今年的诺贝尔化学奖花落有机化学！！
北京时间10月6日下午5点49分许，2021年诺贝尔化学奖揭晓。本杰明·李斯特和大卫·w·c·麦克米伦因“在不对称有机催化方面的发展”被授予2021年诺贝尔化学奖。
挖一下两位大牛的生平：
Benjamin List教授1997年于法兰克福大学获得博士学位，之后在美国 Scripps研究所做博士后研究并留所仼助理教授。2003年起， Benjamin List教授入职马克斯•普朗克煤炭研究所，并于2005年荣升为教授。
Benjamin ListBenjamin List教授主要从事有机催化与合成，是不对称有机催化领域的开创者之一，发展了一种新型不对称催化模式：手性抗衡阴离子导向的不对称催化(ACDC)，目前共发表SCI论文200多篇。近年来获得的主要荣誉有 Otto-Bayer- Prize(2012)，Horst-Pracejus-Prize (2013), Mukaiyama Award (2013), Arthur C. Cope Scholar Award (2014), Gottfried Wilhelm Leibniz- Prize(2016)等。Benjamin List教授目前担任Synlett 杂志主编，还在 Nature communications, Synfacts 等专业杂志担任编委。
David MacMillanDavid MacMillan是美国有机化学家，美普林斯顿大学教授，曾获得阿瑟・Ｃ・科普学者奖、ACS Award for Creative Work in SyntheticOrganic Chemistry奖等多个奖项。其课题组一直从事不对称催化、新的反应方法学以及天然产物全合成研究，尤其在有机小分子催化和光催化氧化还原催化方面颇有建树，屡屡发表Nature、Science、JACS等高水平文章。
工欲善其事必先利其器，他们的工具彻底改变了分子的结构！
化学家可以通过将小的化学构件连接在一起来创造新的分子，但控制看不见的物质使它们以理想的方式结合是很困难的。本杰明-利斯特和大卫-麦克米伦被授予2021年诺贝尔化学奖，因为他们开发了一种新的、巧妙的分子构建工具：有机催化。它的用途包括研究新的药品，它也有助于使化学更环保。
许多行业和研究领域都依赖于化学家构建新的和功能性分子的能力。这些可能是任何东西，从在太阳能电池中捕获光线或在电池中储存能量的物质，到可以制造轻质跑鞋或抑制身体内疾病进展的分子。然而，如果我们将自然界建造化学作品的能力与我们自己的能力相比较，我们早就停留在石器时代了。进化产生了令人难以置信的具体工具–酶，用于构建分子复合体，使生命具有形状、颜色和功能。最初，当化学家研究这些化学杰作时，他们只是以欣赏的眼光看着它们。他们自己的工具箱中用于构建分子的锤子和凿子是钝的和不可靠的，所以当他们复制自然界的产品时，往往会产生许多不需要的副产品。
工欲善其事必先利其器！更精细的化学的新工具
化学家们在他们的工具箱中添加的每一个新工具都提高了他们分子结构的精确度。缓慢但肯定的是，化学已经从石头上的凿子进步到更像手工艺的东西。这对人类有很大的好处，其中一些工具已经获得了诺贝尔化学奖的奖励。
许多分子存在两个变体，其中一个是另一个的镜像。这些分子在体内往往具有完全不同的效果。例如，柠檬烯分子的一个版本有柠檬的香味，而它的镜像闻起来像橘子。
被授予2021年诺贝尔化学奖的这一发现将分子构造提升到一个全新的水平。它不仅使化学变得更加绿色，而且也使生产不对称分子变得更加容易。在化学构建过程中，经常会出现这样的情况：可以形成两个分子，就像我们的手一样，是彼此的镜像。化学家往往只想得到其中一个镜像，特别是在生产药品时，但一直很难找到有效的方法来做到这一点。
由BenjaminList和DavidMacMillan提出的概念–不对称有机催化–既简单又出色。事实上，许多人都在想，为什么我们没有早一点想到它。确实是为什么？这不是一个容易回答的问题，但在我们尝试之前，我们需要快速回顾一下历史。我们将对催化作用和催化剂这两个术语进行定义，并为2021年诺贝尔化学奖奠定基础。
催化剂加速化学反应
在19世纪，当化学家开始探索不同化学品之间的反应方式时，他们有一些奇怪的发现。例如，如果他们把银放在装有过氧化氢的烧杯中，过氧化氢突然开始分解为水和氧气。但是银这个过程的开始似乎根本没有受到反应的影响。同样，从发芽的谷物中获得的一种物质可以将淀粉分解成葡萄糖。
