瑞典皇家科學院将2021年諾貝爾化學獎授予本傑明·李斯特和大衛·麥克米蘭，以表彰他們在不對稱有機催化領域的貢獻。
資料來源：諾貝爾委員會網站上的截圖直播
手和手化學
手現象在自然界中廣泛存在，手現象在地球生命中是一個永恒的話題。
植物和動物的生命起源與手性密切相關，手性是控制生物體中生物大分子活動的基本要素之一，如核酸、蛋白質、碳水化合物和無數生物分子。
"手"是微分子和宏觀物質的基本性質，就像人的左右手一樣，鏡像異構體，但左手和右手不能互相重疊。
左右手的鏡像異構性（鏡像不能重疊）
在所有手部分子和物體中，隻要它們不與鏡像重疊，它們就具有手部特征。
在大多數情況下，手部分子和物體沒有對稱的中心或對稱的表面。有一些例外，例如沒有對稱的表面，但有一個對稱的中心，是以沒有手。
沒有對稱的面孔有對稱的中心/沒有手（鏡子可以重疊）
迄今為止，已經發現了手性的主要類型：中央手，軸手，螺絲手，雙平面手，剛性全能手（例如螺絲手）和柔性全能手（例如折疊手）。其中，中央手、面和螺絲手在自然界中還有廣泛的範圍。
手部合成，又稱不對稱合成，是化學合成中手部控制的核心部分。它也是合成手工材料不可或缺的工具，控制着各種手工化合物和物質的選擇。
手工藥物占現有臨床藥物的60%以上，農藥中手工化合物的比例逐年增加。
手工材料，特别是光電材料，應用廣泛，包括高清3D顯示器，光學檢測，光學資料存儲/加密，光學識别傳感器等。
同時，它們被廣泛應用于生物标志物、病理檢測，特别是在疾病的早期臨床檢測中。
不對稱合成化學對共生性的控制主要通過四種方式：嵌合輔助底物、手持試劑（等效使用）、chittasy催化劑、嵌合催化劑和同性環境（如嵌合溶劑）。
其中，手工催化劑控制的不對稱合成最具挑戰性。由于其手工擴增的作用，它也是合成手工化合物的最有效方法之一。
手工催化和催化劑
與普通催化劑一樣，大多數手性催化劑通過降低化學反應過渡态的自由能（能量基）來加速反應。
關鍵的差別在于，手催化劑可以使反應朝着有利于催化劑手部比對的鏡面異構體生成方向發展，進而達到控制手的性質的目的。
手工催化/催化劑可分為生物催化（如酶、DNA/RNA催化）和化學催化（金屬和非金屬催化）。
2021年諾貝爾化學獎-手工有機催化的主題是化學催化中的非金屬催化。
不對稱催化劑和催化劑分類摘要（紅色标記為2021年諾貝爾獎工作）
甲氧有機催化劑主要分為酸性有機催化劑（如質子-Brønsted酸）和堿性有機催化劑（如氮雜環卡賓槍、含氮胺和含磷和含硫化合物），又稱路易斯酸和路易斯堿。具有正離子的質子也可以大緻概括為路易斯酸，因為它們可以接受單獨到電子的化學物質。
這些催化劑有優點和缺點，但它們可以互相補充。生物催化立體選擇性強，但底物範圍窄，通常隻能産生一對對比體，有時對生物系統的催化條件要求很高。化學催化的底物具有較寬的範圍，但有時立體選擇性控制困難，立體選擇性随基闆的變化而變化很大。此外，金屬雜質混合在金屬催化産物中，有時難以去除。
正是由于各種原因，例如這個，科學家們一直在尋找更好的手工催化劑。
胺型嵌合有機催化劑基于伯胺、仲胺（如脯氨酸）和叔胺（如喹啉），它們在反應開始時由原核功能催化。
David MacMillan的早期工作（以及他們屢獲殊榮的工作）主要基于仲胺，反應底物需要存在缺失的電子原子，例如碳碳酸鹽（C-O）。
大多數胺催化反應，由此産生的化學中間體（中性次胺，油胺和帶正電的胺）是不對稱催化反應成功的關鍵。
有機小分子催化
"綠色化學"已成為新世紀化學追求的主要方向之一，其核心思想是消除污染源。與這一趨勢相一緻，諾貝爾化學獎偏向綠色有機催化領域。
酸堿在自然界中廣泛存在，對人們的生産和生活具有重要意義。例如，生物體中酶催化活性中心的催化基團作為質子供體或受體參與催化，酶催化幾乎總是具有酸堿催化機制。
雖然在20世紀已經提出并開展了類似的有機催化和有機小分子催化的概念和工作，但有機小分子催化的突破，有機催化概念的明确提出，以及現場研究的梳理，為該學科的發展做出了巨大貢獻。
值得稱道的是，兩位獲獎者的工作使諾貝爾化學獎在10年後重新回到了合成方法論中。當然，2016年諾貝爾化學獎分子機器，也屬于合成化學領域。
Benjamin List團隊在美國斯克裡普斯研究所的早期研究旨在模拟天然酶催化政策，以開發高立體選擇性，平台亞線性和高産率的手酸堿綠色催化劑。其中一些工作是與前化學家卡洛斯·巴爾巴斯三世（Carlos Barbas III）合作完成的。
