北京时间10月6日，今年的第三个诺奖—化学奖，终于落下了帷幕。让人意外的是，这一次，它不再是“理综奖”了。
　　过去几年，化学奖被揶揄是理综奖，这像是一个发苦的笑话。例如在2020年，化学奖的获奖研究是基因编辑技术。再往前的2019年，获奖研究是锂电池技术。化学老本行竟然没有存在感。
　　而今年，奖项回归“传统化学”。瑞典皇家科学院宣布，将化学奖授予德国科学家本杰明·李斯特（Benjamin List）和美国科学家戴维·麦克米伦（David W.C. MacMillan），以表彰他们在发展不对称有机催化中的贡献。
　　终于在今年，我们在诺奖方面听到了化学界同行的欢呼。

“大牛”其人

　　除了颁给“传统化学”这件事，无奈地叫人意想不到外，此次化学奖的获奖研究与人选，实在并不意外。
　　总的来说，本杰明·李斯特和戴维·麦克米伦的获奖研究，是将“手性小分子催化”塑造成为三种不对称催化模式之一，使手性化合物合成的效率走向新的高峰。这重塑了催化领域。
　　研究的原理和细节，留给后文。我们先来看看，获奖的两位大牛是何许人也—
　　Benjamin List，1968年出生于德国法兰克福。1997年从法兰克福大学获得博士学位，在美国 Scripps研究所做博士后研究，2003年至今，就职于职马克斯·普朗克煤炭研究所。
　　Benjamin List教授主要从事有机催化与合成，是不对称有机催化领域的开创者之一，他发展了一种新型不对称催化模式：手性抗衡阴离子导向的不对称催化（ACDC），目前共发表SCI论文200多篇。
　　概括地说，他的发现为不对称有机催化奠定了基础，建立了手性有机酸分子库，为后续发展新的不对称催化剂模型提供理论指导。
　　因此，Benjamin List被授予过很多荣誉，近年来的有 Otto-BayerPrize（2012），Horst-Pracejus-Prize（2013）， Mukaiyama Award （2013），Arthur C. Cope Scholar Award（2014）， Gottfried Wilhelm LeibnizPrize（2016）等，目前，他担任多个著名期刊的编委。
　　David W.C. MacMillan，1968年出生于英国贝尔斯希尔。1996年从美国加州大学欧文分校获得博士学位。美国普林斯顿大学教授，2018年当选美国国家科学院院士。

　　目前为止，他最令人注目的贡献，是首次提出了有机催化（organocatalysis）的概念，并开发了全新的催化模式。自此，有机小分子催化不对称反应成为一个独立的领域，吸引了无数化学家前仆后继。
　　他也是不对称有机催化领域的开创者之一。近几年，David W.C. MacMillan获得的主要荣誉有Gabor A. Somorjai Award for Creative Research in Catalysis（2018），Ryoji Noyori Prize（2017），Max Tishler Prize（2016），Ernst Schering Prize（2015），Harrison Howe Award（2014）。

诺奖是颁给一项研究，而非个人，所以，历史上也有数名科学奖如居里夫人等，不止一次地获得诺奖。不少人大胆猜测，MacMillan或许能拿下“双料诺奖”。

　　值得注意的是，除了不对称催化，MacMillan的课题组在光催化方向也作出了重要贡献。近几年，课题组在光催化有机合成方向数篇开创性工作发表在Nature和Science上。
　　要知道，诺奖是颁给一项研究，而非个人，所以，历史上也有数名科学奖如居里夫人等，不止一次地获得诺奖。MacMillan在光催化领域的研究令人瞩目。因此，不少人大胆猜测，MacMillan或许能拿下“双料诺奖”。

自然的“手性”

