中原標準時間10月6日下午，2021年諾貝爾化學獎揭曉。Benjamin List和David W.C MacMillan因"不對稱有機催化的發展"而被授予2021年諾貝爾化學獎。
本傑明·李斯特1968年出生于德國法蘭克福。他于1997年獲得法蘭克福大學博士學位。他目前是德國地圖煤炭研究所的研究員。
大衛·卡梅隆·C. .C·麥克米蘭1968年出生于英國貝爾斯希爾。他于1996年在美國加州大學歐文分校獲得博士學位。他目前是美國普林斯頓大學的教授。
建構分子的智能工具
建構分子是一門困難的藝術。Benjamin List和David MacMillan因開發一種用于精确分子建構的新工具有機催化而獲得2021年諾貝爾化學獎。這對藥物研究産生了巨大影響，使化學更加環保。
許多研究領域和工業都依賴于化學家的能力來建構分子，這些分子形成彈性和耐用的材料，這些材料将能量儲存在電池中或抑制疾病進展。這項工作需要催化劑，催化劑是控制和加速化學反應的物質，不會成為最終産品的一部分。例如，汽車中的催化劑将廢氣中的有毒物質轉化為無害分子。我們的身體還含有數千種酶形式的催化劑，這些催化劑可以鑿出生命所需的分子。
是以，催化劑是化學家的基本工具，但研究人員長期以來一直認為，原則上隻有兩種催化劑：金屬和酶。本傑明·李斯特（Benjamin Lister）和大衛·麥克米倫（David Macmillan）獲得了2021年諾貝爾化學獎，因為他們各自在2000年開發了第三種催化作用。它被稱為不對稱有機催化，建立在小有機分子上。
"催化的概念簡單而聰明，事實上，許多人想知道為什麼我們沒有早點考慮它，"諾貝爾化學委員會主席Johan 2qvist說。
有機催化劑具有穩定的碳原子架構，其中可以附着更活躍的化學基團。它們通常含有常見的元素，如氧，氮，硫或磷。這意味着這些催化劑既環保又便宜。
有機催化劑使用量的迅速擴大主要是由于其驅動不對稱催化的能力。當分子形成時，通常會發生兩種不同的分子形成，像我們的手一樣互相鏡像。化學家通常隻需要其中之一，特别是在生産藥物時
自2000年以來，有機催化一直以驚人的速度發展。Benjamin List和David MacMillan仍然是該領域的上司者，他們已經證明有機催化劑可以用來驅動大量的化學反應。利用這些反應，研究人員現在可以更有效地建構任何東西，從新藥到可以在太陽能電池中捕獲光的分子。通過這種方式，有機催化劑為人類帶來了最大的利益。
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生物分子不對稱自催化的手源實驗研究
王維
介紹
我有一個大學同學，做有機合成，在中國科技大學讀博士。有一次，他以某種方式與他談論了化學的起源，他對此表示了極大的興趣，但對我來說，關于生物分子的化學起源的許多假設（即我在之前的部落格文章中提到的那些），他說他不了解這些實體因素，而是作為有機化學的研究， 他的第一反應是不對稱催化，因為隻有不對稱催化才能實作反射器的高度不對稱性。那天晚上，他給我發了幾篇關于不對稱催化的清單和麥克米利安的文章。也是從那時起，我開始慢慢了解這些知識。
不對稱催化
早在20世紀30年代，就有報道稱金屬被裝載到絲綢上，然後水解成具有一定光學活性的産品，但此後很長一段時間都沒有取得任何進展。直到1968年，孟山都的諾爾斯才使用嵌合配體和金屬钯形成的配合物作為催化劑，在世界上首次發明了不對稱催化加氫。雖然當時的結果并不完美，并且結果僅在CC上發表，但正是這項原創工作開創了催化合成化學分子的同等不對稱性。在20世紀70年代初，諾爾斯在孟山都公司使用不對稱氫化技術實施了帕金森病L-Doba的工業合成治療，L-Doba是一種手工制作的藥物。這不僅成為世界上第一個手法合成工業化的例子，更重要的是，一個不對稱催化合成的手部分子的旗幟，極大地推動了這一研究領域的發展。從那時起，日本野織良治（當我還是研究所學生時，生物有機化學的講師老師花了2節課來介紹這個人的工作，據說非常勤奮，在日本有"不死鳥"）創造性地發展了這項工作，發明了手工制作的雙音BINAP作為配體分子的代表， 通過正确的金屬比對形成一系列新穎高效的手工催化劑，不對稱催化加氫反應，已經達到了100%的三維選擇性，以及反應物對催化劑的活性高達數十萬，實作了不對稱催化合成的效率和實用性，并将不對稱催化加氫反應提高到一個高度。