這些催化劑避免在化學反應中使用惰性保護氣體、保護基團、有害溶劑或高溫高壓。
Benjamin List團隊于2000年在《美國化學會雜志》上發表了一篇題為"脯氨酸催化的直接不對稱羟基甲醛反應"的文章，該文章使用脯氨酸作為天然手性催化劑，實作了丙酮與各種醛之間的直接不對稱醛醇反應，模拟了醛還原抗體催化和天然I類醛還原酶催化中的油胺反應機理， 并通過催化小分子脯氨酸實作這一目标。
催化模仿天然酶的有機小分子
在2012年和2016年，Benjamin List設計了一系列有機小分子嵌合催化劑，如金剛烷雙磷酸（IDP），芳綸 - 胺雙磷酸（iIDP）和具有雙軸手骨架的次胺雙磷環酰胺（IDPi）。
該類化學催化劑具有酸度強、活性高的特點，其中乙炔二磷酰胺類乙炔的pKa值為4.5。
此外，兩軸手骨架為催化劑建構了類似于生物酶結構的受限空間（手袋），并将手催化劑的活性中心封裝在其中，為不對稱反應提供了特殊的化學微環境，可以進一步提高催化劑對反應的三維控制能力。
近年來，這種高酸性嵌合有機小分子催化劑在非活性烯烴的不對稱反應性方面取得了突破，其代表了使用芳綸二磷酰亞胺催化劑，它可以預質子惰性烯烴分子的碳雙鍵，進而促進烯烴底物的分子烴氧化反應，并選擇性地獲得一系列具有季節性碳中心的環孢菌素化合物。
雙軸手骨架中金剛烷雙膦酸鹽的有機催化劑
David MacMillan開創了一個新的胺有機催化領域，基于他的團隊設計的手工胺的小分子催化劑。這些催化劑的合成很簡單，并且已經實作了工業化生産。
胺的催化方式與胺的催化方式不同。後一種催化是基于自然界中醛還原酶的反應轉化，使用賴氨酸的氨基催化醛酮産生油胺，而亞胺離子的催化則受到路易斯酸催化激活邁克爾受體的啟發。
2000年，David MacMillan在加州大學伯克利分校發表了他的第一篇氨基胺不對稱催化（Diels-Alder response），其中明确提出了有機催化的概念。反應在室溫下進行，并有水溶液的參與。
對于環己二烯襯底的Dies-Alder反應，手持式環喹催化劑不僅有效控制了反射率，而且适當地控制了内滲/外滲非反射選擇性。催化劑分子的單晶結構有助于解釋反應的三維化學控制過程。
有機手工旋風酮的小分子催化
作為有機催化的創始人和先驅，David MacMillan進一步提出了基于單電子轉移的SOMO催化政策，首次實作了自由基的不對稱反應，為他未來創造不對稱光反應奠定了基礎，并在當今可見光催化的發展中發揮了重要的主導作用。
催化劑回收和再利用
在這種有機雜酸堿催化劑控制的不對稱反應中，催化劑的用量過大。這給不對稱合成，特别是不對稱合成的大規模生産階段帶來了極大的不便，也增加了合成和生産的成本。是以，開發可回收和可重複使用的有機催化劑尤為重要。
目前，主要有三種方法，即使用聚合物、有機鹽和小分子GAP化學回收催化劑。
利用聚合物負載手催化劑或催化劑負載對有機鹽、不對稱催化起到很好的促進作用。雖然有時存在局限性，如聚合物品質，但有機鹽催化劑對正離子或負離子的反應可能有不良影響。
李貴根的小分子GAP化學方法是将強極性基團連接配接到手催化劑上，以控制不對稱的催化反應。
在無溶劑的情況下，由于負載極性強，GAP催化劑以固體形式存在，并且是一種特殊的固體，如鹽無鹽，回收催化劑隻需要有機溶劑洗滌，操作簡單。
這種可回收和可重複使用的GAP催化劑與David MacMillan原始催化劑的不對稱反應行為進行了比較，并産生了良好的結果。
可回收和可重複使用的 GAP 小分子催化劑
中國有機催化的發展現狀
近20年來，中國化學家在血紅素催化、磷酸血肽催化、手工氮雜化環卡賓催化、原核路易斯堿催化等領域做出了重要貢獻。
手胺催化
程金培和羅三忠設計了一種新型手工制作的叔二胺催化劑，并成功實作了不對稱的Aldol反應和手相碳中心的建構。
馮曉明實作了不對稱氰化物糖化反應和其他幾個不對稱轉化，由化學氮氧和化學酸催化。
山梨醇酯柱和小文的手脯氨酸二酰胺等手工脯氨酸催化劑可有效催化各種不對稱的Aldol反應。
鐘國孚成功利用手工脯氨酸進行醛的不對稱胺氧化反應，制得高對比度的純1，2-二醇，方法簡單快捷，應用友善。
趙剛的手工氨基酸催化劑，高效、高對比度選擇性地控制碳-碳（氧、氟）鍵的形成和多組分串聯反應，逐漸形成多個刻度中心。
王銳的金吉納堿鹽化學催化劑和馬君安的糖源性編鐘硫噴妥鈉催化劑成功應用于不對稱邁克爾加成反應.