　　两位学者，无疑是业界顶级的学者。我们接着看看，让他们获得诺奖的研究，究竟又是什么—
　　人类社会的高速发展，工业4.0时代对合成化学的要求越来越趋于高效、清洁、多样化、实用性。而催化剂的使用，有助于克服化学反应固有的活化能垒，极大程度上的提高反应的效率，使原料向着目标产物专一精准而高效的转化。
　　从历年的里程碑上看，化学合成方面最重要的发明之一哈伯法合成氨（铁系催化剂， 1918年诺贝尔化学奖），促进了氮肥工业、农业、化纤的蓬勃发展；再到大名鼎鼎的齐格勒-纳塔催化剂（三烷基铝与四氯化钛为催化剂，1963年诺贝尔化学奖），实现了烯烃的定向聚合，为塑料、橡胶、纤维三大合成材料工业作出巨大贡献。不难发現，金属催化剂对人类的贡献可谓瞩目。

　　而“酶催化”就更加熟悉了，自然界，生物体内时刻在进行的复杂的反应，植物的光合作用，动物体内蛋白质的水解，糖分的转化，氧气的转化等等，那就是“酶”在驱使着生物体的正常运转。
　　催化剂无处不在，无论有机世界或无机世界，它是物质与能量在转化时的关键钥匙。
　　显然，当技性科学要改造世界时，我们不能不叩开“人造催化剂”的领域大门。
　　当下使用较为广泛的有机反应催化剂，主要可以分为“金属催化”“酶催化”以及“小分子催化”。
　　那么，这次化学奖颁给的“不对称有机催化”，这是什么意思？不对称催化到底是一类什么反应呢？
　　说到“不对称”，就不得不说“手性”这个关联词汇—化合物常常会出现“双胞胎”的情况，看着几乎一样，实则是互为镜像的两种空间构型，彼此不能互相重合，就像左右手，所以称为“手性”。合成特定的手性物质的化学反应则称为不对称合成。
　　手性是自然界最重要的属性之一，构成生命体的基础物质核苷酸、氨基酸和单糖以及由它们构成的生物大分子核酸、蛋白质和糖类都具有独特的手性特征。不妨想一想，我们看到的DNA双链模型，是不是朝着一个方向旋转缠绕呢？
　　对于分子的合成，化合物的这种空间构型的差异，往往带来的是物理性质和化学性质的多重差异。上世纪60年代最著名的 “反应停事件”就是因为使用了消旋体的反应停（Thalidomide）作为抗妊娠反应的镇静剂，出现了多例畸变胎儿。后经研究证实（R）-构型才真正起镇静作用，而（S）-构型则有强致畸作用。
　　不光是药物，还有农药，发光材料中化合物不同的手性构型，都有着截然不同的性质。这时候，如何合成单一空间结构的手性分子，成为了长期困扰科学家们难题。
　　自Fischer在19世纪开创不对称合成反应研究领域以来，不对称合成策略从消耗化学计量的手性辅助试剂的传统的不对称合成，转变为不对称催化合成，也就是以催化量的手性金属配合物或生物酶作为手性模板来实现大量产物的手性转化，也就是两大工具“金属催化”和“酶催化”。
　　这次化学诺奖的获得，正是因为开创了不同于前两种的“新工具”—“手性小分子催化”。

“分子级”化学

　　比起傳统的催化方式，“手性小分子催化”起步晚、研究少，但它是最适合人类生产工作使用的一种催化办法。

对于分子的合成，化合物的这种空间构型的差异，往往带来的是物理性质和化学性质的多重差异。上世纪60年代最著名的 “反应停事件”就是因为使用了消旋体的反应停（Thalidomide）作为抗妊娠反应的镇静剂，出现了多例畸变胎儿。

