北京时间 2021 年 10 月 6 日下午 5 点 50 分，2021 年诺贝尔化学奖重磅公布，德国马普煤炭研究所所长Benjamin List、普林斯顿大学化学教授David W.C. MacMillan获奖，以表彰他们对“不对称有机催化做出的贡献”。
获奖者简介
Benjamin List
简 介
Benjamin List是德国化学家，1968年出生于德国法兰克福，1997年获得法兰克福大学博士学位，现任马克斯普朗克学会科学会员、科隆大学名誉教授。
David W.C. MacMillan
简 介
David W.C. MacMillan 是美国有机化学家，1968年生于苏格兰，在格拉斯哥大学获得化学学士学位，1996 年在加州大学尔湾分校获得博士学位。现任美国普林斯顿大学教授。
获奖成果
Many research areas and industries are dependent on chemists’ ability to construct molecules that can form elastic and durable materials, store energy in batteries or inhibit the progression of diseases. This work requires catalysts, which are substances that control and accelerate chemical reactions, without becoming part of the final product. For example, catalysts in cars transform toxic substances in exhaust fumes to harmless molecules. Our bodies also contain thousands of catalysts in the form of enzymes, which chisel out the molecules necessary for life.
Catalysts are thus fundamental tools for chemists, but researchers long believed that there were, in principle, just two types of catalysts available: metals and enzymes. Benjamin List and David MacMillan are awarded the Nobel Prize in Chemistry 2021 because in 2000 they, independent of each other, developed a third type of catalysis. It is called asymmetric organocatalysis and builds upon small organic molecules.
“This concept for catalysis is as simple as it is ingenious, and the fact is that many people have wondered why we didn’t think of it earlier,” says Johan Åqvist, who is chair of the Nobel Committee for Chemistry.
Organic catalysts have a stable framework of carbon atoms, to which more active chemical groups can attach. These often contain common elements such as oxygen, nitrogen, sulphur or phosphorus. This means that these catalysts are both environmentally friendly and cheap to produce.
The rapid expansion in the use of organic catalysts is primarily due to their ability to drive asymmetric catalysis. When molecules are being built, situations often occur where two different molecules can form, which – just like our hands – are each other’s mirror image. Chemists will often only want one of these, particularly when producing pharmaceuticals.
Organocatalysis has developed at an astounding speed since 2000. Benjamin List and David MacMillan remain leaders in the field, and have shown that organic catalysts can be used to drive multitudes of chemical reactions. Using these reactions, researchers can now more efficiently construct anything from new pharmaceuticals to molecules that can capture light in solar cells. In this way, organocatalysts are bringing the greatest benefit to humankind.
“理综奖”
化学更像处于不同科学领域交接的中心位置，一边接近为其提供理论基础的物理学，另一边又接近生物学，因为生物学科其实是整个化学学科最复杂领域的延伸。
事实上，在前十年的获奖者中，雅各布斯·范托夫（Jacobus van 't Hoff）、斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）和威廉·奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald），通常被认为是化学的一个新分支——物理化学的创始人。此外，诺贝尔委员会表现出极大的开放性和远见，认识到了另一个边界，即生物学，并在 1907 年将奖项授予了爱德华·比希纳（Eduard Buchner），以表彰他对生物化学的研究。
诺贝尔化学奖的领域突破主要集中在 20 世纪。在此期间，化学学科领域有着新的定义与界定，学科分支得到了新突破，包括在先前学科——物理化学基础上的进展，以及发展出的其他子类，如化学热力学、化学变化、化学结构、有机化学，以及一些生物化学领域。当然，这些不同领域之间的边界是分散的，因此许多获奖者会在不止一个地方被提及。
诺贝尔化学奖的前一百年的历史为现代化学的发展描绘了一幅美丽的蓝图。这些奖项涵盖了从理论化学到生物化学的所有基础化学科学领域，也有一些在应用化学方面做出的贡献。