蔣志勇利用血堿催化的不對稱振鈴反應，為手基雜化環骨架的建構提供了新的政策。
王春江研制出一種衍生自乙胺的鉸接硫噴妥鈉催化劑，在各種不對稱轉化中表現出良好的催化效果。
徐鵬飛開發了各種七他敏催化的不對稱多組分反應和串聯反應，為六張環化合物的合成提供了新的政策。
周健将一類衍生自金晶林的磷脂酰胺催化劑應用于不對稱氰化物反應中。
劉曉華報道了一類新型手工蚜蟲催化劑，它在各種不對稱反應中表現出優異的催化活性。
陳英春研制出以金真堿衍生的胺為催化劑的多型催化不對稱反應，在雙烯酰胺催化和三胺催化領域做了一系列創新工作。
在手磷酸催化
塗永強設計的半片式諾羅爾飼養反應為殼體醚化合物的合成提供了有效的政策。
周麒麟和朱守飛将友善的磷酸與蝸牛骨架應用于不對稱N-H插入反應。
鐘國富在赤磷酸鹽的催化下，發展出不對稱的羟基化反應。
由行進力催化的手磷酸的不對稱Fuk反應具有良好的區域和立體選擇性。
石峰開發了涉及手基磷酸鹽催化氙平台分子的不對稱轉化反應，為手基磷酸鹽骨架的高效建構提供了新的政策。
譚斌實作了手工磷酸鹽催化的各種軸手骨架的催化不對稱構造，對四組分Ubi沒有反應，幫助不對稱軸向計時化學入選2020年化學與材料科學十大熱點之一。
利用手性磷酸和金屬的聯合催化體系，劉新元實作了烯烴不對稱雙官能團與外吸能烯或二烯烴的動态動态加氫反應。
孫建偉實作了手工磷酸鹽催化的羟考酮的開環反應，為活性生物堿的合成提供了新的政策。
杜大明報道了磷酸在一類雙二進制骨架中的應用，并将其應用于氡的非對稱氫轉移反應。
于祿柱和胡文浩報道了脂質磷酸與金屬的聯合催化政策，實作了水電試劑對羟基苯甲酸酯高反射選擇性捕獲。
周永貴利用手磷酸和金屬的仿生中繼催化政策，實作了各種雜化環的不對稱加氫反應。
葉龍武通過以氫鍵取向的緊密離子對政策，從氫鍵到體内芳綸底物被各種赤磷酸鹽取代為催化劑，實作一系列基于連環磷酸催化不對稱芳香反應（CADA）的直接活化碳碳三鍵。
楊曉宇利用手工磷酸催化2-氨基二醇的高效動力學，合成了多相純4H-3，1-苯。
林旭峰設計了一系列手工囊（SPAs）、第二代手工絲蘭花球磷酸（SPAs 2.0）和平手磷酸（PPA）等新型手工磷酸催化劑的不對稱催化合成，并商業化。
鼎基嶺開發了一種由化學磷酸催化的不對稱貝耶-維利格氧化反應，該反應使用廉價的過氧化氫作為氧化劑，得到具有高對比度選擇性的γ烯衍生物。
友善的氮雜化環卡賓槍催化方面
采用樟腦手工制作的氮雜化環卡賓催化劑，實作了醛酮的不對稱交安息香反應。
益松開發了一種由脯氨酸二氧化矽醚衍生的友善的氮雜化卡賓催化劑，以實作烯酮的不對稱環反應。
孫建偉首次實作了手工制作的氮雜化環卡賓槍催化的不對稱抗電氟化反應。本文在铌堿基α建構了具有高區域選擇性和對比選擇性的雙原核位點的共轭油醇負離子.
