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                                              科普:讓構建分子發生革命性變化的巧妙工具——2021年諾貝爾化學獎成果解讀
                                              發布人:系統管理員      信息來源:央視網      發布日期:2021-10-12 14:57:24      瀏覽次數:11827次

                                              新華社北京10月6日電(記者張瑩)從太陽能電池到輕便跑鞋,再到治療各種疾病的藥物,許多工業產品依賴于化學家合成的能力。然而要讓肉眼不可見的化學成分按人類所需的方式合成新分子并非易事。2021年諾貝爾化學獎得主本亞明·利斯特和戴維·麥克米倫的成就是,各自獨立開發出一種分子構建工具——不對稱有機催化,它廣泛用于新藥開發,并使化學合成變得更“綠色”。

                                              催化劑是化學合成的一個重要工具,它本身不參與化學反應,但可以改變反應速率,大幅提高合成效率。19世紀的化學家已發現催化現象。1835年,瑞典著名化學家貝爾塞柳斯(也譯作貝采里烏斯)首先指出,有一種新的“力量”可以“產生化學活動”,并列舉某些物質的存在就可以驅動化學反應,這種現象就是“催化”。

                                              此后,催化劑的廣泛應用帶來化學合成工業蓬勃發展。在催化劑的幫助下,人類可以很容易地獲得藥品、塑料、香水等生活所需品。據估計,目前全球約35%的國內生產總值(GDP)涉及化學催化。

                                              然而直到2000年,廣泛使用的催化劑僅有金屬和酶兩大類。其中金屬催化劑很難用于大型工業生產,因為它們對氧氣和水敏感,而大型工業生產中難以創造無氧無水的環境。此外許多金屬催化劑是重金屬,對環境有害。

                                              另一類催化劑酶是蛋白質。生物體內的酶數以千計,它們驅動生命所必需的反應。許多酶還是不對稱催化“專家”,可合成手性分子。手性分子是指與其鏡像分子不能互相重合的、具有一定構象的分子。同樣的化學組分可以生成互為鏡像的手性分子,其特性可能有很大差異?;瘜W家通常只需要其中一種,尤其是生產藥品時,另一種手性分子可能作為雜質混入,這就需要不對稱催化來控制反應。

                                              上世紀90年代,開發新型酶催化劑成為熱門領域,利斯特的工作就是從此開始的。在研究抗體酶時,利斯特開始“跳出盒子”思考酶究竟如何工作。酶一般是由數百個氨基酸組成的巨大分子,許多酶還含有可能具有催化作用的金屬組分,然而大量酶催化的反應并不需要這些金屬組分參與,而是由酶分子中一個或幾個氨基酸驅動。他提出的問題是:氨基酸必須作為酶的一部分才能發揮催化作用嗎?一個單獨的氨基酸或類似的簡單分子,能做同樣的工作嗎?

                                              利斯特測試了用脯氨酸催化羥醛反應的效果。之前曾有研究人員測試過脯氨酸的催化效果,但研究沒有持續下去,所以利斯特起初沒有抱太大希望。然而出人意料的是,脯氨酸立即起作用了!利斯特不僅證明它是一種高效催化劑,而且還能驅動不對稱催化。在兩種可能的手性分子產物中,利用脯氨酸催化可以使其中一種占主導。

                                              與金屬和酶相比,脯氨酸是一種簡單、便宜、環保的分子,因此成為化學家夢寐以求的催化工具?!斑@類催化劑的設計和篩選是我們未來的目標之一?!痹?000年發表這項新成果時,利斯特將有機物驅動的不對稱催化描述為一個充滿潛力的新概念。

                                              麥克米倫也在朝同樣的方向努力。他曾致力于利用金屬改善不對稱催化,然而因為金屬用于工業生產的局限性,最終轉向設計有機催化劑。有機物通常有一個穩定的碳原子骨架,上面附著含有氧、氮、硫、磷等元素的化學基團。麥克米倫判斷,能形成亞胺離子的有機物具有催化能力,因為亞胺離子含有的氮原子對電子有較強的親和性。他據此選擇了幾種有機分子,并測試它們驅動狄爾斯-阿爾德反應的能力。結果如他預料,一些有機分子不僅有效驅動反應,在不對稱催化方面也很出色,在兩種可能的手性分子產物中,其中一種能占產物的90%以上。

                                              麥克米倫意識到用有機小分子催化是一種可以推廣的方法,需要找一個術語來描述。2000年,他在這項成果的相關論文引言中說:“在此,我們介紹了一種‘有機催化’新策略,我們希望它能用于一系列不對稱轉化?!?/p>

                                              2000年以來,有機催化劑的發展堪比“淘金熱”,而利斯特和麥克米倫保持領先地位。他們設計了大量廉價而穩定的有機催化劑,可用于驅動各種不對稱催化反應,還可以用于級聯反應,使化工生產中的多個反應步驟連續執行,減少中間產物浪費,大幅提高反應效率。

                                              不對稱有機催化的發展對藥物合成產生重大影響。在不對稱催化廣泛應用之前,許多合成藥物中包含兩種互為鏡像的手性分子,其中一種具有活性,而另一種是雜質,有時會帶來不良反應。一個災難性的例子是,抗妊娠反應藥物沙利度胺因混入手性分子雜質,而在上世紀中葉造成數以千計人類胚胎發育畸形。而現在利用有機催化劑就可以簡單地獲取手性分子。制藥企業也利用有機催化劑簡化現有藥品生產流程,例如治療焦慮和抑郁的帕羅西汀和治療呼吸道感染的抗病毒藥物奧司他韋等。

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