如果你有兴趣学习更多关于2021年诺贝尔化学奖我们的专题文章进入更详细的关于非对称organocatalysis是什么为什么它赢得了奖,包括采访两位得主。

诺贝尔委员会,而意想不到的举动,今年的化学奖被授予两位有机化学家开发不对称organocatalysis二十多年前:本杰明列表从Max-Planck-Institut毛皮Kohlenforschung、德国和大卫·麦克米伦从普林斯顿大学,我们。他们的工作表明,简单的有机小分子可以比赛,击败酶和金属配合物在他们自己的游戏:催化反应,使手性分子。

麦克米伦和L-proline结合三维旋转的gif

来源:Chemspider /皇家化学学会必威手机登陆的

麦克米伦的催化剂和列表的脯氨酸是相对简单的分子,但他们非常有效,可以很容易地调整和修改工作在不同的流程

为什么它赢了吗?

根据2015年的一项估计,催化贡献了全球35%的GDP。催化剂已经深刻地改变了我们的理解和使用的化学,这是反映在这一事实七化学诺贝尔奖已经发现。最早去威廉奥斯特瓦尔德在1909年,世卫组织合理化催化剂如何提高化学反应速率但本身出现不变的反应。最近,在2010年,理查德·赫克、根岸英一和铃木章,他们发现palladium-catalysed交叉耦合。

麦克米伦催化剂和列表的例子

麦克米伦的催化剂,日益增长的家庭和脯氨酸和衍生品使用列表和其他人来说,已经表明,可以补充金属和有机分子的酶

在催化,强调不仅使反应更快,但也做不对称或拆分反应——那些只产生一个镜像(对映体)的分子。作为特定的生物分子-氨基酸和糖只发生在单一的对映体,我们的身体有一种内在的能力区分对映体。这意味着相同的分子可以橙或柠檬的味道取决于其构型,并经常只有一个对映体的药物分子有有益的影响,而其他没有或甚至可以是有害的。

直到21世纪的开始,大多数拆分催化剂酶或金属化合物。酶通常不能在实验室里做但必须隔离生物来源。虽然他们身体很好工作,他们不做这么好条件下合成化学,被溶剂和热灭活。

过渡金属,另一方面,是良好的催化剂。但本质上可以让他们有问题。一些金属有毒的人或环境,因此他们通常需要从任何有机化合物已经与他们。和一些过渡金属反应,他们需要远离水分或空气工作,这使得它昂贵和困难在大规模使用它们。

今年的获奖者显示,就连小,简单的手性化合物可以催化复杂的反应一样,或在某些情况下甚至比、酶或金属。Organocatalysts常常是廉价和容易产生,有可能使绿色合成路线。

不对称organocatalysis是“优雅的工具”,“比想象的简单,Pernilla Wittung-Stafshede诺贝尔委员会成员。其发现使化学家认为新的和不同的方式把分子聚集在一起,她解释道。

虽然organocatalysts广泛应用于研究和发现,他们还没找到进入大规模生产——尽管这并不意味着他们没有能力。例如,工业合成路线抗病毒药物奥司他韦有12个步骤,而另一种organocatalytic路线只有五个。

获奖者做了什么呢?

列表和麦克米伦开始探索使用有机小分子带来不对称反应在21世纪的开端,当酶和金属催化都是化学家们知道。虽然有一些早期的不对称organocatalysis的例子,尤其是Hajos-Parrish-Eder-Sauer-Wiechert反应发现在1970年代,这个主意似乎没有引起很大的关注,可能是因为当时的机制仍然是神秘的。

一个图像显示为脯氨酸的解释

来源:©Johan Jarnestad,艾格尼丝Moe /瑞典皇家科学院

而酶是奇妙的催化剂,它们可以很难在化学过程中使用。剥夺了列表所需的赤裸催化

有了重新设计化学催化抗体,决定尝试和发现当生物催化剂被剥得一丝不挂,最基本的化学形式。醛缩酶进行醇醛反应-酶结合两个羰基化合物来创建一个新的碳碳键——在体内。但它真的是只有三个氨基酸,负责其催化活性。2000年,和他的团队名单发现其中之一-脯氨酸可以自行催化不对称醇醛的反应与对映体98:2比率。

同时列表——虽然既不知道其他的工作——麦克米伦想发展的催化剂Diels-Alder反应,一个可以克服的缺点高度空气,moisture-sensitive金属催化剂。他的团队发现改性苯丙氨酸可以催化不对称反应之间的α,β-unsaturated醛和二烯烃对映体98:2比率。

一个图像显示麦克米伦organocatalyst

来源:©Johan Jarnestad /瑞典皇家科学院

麦克米伦的催化剂使reverable连接基板通过一个氮原子(而不是通过一个金属协调)。这增加反应性和传授偏手性,因此在随后的反应选择性

当列表做了他最初的实验,他认为“也许这是一个愚蠢的想法,或有人已经试过的,他回忆诺贝尔委员会的一个电话。“当我看到它,我觉得它可能是大。”

它是如何工作的呢?

Organocatalysts结合的分子形成短暂的反应中间体比底物分子的活性。手性,其手性催化剂转移衬底,控制中间的哪一边可以进一步反应。

在他2000年的作品,脯氨酸作为micro-aldolase描述列表和他的团队,一种酶模拟相结合的一个亲核中心(氨基)和酸碱co-catalyst(羧酸组)。醇醛反应,脯氨酸酮结合,形成的烯胺中间体反应比酮本身,作为其最高占据分子轨道(HOMO)更高的能源。脯氨酸是左撇子还是右撇子然后注入与不对称反应只在一个位置允许醛的方法。

计划显示proline-catalysed醇醛的反应

脯氨酸既能激活羰基,使它们更容易发生反应,反应和控制几何——例如在醇醛反应

相比之下,麦克米伦的苯丙氨酸衍生物的工作与不饱和醛反应生成一个iminium离子,其最低未占据分子轨道能量低于醛,再让它更活泼。在列表的烯胺催化的情况下,催化剂高度可逆共价键的基质,它允许将其手性试剂。

计划显示麦克米伦的一昼夜的桤木

麦克米伦的催化剂的立体和电子效应赋予选择性结合,多种反应,包括Diels-Alder环加

为什么没有发展更快吗?

非手性organocatalysts已经存在了几个世纪,一个早期的例子来自李比希的,他在1860年报道,乙醛触媒作用氰水解。在20世纪,有一些有机分子作为不对称催化剂的报道(不同成功)。但他们是孤立的,好奇的例子。没有人想到开发一个全面的方法或理解它们是如何工作的。

有时候,最明显的答案是被我们的先入之见世界应该如何工作,最简单的解决方案可以是太明显了,彼得Somfai,诺贝尔奖委员会的成员。我是个有机化学家,我每天使用有机小分子但我不认为它!”

发现导致了什么?

场卑微以来已经走了很长的路。获奖者的令人震惊的发现,有机小分子催化拆分反应复杂,简单的解释他们如何这样做——导致爆炸的研究区域,Somfai说。今天,organocatalysis是公认的第三大支柱不对称催化、酶和过渡金属催化的旁边。列表,麦克米伦和化学家灵感来自他们的工作,发现越来越多的organocatalytic反应,包括organocatalysed版本的经典不对称反应,如曼尼希反应,迈克尔补充傅克反应。Organocatalysis甚至被合并后的与另一个绿色化学的角落:光催化。

“我们的发现是只浮出水面的真正的革命现在极活性催化剂,可以做你不能做的东西与酶或即使最复杂的金属配合物,”说。