1835年，著名的瑞典化学家Jacob Berzelius开始看到其中的一个模式。在瑞典皇家科学院的年度报告中，描述了物理学和化学的最新进展，他写到了一种新的”力量”，可以”产生化学活动”。他列举了几个例子，在这些例子中，仅仅是一种物质的存在就开始了化学反应，并指出这种现象似乎比以前认为的要普遍得多。他认为这种物质有一种催化作用，并称这种现象本身为催化作用。
催化剂生产塑料、香水和有利的食品
自贝尔泽留斯时代以来，大量的水已经流经化学家的移液器。他们发现了大量的催化剂，可以分解分子或将它们连接在一起。有了这些催化剂，他们现在可以雕刻出我们在日常生活中使用的成千上万种不同的物质，如医药、塑料、香水和食品添加剂。事实上，据估计，世界GDP总量的35%以某种方式涉及化学催化。
原则上，在2000年之前发现的所有催化剂都属于两组中的一组：它们要么是金属，要么是酶。金属通常是优秀的催化剂，因为它们有一种特殊的能力暂时容纳电子或在化学过程中向其他分子提供电子。这有助于松动分子中的原子之间的联系，因此，原本牢固的纽带可以被打破，新的纽带可以形成。
然而，一些金属催化剂的一个问题是，它们对氧气和水非常敏感，因此，为了使这些催化剂发挥作用，它们需要一个没有氧气和水分的环境。这在大规模工业中很难实现。此外，许多金属催化剂是重金属，可能对环境有害。
生命的催化剂以惊人的精确度发挥作用
第二种形式的催化剂是由被称为酶的蛋白质组成的。所有生物都有成千上万种不同的酶，它们驱动着生命所需的化学反应。许多酶是不对称催化的专家，原则上总是在可能的两个镜像中形成一个。它们还并肩工作；当一种酶完成反应后，另一种酶会接手。通过这种方式，它们可以以惊人的精度构建复杂的分子，如胆固醇、叶绿素或称为马钱子的毒素，这是我们所知的最复杂的分子之一（我们将回到这个问题）。
由于酶是如此高效的催化剂，20世纪90年代的研究人员试图开发新的酶变体来驱动人类所需的化学反应。一个致力于此的研究小组设在南加州的斯克里普斯研究所，由已故的卡洛斯-F-巴巴斯三世领导。本杰明-利斯特在巴巴斯的研究小组中担任博士后职务，当时他产生了一个绝妙的想法，导致了今年诺贝尔化学奖背后的发现之一。
本杰明-利斯特跳出框框思考…
本杰明-利斯特利用催化抗体进行工作。通常情况下，抗体附着在我们体内的外来病毒或细菌上，但斯克里普斯的研究人员重新设计了它们，使它们能够驱动化学反应。
在他研究催化抗体的过程中，本杰明-利斯特开始思考酶的实际工作原理。它们通常是由数百个氨基酸组成的巨大分子。除了这些氨基酸之外，相当大比例的酶还含有金属，有助于推动化学过程。但是–这就是问题所在–许多酶在没有金属的帮助下催化化学反应。
相反，这些反应是由酶中的一个或几个单独的氨基酸驱动的。本杰明-利斯特的发散性问题是：为了催化化学反应，氨基酸必须是酶的一部分吗？或者单个氨基酸或其他类似的简单分子也可以做同样的工作？
取得了革命性的成果
他知道在20世纪70年代初的研究中，有一种叫做脯氨酸的氨基酸被用作催化剂，但那已经是25年多以前的事了。当然，如果脯氨酸真的是一种有效的催化剂，有人会继续研究它？
这或多或少是本杰明-利斯特的想法；他认为，没有人继续研究这一现象的原因是它的效果不是特别好。在没有任何实际期望的情况下，他测试了脯氨酸是否能够催化醛缩反应，在该反应中，来自两个不同分子的碳原子被结合在一起。这是一个简单的尝试，但令人惊讶的是，它直接起了作用。
酶由数百个氨基酸组成。但往往只涉及其中的几个在化学反应中。本杰明开始来怀疑是否真的需要整个酶来获得催化剂。本杰明测试了一种名为脯氨酸的氨基酸–在其所有的简单性中–是否能够催化化学反应。它的效果非常好。脯氨酸有一个氮原子，可以在化学反应中提供和容纳电子。本杰明-利斯特确定了他的未来
通过他的实验，本杰明-利斯特不仅证明了脯氨酸是一种有效的催化剂，而且还证明了这种氨基酸可以驱动不对称的催化作用。在两个可能的镜像中，其中一个的形成要比另一个常见得多。
与之前测试脯氨酸作为催化剂的研究人员不同，本杰明-利斯特了解它可能具有的巨大潜力。与金属和酶相比，脯氨酸是化学家梦寐以求的工具。它是一个非常简单、廉价和环保的分子。当他在2000年2月发表他的发现时，List把用有机分子进行不对称催化描述为一个具有许多机会的新概念。”设计和筛选这些催化剂是我们未来的目标之一”。
然而，在这方面他并不孤单。在加利福尼亚州更北边的一个实验室里，大卫-麦克米伦也在努力实现同样的目标。
大卫-麦克米伦留下了敏感的金属…
两年前，大卫-麦克米伦从哈佛大学转到加州大学伯克利分校。在哈佛大学，他他曾致力于改善使用金属的不对称催化作用。这是一个正在吸引着研究人员给予了很大的关注，但David MacMillan指出，被开发出来的催化剂是怎样的？在工业中很少使用。他开始思考其原因，敏感的金属的使用简直太困难和昂贵了。
