在于两种变体中,一种是另一种的镜像。互为镜像的分子有某些完全不同的性质。例如,柠檬烯分子有一种柠檬气味,而它的镜像闻起来像橙子。然而,化学家往往只想要镜像中的一个分子。特别是在生产药品时,许多药物都包含分子的镜像,其中一种是活性的,而另一种有时会产生不良影响。一个灾难性的例子是20 世纪60 年代的沙利度胺丑闻,沙利度胺药物的一个镜像导致数千个发育中的人类胚胎严重畸形。

跳出固有思维,研发新“魔棒”

本杰明·李斯特和戴维·麦克米伦此次被授予2021 年诺贝尔化学奖,是因为他们成功超越了催化剂只有金属和酶这两大类的这一成见,为化学家奋斗几十年的问题找到了一个巧妙的解决方案。

在研究催化抗体的过程中,本杰明·李斯特跳出常规思考:氨基酸必须是酶的一部分才能催化化学反应吗?一个氨基酸或其他类似的简单分子能做同样的工作吗?为此,他测试了一种名为脯氨酸的氨基酸是否能催化化学反应。实验结果证明,脯氨酸不仅是一种高效的催化剂,而且可以驱动不对称催化。在两种可能的镜像中,其中一种镜像的形成要比另一种更常见。

本杰明·李斯特发现脯氨酸可能具有巨大潜力。与金属和酶相比,脯氨酸是化学家梦寐以求的工具。它是一种非常简单、便宜、环保的分子。2000 年2 月,当发表他的发现时,他将有机分子的不对称催化描述为一个拥有很多机会的新概念,“这些催化剂的设计和筛选是我们未来的目标之一”。

在加州北部,戴维·麦克米伦也在朝着同样的目标努力。戴维·麦克米伦在哈佛大学时曾致力于利用金属改善不对称催化。这是一个吸引了大量研究人员关注的领域,但戴维·麦克米伦发现,金属催化剂很容易被水分破坏,很少用于工业。他开始思考原因,最后得出的结论是,如果他正在开发的化学工具要有用,他需要重新思考。所以他搬到加州大学伯克利分校后,丢下了金属,开始尝试开发一种更耐用的催化剂,即简单的有机分子。

戴维·麦克米伦认为,一个有机分子要催化感兴趣的反应,就必须能够形成亚胺离子。他选择了几个具有正确性质的有机分子,然后测试了它们。正如他所希望和相信的那样,这一招非常奏效。一些有机分子在不对称催化方面也很出色,在两种可能的镜像中,其中一种占据了产物的90%以上。

当戴维·麦克米伦准备发表他的研究结果时,他意识到他发现的催化概念需要一个名字。事实上,研究人员以前已成功利用小的有机分子催化化学反应,但这些都是孤立的例子,没有人意识到这种方法可以推广。戴维·麦克米伦想找一个术语来描述这种方法,这样其他研究人员就会明白还有更多的有机催化剂有待发现。因此他选择了“有机催化”这个词。

2000 年1 月,就在本杰明·李斯特发表他的发现之前,戴维·麦克米伦将自己的手稿提交给了一家科学杂志准备发表。引言中提到,“在此,我们介绍了一种新的有机催化策略,我们希望它能适应一系列的不对称转化”。

为什么之前没有人提出这个简单、绿色、廉价的不对称催化概念呢?答案有很多,一个原因就是简单的想法往往是最难想象的,我们容易被先入为主的观念所羁绊。本杰明·李斯特和戴维·麦克米伦的成功恰恰就是敢于打破先见的桎梏。

有机催化应用蓬勃发展

自2000 年以来,不对称有机催化应用领域几乎可以比作淘金热。李斯特和麦克米伦在该领域保持领先地位,设计了大量廉价且稳定的有机催化剂,用于驱动各种化学反应。

以前,在化工生产过程中,每一个中间产物都需要分离和提纯,否则副产品的体积会很大,这导致在化学结构的每一步都有一些物质流失。而有机催化剂相对来说,可以大大减少化学制造中的浪费。

药物研究往往需要不对称催化,因而有机催化已经对药物研究产生了重大影响。利用有机催化,研究人员现在可以相对简单地制造大量不同的不对称分子,例如可以人工生产具有潜在疗效的物质,否则只能从稀有植物或深海生物中少量分离出来。在制药公司,这种方法也被用来简化现有药品的生产,例如用于治疗焦虑和抑郁的帕罗西汀,以及用于治疗呼吸道感染的抗病毒药物奥司他韦等。

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