2021年诺贝尔化学奖揭晓！深度解读不对称有机催化原理
http://www.newdu.com 2024/11/24 03:11:13 三好网 佚名 参加讨论
10月6日，2021年诺贝尔化学奖授予两位“不对称有机催化”领域的先驱。这也是20年后，“不对称催化”领域再次斩获诺奖殊荣。  BenjaminList，1968年出生于德国法兰克福，1997年博士毕业于德国法兰克福大学，现任德国马克斯?普朗克煤炭研究所所长。 DavidW.C.MacMillan，1968年出生于英国贝尔希尔，1996年博士毕业于美国加州大学欧文分校，现任美国普林斯顿大学教授 根据诺贝尔奖官方网站介绍，诺贝尔化学奖是根据瑞典著名化学家阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔的遗嘱设立的，旨在颁给“做出最重要的化学发现或改进的人”，由瑞典皇家科学院颁发。诺贝尔化学奖首次颁发是在1901年，获奖者是荷兰化学家雅各布斯·亨里克斯·范托夫，表彰其在发现溶液中的化学动力学法则和渗透压规律以及对立体化学和化学平衡理论作出的贡献。 深度解析：深度解读不对称有机催化原理 诺贝尔化学奖一度被认为是“理综奖”，奖励过很多传统的化学家，也奖励了不少与化学交叉的工作。此次奖励有机小分子不对称催化，被认为是回归到认可传统化学。 “作为化学工作者，我们当然希望化学奖能够回归传统化学，这是对化学这一基础学科中奋斗的科研工作者极大的激励。”香港科技大学副教授、有机化学家黄涌评论说。 他同时表示，“我们也认为越来越多的交叉学科工作会获奖，这也是大势所趋。但这不意味着化学本身已经枯竭。和大自然相比，我们对分子的认知、合成与调控其功能的能力仍然处于蹒跚学步的阶段。而传统化学的突破，更加能够撬动交叉学科颠覆性工作的发现。” 看似相同，却不一样 提到“不对称催化”，我们先要从手性分子说起，手性分子虽然有完全一样的分子式，但是像我们的左手和右手一样，三维结构呈镜像对称，正好相反（见下图）。借用左手和右手的概念，科学家们也用左手构型和右手构型来区分这两种不同的结构。  图片来源：!Original:UnknownVector:--πρλιο,Publicdomain,viaWikimediaCommons 以往的研究早已发现，人体对手性分子的反应可以截然不同，比如一种称为柠檬烯的化合物，它的一种结构闻起来是柠檬的味道，另一种对称结构，闻起来却是橘子的气味。  ▲柠檬烯的不同手性结构让我们闻到不一样的气味（图片来源：参考资料[3]） 在治疗疾病的时候，这种结构的不同可以让一种药物从良药变成毒药。历史上一个著名的例子是上世纪50年代用于治疗孕妇怀孕不良反应的沙利度胺（又名反应停）。它曾经在全球广泛使用，然而在短短几年内，导致上万例畸形儿童的出生。究其根本，是因为沙利度胺是个手性分子，以前合成的药物中，具有两种手性构型的药物各占一半，然而右手构型的沙利度胺是缓解孕妇不良症状的有效疗法，左手构型的沙利度胺却是导致畸形的毒药。 这一事件让医药界广泛关注药物的手性构型，如何生成具有正确手性构型的化合物也成为化学家需要解决的问题。 催化剂——生产手性分子的关键 在生成化合物的化学反应中，催化剂具有重要的功能。它们能够显著提高化学反应的速度。人体中最常见的催化剂就是蛋白酶，它们在所有生物体中存在，驱动着生命必需的化学反应。很多蛋白酶的特点是只会催化生成具有一种手性构型的化合物。借鉴大自然形成的这种“不对称催化”能力，科学家们也开始寻找和设计能进行“不对称催化”的催化剂。 在上世纪60年代，化学家WilliamS.Knowles、RyojiNoyori和K.BarrySharpless使用金属催化剂，成功完成了化学反应中加氢反应和加氧反应的“不对称催化”。他们也因为这些突破性研究在2001年获得了诺贝尔化学奖。  诺贝尔委员会的介绍指出，这一突破带来了首个工业化规模的“不对称催化”合成，生成的药物就是用于治疗帕金森病的左旋多巴（L-DOPA）。左旋多巴至今仍然是治疗帕金森病的主要药物之一。它的成功也激发了更多“不对称催化”的研究。 构建分子的新工具 在2000年以前，催化剂的种类大致分为两种：金属或者蛋白酶。