　　从“不对称催化”方面看，过渡金属不对称催化方面光彩卓著，作为不对称催化的先行者，William Standish Knowles、Ryoji Noyori和K. Barry Sharpless三位宗师在不对称催化氢化、和不对称催化氧化方面做出突出贡献，共享了2001年诺贝尔化学奖，象征着不对称反应的一个里程碑。
　　同时期内，化学家们倾注了大量的精力在过渡金属和酶催化的不对称反应，而小分子不对称催化发展相对缓慢，没有形成系统性的研究领域。
　　当然，其中也有一些出色的成果，例如，史一安教授发展的“史氏环氧化反应”—果糖衍生的手性酮催化。
　　直至2000年，Benjamin List和David W. C. MacMillan的两篇重要论文，才为这一领域塑造了雏形，将有机小分子不对称催化，真正发展成为全新的“合成工具”，自此小分子催化领域开始了一路高歌猛进：
　　首先，由 Benjamin List 教授报道的《Proline-Catalyzed Direct Asymmetric Aldol Reactions》中，他提出首例由有机小分子脯氨酸经由烯胺（enamine）中间体介导的不对称Aldol反应。
　　另外一边，在独立的研究中，David W. C. MacMillan也实现了同一课题。在《New Strategies for Orga n ic Cat alysis： The First Highly Enantioselective Organocatalytic Diels-Alder Reaction》中，MacMillan报道了第一例“手性二级胺”经由“亚胺正离子（iminium）”实现的不对称DielsAlder反应。
　　综合来看，List教授的贡献在于，从天然的手性氨基酸催化的不对称反应的发现，到提出新型不对称催化模式：手性抗衡阴离子导向的不对称催化（ACDC），同时开发手性有机酸分子库，为不对称催化提供多样化而强有力工具。
　　MacMillan 教授主要贡献在于提出了“有机催化（organocatalysis）”的概念，设计合成了新型的手性二级胺催化剂，构建了α，β-不饱和醛、酮底物的亚胺正离子活化模式，以此为基础实现了系列不对称转化，并实现了其不对称有机催化领域的合成中的应用。
　　既然是一个新发展的不对称催化工具，必然得有它的优势和应用潜力，相比于“过渡金属催化”和“酶催化”而言，“有机小分子催化”的核心竞争力又如何？手性金属络合物对环境较为敏感，反应条件苛刻，酶催化的高度专一选择固然可喜，但是也比较“娇贵”且生产成本较高。而在对比中，有机小分子具有以下优点：

　　一是稳定性，有机小分子催化反应水氧敏感度低，易放大，催化剂耐存储；
　　二是预测性，鉴于明确的反应机理，目标产物选择性可控，具有较高的可预测性，并且根据设计可以进行迭代设计，为多样化手性分子库的建立提供依据；
　　三是经济性，以商用廉价的天然产物原料为手性骨架，易制备高光学纯的催化剂，成本低，范围广；
　　最后是安全性，相较于生理毒性较强的过渡金属，手性小分子具有绿色，环境友好的特点，极大程度满足了药物合成和生物应用的需求。
　　自此，“可行性”一旦证实，“累累硕果”迈步走来，不对称小分子有机催化在合成手性化合物反应方向的优势，吸引了一批又一批化学家投入对新的催化通用模式的开发—

比起传统的催化方式，“手性小分子催化”起步晚、研究少，但它是最适合人类生产工作使用的一种催化办法。

　　于此前后，分别建立的有“手性胺催化”“手性磷酸催化”“手性硫脲催化”“离子对催化”“NHC催化”等重要催化方向。人类在有机催化领域不断地开疆扩土，开花结果。
　　不难发现，在科学蓬勃发展的今天，人们对于微观世界的操控越发精细，对于化学分子的合成技术愈发精湛，精确到每一个分子、每一个原子、每一根化学键。
　　因此，与其对化学奖时而不时的“眷顾”感到庆幸，不如作这样的认识：化学不能固守在“传统”之中，须要主动往其它的学科成果中开辟疆土。
　　毕竟在当下，学科交叉趋势如大洪流。化学家从自然界获得灵感，合成糖、嘌呤、氨基酸、蛋白质等生物分子，从合成简单的小分子到合成高聚物，从天然提取的微量物质到人工全合成的神奇药物，从一纸一笔的人工计算到机器人的超级模拟……
　　如此一想，化学界反而能给人更多的想象。不是吗？