实现无氧和防潮，一些金属催化剂所要求的自由条件在实验室中相对简单，但在这种条件下进行大规模的工业生产是复杂的。他的结论是，如果他正在开发的化学工具是有用的，他需要一个重新思考。因此，当他搬到伯克利时，他把金属留下了。
开发出了一种更简单的催化剂形式
相反，大卫-麦克米伦开始设计简单的有机分子，这些分子就像金属一样可以暂时提供或容纳电子。在这里，我们需要界定什么是有机分子简而言之，这些是构建所有生物的分子。它们有一个稳定的框架，由碳原子。活性化学基团附着在这个碳框架上，它们通常含有氧、氮、硫或磷。
因此，有机分子由简单和常见的元素组成，但根据它们的方式放在一起，它们可以有复杂的属性。大卫-麦克米伦的化学知识告诉我们他认为，一个有机分子要想催化他感兴趣的反应，需要能够形成一个亚氨基离子。这包含一个氮原子，它对电子有固有的吸引力。
他选择了几个具有正确属性的有机分子，然后测试了它们驱动的能力。一个Diels-Alder反应，化学家用它来构建碳原子环。正如他所希望的那样，并且相信，它的效果非常出色。一些有机分子在不对称性方面也很出色。催化作用。在两个可能的镜像中，其中一个包含了90%以上的产品。
David MacMillan创造了有机催化这一术语
当大卫-麦克米伦准备发表他的成果时，他意识到他所发现的催化概念需要一个名称。事实上，研究人员之前已经成功地用小的有机分子催化了化学反应，但这些都是孤立的例子，没有人意识到这种方法是可以推广的。
David MacMillan希望找到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。他的选择是有机催化。2000年1月，就在本杰明-利斯特发表他的发现之前，大卫-麦克米伦将他的手稿提交给一家科学杂志发表。
引言中说：
“在此，我们介绍了一种新的有机催化策略，我们希望它能适用于一系列的不对称转化”。有机催化的使用已经蓬勃发展
本杰明-利斯特和大卫-麦克米伦相互独立地发现了一个全新的催化概念。自2000年以来，这一领域的发展几乎可以比作淘金热，List和MacMillan在其中保持着领先的地位。
他们设计了大量廉价和稳定的有机催化剂，可以用来驱动大量的化学反应。有机催化剂不仅经常由简单的分子组成，而且在某些情况下，就像自然界的酶一样，它们可以在传送带上工作。以前，在化学生产过程中，有必要分离和纯化每个中间产品，否则副产品的数量会太多。
这导致了一些物质在化学结构的每一步中都会丢失。有机催化剂的宽容度更高，因为相对而言，一个生产过程中的几个步骤可以不间断地进行。这就是所谓的级联反应，它可以大大减少化学生产中的浪费。
马钱子的合成效率现在提高了7,000倍
有机催化如何导致更有效的分子结构的一个例子是天然的、令人震惊的复杂的马钱子分子的协同论证。许多人都会从谋杀悬疑小说女王阿加莎-克里斯蒂的书中认出马钱子。
然而，对于化学家来说，马钱子就像一个魔方：一个你想用尽可能少的步骤来解决的挑战。在1952年首次合成马钱子时，需要进行29个不同的化学反应，只有0.0009%的初始材料形成马钱子。其余的都被浪费了。
2011年，研究人员能够利用有机催化和级联反应，仅用12个步骤就能制造出马钱子，而且生产过程的效率提高了7000倍。
有机催化在制药生产中最为重要
有机催化对制药研究产生了重大影响，而制药研究往往需要有一个良好的环境。不对称的催化作用。在化学家能够进行不对称催化之前，许多药品包含一个分子的两个镜像；其中一个有活性，而另一个有时会产生不必要的影响。这方面的一个灾难性例子是20世纪60年代的沙利度胺丑闻，其中沙利度胺药品的一个镜像导致数千名发育中的人类胚胎出现严重畸形。
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，他们可以人工生产潜在的治疗性物质，否则只能从稀有植物或深海生物中分离出少量的物质。在制药公司，该方法也被用来简化现有药品的生产。这方面的例子包括用于治疗焦虑和抑郁症的帕罗西汀，以及用于治疗呼吸道感染的抗病毒药物奥司他韦。
简单的想法往往是最难以想象的
可以列出成千上万个关于如何使用有机催化的例子–但为什么没有人更早地提出这个简单、绿色和廉价的不对称催化概念呢？这个问题有很多答案。一个是简单的想法往往是最难以想象的。我们的观点被关于世界应该如何运作的强烈先入为主的观念所遮蔽，例如只有金属或酶才能驱动化学反应的想法。本杰明-利斯特和大卫-麦克米伦成功地看透了这些成见，为化学家们奋斗了几十年的问题找到了一个巧妙的解决方案。因此，有机催化剂现在正为人类带来最大的好处。
参考2021年诺贝尔化学奖