黃琦利用質子遷移政策，有效解決了非反射選擇性和催化劑循環的瓶頸，報告了基于氮雜化環卡賓非共價催化的不對稱碳碳合成案例，并将其擴充到碳氮、碳硫、碳磷鍵的手工合成，成為普遍的不對稱催化新模式。
一永貴實作了氮雜化環卡賓催化的不對稱反應，包括飽和酯β位活化，為友善的氮雜化環卡賓槍的催化提供了良好的材料。
王船的氮雜化環卡賓催化劑成功誘導了選擇性環反應和不對稱氟化反應，這對藥物化學非常重要。
親核路易斯堿催化方面
張萬斌研制出一種雙環甲基原核路易斯堿催化劑，并将其應用于Steglich反應。
鐘國富和羅德萍利用來自池氨基酸的催化劑，通過不對稱的Aza-Rauhut-Currier反應，實作了造血氮六環素的合成。
張俊良、黃友研制出一種衍生自甲磺酰胺的磷酸鹽催化劑和含苯酚羟基甲基苯丙胺和芳酰胺基多品質骨架類固醇催化劑的多馬達基團異源催化劑，并有效地應用于不對稱的Rauhut-Currier反應。
石敏開發了一種手用雙功能氣相催化劑，以解決森田-貝利斯-希爾曼反應中難以控制的立體選擇性問題。
佟曉峰以金真納堿為催化劑，實作了侖仁的不對稱串聯環反應。
郭紅超報道了手基環狀環催化的不對稱振鈴反應，為雜環骨架的催化不對稱建構提供了新的政策。
其他有機小分子催化方面
丁昆林研制出一種含手乙二醇的氫催化劑，并将其應用于不對稱柴油-桤木反應。
趙剛設計了一種雙功能氮雜乙酰絲氨酸催化劑，成功應用于烯烴和雙活化烯烴的不對稱環加環反應。
馬俊安研制出一種柔性雙二進制坩埚骨架相轉移催化劑，在非對稱共轭加成反應中表現出良好的催化活性。
郭啟祥研制出一種聯合骨架醛催化劑，實作了手工醛催化氨基酸酯的不對稱直接α烷基化反應。
趙寶國利用軸手N-甲基乙醛催化劑，利用碳化政策實作了仿生不對稱摩尼克反應。
通過氫鍵催化，波海龍成功實作了具有多種殺化學成分的阿齊平骨架的建構。
海外華人化學家在有機催化領域做出突出貢獻
1996年，石義安、楊丹研制出糖源性殼聚酮和共轭骨架手酮的小分子催化劑，成功應用于烯烴的不對稱環氧化。
鄧立開發了金真堿催化的琥珀酸衍生物對稱化脫位反應。
王偉研制出手工制作的四氫妩磺酰胺催化劑，實作了高效的不對稱邁克爾加成反應，他還利用氧化油胺政策實作了醛的β-官方基團反應。
張旭木使用硬質手工品質催化劑來控制油酸參與環反應中的三維選擇性。
陳俊峰研制出半氧基辛催化劑并将其用于不對稱環反應，進而研制出雜細胞鹽相轉移催化劑和離子轉催化劑，實作了正常手段難以實作的三級鹵代烷烴的不對稱促核替代反應。
陸昇鑫等人研制出一種二肽型友善膦酮催化劑，并研制出這種催化劑在環反應串聯反應中的應用。
通過在柴-桤木和傅克反應中應用小分子化學gAP催化劑，李貴根成功地控制了其選擇性、内滲非反射選擇性和區域選擇性。
結論
有機不對稱催化屬于綠色化學領域，不僅對于化學科學，而且對于競争對手的藥物和手部材料，尤其是光電材料，都将發揮重要作用。
兩位諾貝爾獎獲得者的手胺催化工作必須涉及碳酸原基團。手酸催化也主要基于铌底物。
需要進一步加強手工有機催化劑和催化體系基材的更有效、更廣泛應用的發展。
推拉多點協同催化模式和有效催化循環機理的研究将有助于提高化學反應的速度和立體選擇性。
合成化學、計算化學和人工智能（AI）的交叉融合，結合催化劑-底物組合庫和篩選的建立，将加速各種不對稱反應的條件優化過程。
光電條件下基底定點的有機不對稱催化和選擇性控制也将是研究人員研究的重點。
生物酶催化的仿生催化和模拟，新型催化劑體系和高效控制模型的開發，新型高效不對稱反應的開發，是未來有機不對稱催化的重要趨勢。
未來還需要更多、更有效、更廣泛适用、可回收和可重複使用的手工有機催化劑。
簡介：李貴根，美國德州理工大學化學與生物化學系教授，研究方向為化學、新反應、新試劑、新概念。
論文全文将刊登在《2021年科學技術指南》第22期上，原标題為《手控：不對稱有機催化——2021年諾貝爾化學獎成果簡析》，本文已删除，歡迎訂閱檢視。