从颁奖数量来看，有机化学占主导地位，有不少于 25 个奖项。此外，有机化学的大量奖项是授予对日益复杂的自然产物的化学研究，更接近生物化学。
在化学领域的另一端，物理化学（包括化学热力学和动力学）则占主导地位，共有 14 个奖项；但理论化学也有 6 个奖项；化学结构是另一个有 8 个奖项的大领域，包括方法发展奖以及确定大型生物分子或分子复合物的结构奖；工业化学在 1931 年首次被认可，但最近的许多基础贡献奖都与工业应用相近，比如聚合物化学。
由 20 世纪诺贝尔化学奖的发展趋势可以预见，随着计算机技术的发展，理论化学和计算化学将会在 21 世纪得以蓬勃发展，生物系统的研究可能会变得更加重要，从单个大分子转向大型交互系统，比如化学信号和包括大脑在内的神经功能。
构建分子
构建分子是一门困难的艺术。Benjamin List和David W.C. MacMillan开发出一种精确的分子构建新工具——有机催化，这一工具对药物研究产生了巨大影响，并使化学学科更加“绿色”。
许多研究领域和行业都依赖于化学家构建分子的能力，这些分子可以形成弹性及耐用的材料，或者将能量储存在电池中，或者在医学领域实现抑制疾病的进展——以上这些工作都需要催化剂。
催化剂是控制和加速化学反应的物质，但不会成为最终产品的一部分。例如，汽车中的催化剂将废气中的有毒物质转化为无害分子；我们的身体也包含数以千计的酶形式的催化剂，它们可以分解出生命所必需的分子。
因此，催化剂被称为化学家的“基本工具”。但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。Benjamin List和David W.C. MacMillan此次被授予2021年诺贝尔化学奖，正是因为他们在2000年独立开发了第三种催化剂——不对称有机催化，建立在有机小分子的基础上。
酶由数百种氨基酸组成，但通常只有其中的几个参与化学反应。Benjamin List测试了一种叫做脯氨酸的氨基酸是否能催化化学反应。结果，它工作得很出色。脯氨酸具有一个氮原子，其可在化学反应期间提供和容纳电子。图源：诺贝尔奖委员会官方网站
David W.C. MacMillan使用的金属催化剂很容易被潮气破坏，他因此开始怀疑是否有可能开发一种更耐用的催化剂。于是，他设计出一些可产生亚胺离子的简单分子，其中之一被证明在不对称催化方面表现出色。图源：诺贝尔奖委员会官方网站
诺贝尔化学奖委员会主席约翰·阿克维斯特表示：“这个催化概念既简单又巧妙，事实上很多人都想知道，为什么我们没有早点儿想到它。”
有机催化剂有一个稳定的碳原子框架，活性化学基团可以附着在碳原子上。有机催化剂通常由氧、氮、硫或磷等常见元素组成，这意味着这些催化剂既环保又廉价。
有机催化剂使用范围的迅速扩大，主要是由于它们能够驱动不对称催化。在构建分子时，经常会形成两种不同的分子，就像我们的手一样，它们是彼此的镜像。化学家通常只需要其中一种，尤其是在生产药品时。
许多分子以两种变体存在，其中一种是另一种的镜像。这些通常会在身体中产生完全不同的影响。例如，一种版本的柠檬烯分子具有柠檬香味，而其镜像则闻起来像橙子。图源：诺贝尔奖委员会官方网站
自2000年以来，有机催化以惊人的速度发展。Benjamin List和David W.C. MacMillan迄今仍然是该领域的领导者，他们已经证明有机催化剂可用于驱动多种化学反应。
利用这些反应，研究人员现在可以更有效地构建很多东西，从新药物到可以在太阳能电池中捕获光的分子。可以说，通过这种方式，有机催化剂正在为人类带来最大的利益。
Benjamin List的研究
Benjamin List研究的是催化抗体。通常情况下，抗体会附着在我们体内的外来病毒或细菌上，但是，来自斯克里普斯研究所的研究人员重新设计了抗体，让它们能够驱动化学反应。在List研究催化抗体的过程中，他开始思考酶是如何工作的。
当时，斯克里普斯研究所的一个研究小组正在研究这个问题，而List正在那里进行博士后研究。在那里，一个导致了今年诺贝尔化学奖的绝妙想法诞生了。List想知道，是否真的必须要有一整个酶来获得一个催化剂。他对一种名为脯氨酸的氨基酸进行了测试，看它是否能催化化学反应。结果表明，它能出色地完成催化工作。
图片来源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
David W.C. MacMillan的研究
David W.C. MacMillan研究的是金属催化剂，这类催化剂很容易被水分破坏。于是，他想知道是否可以用简单的有机分子制造出一种更加耐用的催化剂。结果他证明不对称催化剂就是这方面的佼佼者。
图片来源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
诺贝尔化学奖近6年获奖者
2020年，法国和美国科学家Emmanuelle Charpentier、Jennifer A. Doudna获奖，获奖理由是“开发出一种基因组编辑方法”。
2019年，美国得州大学奥斯汀分校约翰·班宁斯特·古迪纳夫（John. B. Goodenough）教授、纽约州立大学宾汉姆顿分校斯坦利·惠廷汉姆（Stanley Whittingham）教授和日本化学家吉野彰（Akira Yoshino教授获奖，以表彰其在锂离子电池的发展方面作出的贡献。
2018年，美国科学家弗朗西斯·阿诺德、乔治·史密斯和英国科学家格雷戈里·温特尔获奖，以表彰他们在酶进化控制研究等领域的贡献。
2017年，瑞士洛桑大学的雅克·迪波什、美国哥伦比亚大学的约阿基姆·弗兰克和英国剑桥大学的理查德·亨德森获奖，理由是“研发冷冻电子显微镜，用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”。
2016年，法国斯特拉斯堡大学的让 - 皮埃尔·索维奇，美国西北大学的J·弗雷泽·斯托达特爵士和荷兰格罗宁根大学的伯纳德·L·费林加获奖，以表彰他们在分子机器设计与合成领域的贡献。
2015年，瑞典科学家托马斯·林达尔、美国科学家保罗·莫德里克和拥有美国、土耳其双重国籍的科学家阿齐兹·桑贾尔获奖，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Frederick Sanger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Frédéric Joliot，1935年因“合成新的放射性元素”与妻子Irène Joliot-Curie一起获奖，时年35岁。
最年长的获奖者是美国科学家John B. 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Irène Joliot-Curie、1964年的Dorothy Crowfoot Hodgkin、2009年的Ada Yonath、2018年的Frances H. Arnold，以及2020年的Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna。
注：本文部分内容摘自公众号《学术头条》、《原理》和《科学网》
精彩视频 不要错过
温馨提示：微信公众号信息流改版，每个用户可以设置 常读订阅号，这些订阅号将以大卡片的形式展示。因此，如果不想错过【中科院高能所】的文章，您可以进行以下操作：进入【中科院高能所】公众号 点击右上角的 ··· 菜单 选择「设为星标」