泛科學 2021/10/06
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。
參考文獻
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