Sharpless還從另一側發展出不對稱催化氧化反應。早在20世紀80年代初，利用C2對稱天然殼钛分子DET和Ti（OPri）4的組合作為催化劑，實作了烯烴的不對稱環氧化反應，在随後的10年中，該反應從實驗和理論兩個方面進行了改進和完善，使其成為不對稱合成研究領域的又一裡程碑。從那時起，夏普斯将不對稱氧化反應擴充到不對稱雙羟基化反應。目前，不對稱環氧化反應和雙羟基烷基化反應已成為世界上應用最廣泛的化學反應。近年來，夏普斯還發現了不對稱催化氧化反應中的手放大和非線性效應等新概念，這些概念在理論和實踐中都具有重要意義。
這三個人分享了2001年諾貝爾化學獎，以表彰他們對不對稱催化的傑出貢獻，這在之前的部落格文章中也提到過（照片，http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=202111）。自1968年Knowles實作其第一個不對稱催化反應以來，這一領域的研究取得了巨大進展，已經合成并報道了數千種手配體分子和化學催化劑，不對稱催化合成已應用于幾乎所有類型的有機反應，并已成為工業上手工物質合成的重要方法， 特别是在制藥行業。目前，不對稱催化合成正向超分子化學和化學生物學的研究延伸，生物催化的人工模拟已成為不對稱催化的重要研究方向。
有機小分子催化不對稱合成
不知道大家有沒有注意到，上面提到的催化反應中使用的催化劑大多是含有rh、Ti、Ir等過渡元素的金屬配合物有機分子，這似乎并不能合理地解釋生物分子的起源。催化不對稱合成的小有機分子的存在是一個很好的解釋。
事實上，在上面提到的"生物催化人工模拟"中就有一個恰當的例子。在有機化學中，醛縮痕是用于形成C-C鍵的最常用方法之一。生物體中有一類稱為醛縮酶的酶可以實作這種反應。大多數酶催化反應都與金屬有關，例如涉及鋅的II類醛縮酶。多年來，化學家已經開發出許多不對稱的Aldol縮合物，模拟II類Aldolase，一種金屬催化，配體控制的反應。但生物體中還有一種醛縮酶，I類醛縮酶，它不需要金屬參與。德國化學家清單（圖1）試圖使用簡單的仲胺模拟複雜的酶，首先選擇了脯氨酸，結果出乎意料，收率為68%，ee為76%（JACS，122：2395）。李斯特随後篩選了催化劑，發現最便宜的脯氨酸幾乎是最好的催化劑，迫使人們驚歎于大自然的幽靈工作。
圖 1，清單
從那時起，在德國法蘭克福大學偶然發現，在巴巴斯實驗室工作了97年，然後作為AP，并在2003年作為地圖中的煤礦勞工，List的老闆Carlos F. Barbas III（UCSD）和David W.。C MacMillan（加州大學伯克利分校）等人，有機不對稱催化取得了很大進展（我在之前的部落格文章中提到了它們，當我預測今年的諾貝爾化學獎時，http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=201320）。後來，脯氨酸衍生物或類似物、金吉納生物堿、肽和類似化合物具有不對稱催化作用的小有機分子，對産物的不對稱收率也明顯提及（許多可達到ee值的98%以上）。這些分子，特别是構成生物蛋白的脯氨酸的不對稱催化功能，無疑支援了生物分子手的誕生。但是他們催化的反應主要是Aldol反應，Mannich反應和Michael添加物，以及有機相中其他類型的有限反應，并且沒有關于水相中生物分子的手觸起源的類似研究，是以這隻是一個啟示。
不對稱自催化 - Soai反應
我們都知道，通常化學反應的手部産物是外泌體，即兩種類型的手的量完全相同。但是在1995年，日本東京理科大學的化學家Kenso Soai（圖2）報道了對自然界的不可思議的反應（圖3，自然，1995，378：767），在第1代和第2代反應3的過程中，如果将少量低ee值添加到3中，則由此産生的兩對産物3将具有顯着不對稱的過量， 甚至高于初始加法 3 的 ee 值。這種反應後來被命名為soai反應。
圖2 蘇艾健三
圖3 蘇艾反應
