在諾獎授予的這一領域,我國與國際發展“齊頭并進”

2021-10-07 09:38:32 來源: 科技日報 作者: 張蓋倫

科技日報記者 張蓋倫

10月6日,諾貝爾化學獎名單公布。本杰明·李斯特(Benjamin·List)和戴維·麥克米倫(David·MacMillan)因在 “發展不對稱有機催化”方面作出的卓越貢獻而獲獎。

諾獎委員會評價,他倆的工作將人類構建分子的水平提升到了一個高度。

兩位科學家做出的有機小分子不對稱催化,簡單、漂亮又精彩。

打破思維定式,定義新的催化領域

人們對催化的概念已經不陌生。催化劑,可以加速化學反應。此前,不對稱反應催化劑的角色主要由金屬和大分子的酶扮演。

在構建手性分子時,通常會形成兩種彼此互為鏡像結構的手性分子,但在實際應用中,往往只需要其中一種手性分子,這就需要不對稱催化合成。

諾貝爾獎是青睞不稱催化領域的。2001年,諾貝爾化學獎就授予了不對稱金屬催化領域的“手性催化氫化及氧化反應”。

本杰明·李斯特和戴維·麥克米倫則在2000年各自獨立開發了一種全新而巧妙的分子構建工具——有機小分子催化劑。

是生物大分子化合物,有沒有可能用比酶結構簡單、且不含金屬的有機小分子實現不對稱催化? 本杰明·李斯特當時在美國Scripps研究所工作,他與合作者巴博斯(Barbas)和萊納(Lerner)教授在研究抗體酶催化的過程中,試驗了脯氨酸,證實了這一猜想;而麥克米倫則設計發展了手性二級胺催化劑,替代傳統的金屬催化體系,表現出優異的催化特性。

“他們的實驗并不復雜,甚至可以說相當簡單。”清華大學化學系教授羅三中表示,很多時候,創新需要先在思想和理念上獲得突破。此前傳統主流的催化劑就是金屬和酶,鮮有人想到,分子本身也可以作為催化劑。“有機小分子,在某種程度上就是最小的酶。”羅三中說,“他們打破了一種思維定式,并定義和梳理了這個方向。”

中國科學院化學研究所研究員葉松告訴科技日報記者,在兩人之前,其實有科研人員做過相關研究,更早期的一些文獻中也零星有關于有機小分子催化的報道,比如早在上世紀70年代,就有人發現由脯氨酸催化的不對稱羥醛反應。

“有機小分子催化的概念被正式提出后,這一領域發展迅速。”葉松說。有機小分子催化劑,相比于酶結構更為簡單,合成更為容易;而相比于金屬,其反應條件比較溫和,通常在室溫下就可以進行;而且環境友好,生物毒性小,底物兼容性和適應性強。

不過它也有缺點。有機小分子的催化效率有待進一步提高,跟酶相比,它需要的劑量更大,在工業化應用上還有待拓展。

我國與國際發展水平“齊頭并進” 不過仍有難題待解

有機催化領域被開拓后,科研人員意識到,既然氨基可以做催化劑,那么其他帶官能團的分子也可以做催化劑。羅三中課題組做的就是伯胺催化,在有機小分子催化領域,還有卡賓催化、手性磷酸催化、相轉移催化、有機膦催化等不同方向。

在這一領域,還活躍著我國來自不同科研院所的課題組。

羅三中指出,目前我國在不對稱催化方面的發展水平可以說和國外“齊頭并進”。“我們也有不少課題組做出了高水平的工作,發表了漂亮的研究結果。”一些研究工作甚至早于兩位獲獎教授,比如史一安和楊丹教授分別獨立發展的手性酮類小分子催化劑。

自兩位諾獎得主最初兩項重要工作的發布已經過去20多年,現在,大家要攻克的難關是什么?

“一是要提升催化效率,拓展應用范疇,發展更好的催化體系;二是做一些模式創新,比如將有機小分子催化和其他催化協同,賦予它新的活力;三是發展原創的新型有機小分子催化體系。”羅三中表示,該領域依然很有發展前景。不過,近幾年來,有機小分子不對稱催化的發展腳步確實有所遲緩,其在實際合成中的應用也亟待進一步拓展。“畢竟,領域里好解決的問題都被解決了,剩下的都是難啃的硬骨頭。”

葉松也坦言,有機小分子不對稱催化確實已經過了以前急速發展的階段,但這個領域也是我國的“長板”之一,應該加強長板,鞏固優勢。“從將來的可應用性來講,它很有潛力,有廣闊發展的空間。”葉松說,諾貝爾化學獎頒給了純化學領域的基礎性研究,給了不對稱催化,也是對他們這些從事化學基礎研究人員的一種認可和鼓勵。

“獎項的頒發,能讓大家對有機小分子不對稱催化燃起更多信心。” 羅三中感慨,“當然,難題還在那里,需要我們科研人員繼續努力。”

責任編輯: 馬嘉悅
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