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本杰明·利斯特与有机不对称催化

来源:山东师范大学化学化工与材料科学学院 作者:薛依诺

本杰明·利斯特与有机不对称催化

2021年10月6日,德国马克斯普朗克煤炭研究所所长本杰明·利斯特(Benjamin List)教授和美国科学家大卫·麦克米兰(David W.C.MacMilian)因开发了一种精确的分子构建新工具——有机催化,而获得2021年诺贝尔化学奖,这对药物研究产生了巨大影响,诺贝尔委员会的评语为:他们推动了不对称催化领域的发展。出身研究世家的利斯特有着戏剧般的人生经历,这也成就了他的研究事业。

本杰明·利斯特1968年1月出生于德国法兰克福一个富裕的家庭。科学研究的基因或许早就根植于这个家庭中。利斯特的曾曾祖父雅各布·福尔哈德是著名的化学家,发现了Volhard-Erdmann环化反应。曾祖父弗朗茨·沃尔哈德以肾病学家的身份而闻名。而利斯特的姨妈克里斯蒂安·纽斯莱茵-是获得了1995年的诺贝尔奖的发育生物学家。

利斯特三岁时父母离异。母亲十一名全职建筑师,没有太多时间来照顾他和两个兄弟。学生时代的利斯特痴迷于哲学问题。高中毕业后,他没有马上申请大学,而是和两个朋友去印的旅行了三个月。后来在母亲的敦促下才决定到柏林学习化学。

1993年在柏林自由大学获得硕士学位后,利斯特跟随导师约翰·穆尔泽教授一起来到法兰克福大学,并于1997年完成看他的博士学位,博士论文的主题是“维生素B12的合成”。利斯特为自己设定了这个充满野心的目标。而穆尔泽教授尽管深知难度,但也没有阻止他,只要求利斯特实现一半的目标就够了。维生素B12于1972年首次被合成,由苏离世联邦理工学院的阿尔伯特·艾申莫瑟和哈佛大学的罗伯特·伍德沃德联合完成,超过100多名博士生和博士后为此工作了十年。而利斯特想靠自己一个人来实现,他的目标是让分子合成更完美,步骤更少。令人惊讶的是,利斯特最终实现了所有的目标,完成了“几乎不可完成的任务”,取得了优秀的成绩。这是利斯特科学生涯的第一步,并未进一步的职业生涯奠定了坚实的基础。

1997年到1998年,在洪堡基金会的资助下,习惯于自己做决定的利斯特坚持己见,来到了美国加州拉霍亚的斯克里普斯研究所做博士后。当时有一批世界著名的化学家正在研究抗体酶的催化作用,其中包括2001年荣获诺贝尔化学奖的卡尔·巴里·夏普莱斯。自此,利斯特一头扎进了生物催化剂的研究中。他后来回忆称:“那是一段欣喜若狂的时光。在不到两年的时间里,我在知名期刊上发表了17篇文章。”

1999年,利斯特得到了斯克里普斯研究所教授助理的职位。他带着两名员工开始了在自己研究领域的探索。他想设计充当催化剂的有机小分子,这是一个新领域,此前没有人想到这个概念。常见的经过工业验证的催化剂主要基于过渡金属,如钯、镍或钛。他们价格太贵,大多有毒,必须以高昂的代价再次分离和回收。此外,酶能加快化学反应的速度。但是有机化学家几乎没有想到有机分子可以用来做什么。

从已知的抗体类似物,利斯特已经知道酶在活性中心有一个氨基和酸残基。氨基酸的列表在他脑海中闪过。大学时曾学习过由脯氨酸催化的不对称羟醛反应。于是利斯特想到,如果脯氨酸以类似于酶的机制作用,那么他是否也能催化其他反应呢?当时的利斯特其实并不是很确定,内心在犹豫,“也许这是一个非常愚蠢的想法,也许其他人已经尝试过了,也知道它不起作用。“

但最后利斯特还是拿一个玻璃烧瓶,加入一点脯氨酸和两种反应物,让所有东西在室温下搅拌过夜。这是他第一次独立实验。第二天,利斯特惊奇的发现原材料完全转化,实验证实了他的猜想。在类似反应中,不久之后对映体过量几乎达到了100%。2000年,利斯特将他的研究成果发表在《美国化学会杂志》上,很快引起了业界轰动。有机催化剂的研究热浪滚滚而来。

虽取得了如此大的成功,但事实上利斯特还只是一个助理教授,还要继续努力从美国国立卫生研究院等机构筹集研究资金。2005年由米尔海姆引荐成为了煤炭研究所所长和马克斯·普朗克科学促进学会的董事。利斯特迅速发展成为“有机催化”领域国际知名的化学家之一,发表SCI论文400多篇,在业界同行内有着崇高的声望。他的研究兴趣集中于有机催化与合成,他是不对称催化领域的开创者之一,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)。这意味着在无金属小分子的帮助下加速化学反应的进程,并将它们选择性地引导到某些方向。这对药物化学研究产生了巨大的影响,使化学更加环保。

利斯特是快乐、开放的人历经天灾之后仍坚持内心的自由,不受阻碍地走自己的路,真正做到了洒脱的生活。他的名言之一:“创造力不是源于专注和紧张,只有当你放松时,你的思想才能流动。”

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