2021年諾貝爾化學獎得主於10月6日揭曉!由德國學者李斯特(Benjamin List)和美國學者麥克米倫(David MacMillan)共同獲獎;他們的獲獎原因是推動了「不對稱有機催化劑」(asymmetric organocatalysis)的發展;諾貝爾委員會指出,他們開發出的有機催化劑不但對藥物研究產生巨大影響,也使化學合成的過程更加環保。
催化劑與不對稱催化
在日常生活當中,催化劑的應用極為常見:藥品、塑料、香水和香料,據估世界上35%的GDP是與某種化學催化有關。在2000年以前發現的所有催化劑,不是金屬就是酵素(也被稱為「酶」)。尤其是金屬,因為它們在化學反應發生時能暫時容納或是提供電子的特性,使得金屬成為很好的催化劑。
但金屬催化劑也有些問題:其一是有些對氧氣和水特別敏感,需要在無水無氧的環境操作,且部分價格相當昂貴,這在工業化製程當中很難實現;另一個是許多金屬催化劑是重金屬,對環境有害。第二種催化劑是與人體生理反應息息相關的「酵素」,所有生物體內成千上萬種的反應都與此有關,它們通常是由數百種氨基酸構成的巨大分子。
李斯特(Benjamin List)和麥克米倫(David MacMillan)在 2000 年時,各自在有機小分子(small organic molecules)的基礎上開發了第三種催化劑:不對稱有機催化劑。有機催化劑的應用在2000年後迅速擴展,主因是它們能夠驅動不對稱催化(asymmetric catalysis)。
有一種異構物,兩者在結構上就像你的兩隻手,長得很像但不能疊合,這種異構物稱為「對應異構物」。為了區分兩者,我們會用「左/右手性」、「左/右掌性」或「左/右旋光性」來描述結構上的差異。
對應異構物結構上的差異,也會影響到它的性質,例如:人體只能吸收右旋光性維他命 C (附註:市面上的左旋 C 並不是光左旋,而是左型右旋維他命 C)。而人工合成維他命 C 的時候,通常不可能全部變成右旋光性維他命 C,造成原物料的浪費。
在構建分子時,經常會出現兩種不同的分子可以形成的情況,就像人類的左右手一樣,是彼此的鏡像,但化學家通常只需要其中一種,尤其是在生產藥品時。
2001 年諾貝爾化學獎頒給了「不對稱催化劑」,這種催化劑可以讓化學反應的產物,多數變為某種對應異構物,以上述為例,若在人工合成維他命 C 的化學反應中,加入非對稱催化劑,能夠有效的生產右旋光性維他命 C,減少浪費。
催化,能不能再更簡單一點?
班傑明.李斯特 (Benjamin List) 在研究*催化性抗體的時候,開始思考酵素的工作原理。酵素是由氨基酸所構成,有些還含有有助於推動化學反應的金屬,但重點是:許多酵素是在沒有金屬的情況下催化化學反應的,且反應是由酵素中一個或少數幾個氨基酸所驅動的。這讓 Benjamin 在想,氨基酸一定得要是酵素的一部分才能催化化學反應嗎?單個氨基酸、或是類似的簡單分子,可以勝任這些工作嗎?
- 催化性抗體:具有加速化學反應特性的抗體,以酵素反應過程中受質的過度態類似物為抗原。
Benjamin 知道,早在 25 年前、1970 年代就有人在研究以脯氨酸 (proline) 用做催化劑,但卻沒有人繼續研究下去,Benjamin 認為可能是其效果不甚理想。因此在不抱任何的期待下,Benjamin 測試了是否能夠催化讓兩個碳原子結合的羥醛反應 (aldol reaction) 。這個簡單的嘗試,卻有令人驚訝的結果:它相當的有效。
透過實驗,Benjamin 不僅證明脯氨酸是一種有效的催化劑,也證明了這種氨基酸可以驅動不對稱催化。與最開始研究脯氨酸作為催化劑的研究人員不同,Benjamin 了解它可能具有的巨大潛力,與金屬和酶相比,分子簡單、更容易合成且環保的脯氨酸,對化學家來說夢寐以求的工具。當他在 2002 年 2 月發表時,Benjamin 認為有機分子的不對稱催化是一個在未來會很有潛力的新概念。
讓不對稱催化劑投入量產
而大衛麥克米倫(David MacMilan)為了能夠讓不對稱催化劑用在大規模工業生產,開始改良非對稱催化劑,由於在金屬的不對稱催化劑上沒有進展,他決定改變方向,嘗試以簡單的有機分子作為不對稱催化劑。
左圖為原本的金屬催化劑,銅原子是相對脆弱的部分,這使催化劑容易變質,增加使用上的難度。右圖為麥克米倫的有機分子催化劑。麥克米倫為了解決金屬催化劑中,金屬原子在結構中相對脆弱的問題,他決定開發一種沒有金屬原子的催化劑,後稱為「有機分子催化劑」。
透過有機催化劑驅動的化學反應,可讓研究人員更有效率的建構新藥物,甚至是太陽能電池中可捕獲光的分子。透過這些應用,有機催化劑為人類帶來極大的貢獻。而在李斯特與麥克米倫發現有機分子催化劑之後,也持續設計出了大量廉價且穩定的有機催化劑,讓不同的化學反應使用。