後來進一步的深入研究發現了更令人驚訝的結果：1）Soai發現，即使初始ee值為3非常低，低至10-5%，最終産品ee值也可以達到99.5%（Angew，42：3）15）;2）Singleton發現，如果最初沒有加入手3，但将反應産物作為"引物"加入到另一個反應中，則多步反應後也可得到ee值為産物的3-86%（圖4，JACS，124：10010）;作為回應，辛格爾頓後來在OL上寫道，由于自然發生的對比體的兩個構型并不完全相等，應該有一個統計上的n1/2/2偏差（這在之前的部落格文章"2.1.2，統計起源理論"http://blog.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=203082）中已經提到過），正是這種微弱的偏差導緻了Soai反應中的不對稱放大， 實驗表明，隻需要少量過量（10-16mol，60，000分子）即可導緻單手産物（OL，5：43）37）;3）Soai還發現，3以外的許多脊椎按摩療法化合物也可以誘導不對稱的Soai反應，例如ee值為2%的亮氨酸和值為1%的脯氨酸（JACS， 120：12157），Tetrahed.Asym。15：3699），DPNE（OL，6：1613）等，光學産量均高達98%。
圖 4
從1995年發現Soai反應開始，該反應作為唯一的不對稱自催化反應研究了12年，直到1997年Mauksch發現一類Mannich反應也具有這種特征（Angew，46：393）。然而，不對稱自催化的機制仍然不能歸咎于此。
Soai對生物手性起源的研究做出反應
鑒于Soai反應的産物是近乎單手的明顯特征，人們自然認為這種不對稱的自催化機制适合于解釋生物分子的手起源。事實上，早在55年前，英國實體學家弗蘭克就提出了這一主張（Biochim.Biophysics.學報， 1953，11：459）。倫敦帝國理工學院的布萊克蒙德對Soai反應的動力學進行了廣泛的研究，他在2004年的PNAS上寫道，這個話題（PNAS，2004，101：5732）被特别讨論，他認為如果對稱的自催化機制（自擴增）存在于更多的反應中，它們無疑将為解釋生物分子的動力學起源提供一個極好的模型。
結合我們前面提到的不對稱性研究的結果，Soai在弱不對稱性的擴增方面做了大量工作：1）他在反應中做了大量工作，不是通過引入幾殼肌産物或其他分子，而是通過使用手部晶體或礦物質，例如手對手NaClO4（Angew， 39:1510;J.莫爾·卡達。A 216：209），Tetrahed.Lett.，44：721），石英（JACS，121：11235）等，發現也獲得80-98%的産品;2）結合圓偏振光假說，他添加了3（JACS，127：3274）或烯烴（Angew，43：4490）的輕微不對稱性作為Soai反應的手源，發現産物3能夠獲得高達99.5%的值。事實上，前面提到的亮氨酸值為2%的添加物和值為1%的脯氨酸（JACS，120：12157）具有相同的含義。
不可否認，一些小分子可以實作不對稱催化，而Soai反應能夠利用自身的不對稱擴增和統計不對稱或由"手源"引起的外部因素的輕微不對稱，實作單手積，最終産生單手分子世界。然而，由于迄今為止發現的有機小分子催化和不對稱自催化反應的類型很少，并且它們都發生在有機對立面中，是以它們對生物分子手的起源的意義隻是假設的。希望在未來，這種機制将擴充到水相的生物分子合成。
聚集體反應選擇性
該制劑表明，反氣氨基酸在聚合成肽鍊核蛋白的過程中傾向于偏愛L-氨基酸，并在相關實驗中取得了一些良好的結果。寫了一個上午，明天去北京開會，還要準備PPT，也是為了盡快結束這個話題，這個不詳細，有興趣參考文獻。
科學，2002，295：1266
海爾維察化學學報，2003，86：1423
Chem Lett 2001：324
自然，1984，310：602
化學，2003年，9：1782
化學公報， 2000， 2497
無機化學學報 357 （2004） 649–656
FASEB 1998，12：503
這些隻是關于生物分子不對稱起源的幾個假設，目前尚不清楚生物分子的世界是在生命出現之前還是之後形成的，如果是這樣，是什麼因素導緻手對手對比的分離仍然是一個謎。
文章"生物分子手源實驗研究的不對稱自催化"轉載自科學網絡的王偉部落格
資料來源：Science.com