金属催化剂虽然在“不对称催化”方面获得成功，但是它们也不同的局限性。比如很多金属催化剂是重金属，对环境有害，而且有些金属催化剂需要在没有氧气或者潮气的情况下产生作用。这让它们难于用于大规模生产。 另一种催化剂是蛋白酶，它们是非常有效的“不对称催化剂”，也是科学家们想要模仿的对象。今年获奖的BenjaminList教授在做博士后的时候，开始思考蛋白酶工作的原理。蛋白酶虽然由上百个氨基酸组成，然而真正驱动催化作用的只是其中的一个或几个氨基酸。List博士想的是：这几个氨基酸只有在蛋白酶里才能起作用吗？一个氨基酸，或者其它具有类似结构的简单分子能不能同样有效？ 让药物生产更为迅速和简便 诺贝尔奖委员会成员PeterSomfai在化学奖宣布后表示，有机催化剂的出现像是棋盘上出现的一个有全新功能的棋子，它改变了整个游戏的规则。 比如，有机催化剂能够连续催化好几步化学反应，这大幅度减少化合物的合成步骤。以非常复杂的天然分子番木鳖碱为例，在1952年首次合成时，它需要29步不同的化学反应，而且只有0.0009%的原料最终生成番木鳖碱，其余都在反应过程中浪费了。到了2011年，使用有机催化，研究人员合成番木鳖碱只需12步，并且提高生产效率7000倍。 过去6年诺贝尔化学奖得主名单 2020年——法国和美国科学家EmmanuelleCharpentier、JenniferA.Doudna获奖，获奖理由是“开发出一种基因组编辑方法”。 2019年——美国和日本3位科学家JohnBGoodenough、M.StanleyWhittlingham、AkiraYoshino获奖，获奖理由是“在锂离子电池的发展方面作出的贡献”。 2018年——美国科学家FrancesH.Arnoid获奖，获奖理由是“研究酶的定向进化”；另外两位获奖者是美国的GeorgeP.Smith和英国的SirGregoryP.Winter，获奖理由是“研究缩氨酸和抗体的噬菌体展示技术”。 2017年——瑞士、美国和英国3位科学家JacquesDubochet、JoachimFrank和RichardHenderson获奖，获奖理由是“研发出冷冻电镜，用于溶液中生物分子结构的高分辨率测定”。 2016年——法国、美国、荷兰3位科学家Jean-PierreSauvage、J.FraserStoddart和BernardL.Feringa获奖，获奖理由是“分子机器的设计与合成”。 2015年——瑞典、美国、土耳其3位科学家TomasLindahl、PaulModrich和AzizSancar获奖，获奖理由是“DNA修复的机制研究”。 诺贝尔化学奖小知识 ——截至2020年，诺贝尔化学奖共颁发了112次，没有颁发的8年分别是1916、1917、1919、1924、1933、1940、1941和1942年。 ——1901年至2020年，共186人次获奖，实际获奖个人为185人，因为英国科学家FrederickSanger于1958年和1980年两次获奖。 ——112次颁奖中，63次为单独获奖者，24次为2人共享，25次为3人共享。 ——最年轻的获奖者是法国科学家FrédéricJoliot，1935年因“合成新的放射性元素”与妻子IrèneJoliot-Curie一起获奖，时年35岁。 ——最年长的获奖者是美国科学家JohnB.Goodenough，2019年因“在锂离子电池的发展方面作出的贡献”获奖，时年97岁。他也是迄今为止所有诺奖得主中获奖时最年长的一位。 ——185位诺贝尔化学奖得主中，有7位女性。分别是1911年的居里夫人（居里夫人另外还获得1903年的物理学奖）、1935年的IrèneJoliot-Curie、1964年的DorothyCrowfootHodgkin、2009年的AdaYonath、2018年的FrancesH.Arnold，以及2020年的EmmanuelleCharpentier和JenniferA.Doudna。 声明： (责任编辑：admin) |
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