【諾貝爾化學獎・闡釋】有機催化更環保更平 如何有助研發藥物?

2021 年諾貝爾化學獎由德國化學家 Benjamin List 與蘇格蘭化學家 David W.C. MacMillan 獲得, 以表揚他們在不對稱有機催化 (asymmetric organocatalysis) 發展的貢獻。

瑞典皇家科學院指出,List 和 MacMillan 開發出一種精確的分子建構新工具,他們的發現對藥物研究產生巨大影響,並令化學研究更為環保。瑞典皇家科學院更形容,建構分子是一門「困難的藝術」。

有機催化是指只含碳、氫、硫和其他非金屬元素的「有機催化劑」對化學反應的催化作用。

化學家建構分子的能力,可以應用在許多研究領域和行業上,例如是研發彈性耐用材料,將能量儲存在電池中,或是抑制疾病。要建構分子需要使用催化劑,催化劑是控制和加速化學反應的物質,而不會成為最終產品的一部分。

例如汽車廢氣喉中有催化劑,將廢氣中的有毒物質轉化為無害分子;人體也包含數以千計的酵素 (enzyme) 同樣是催化劑,可以分解出生命必需的分子。

因此,催化劑是化學家的基本工具,但學界長期以來認為,原則上只有兩類催化劑可以使用,分別是金屬和酵素。List 和  MacMillan 則因為在 2000 年各自開發了出第 3 類催化劑而獲獎,該類催化劑被稱為不對稱有機催化,是建立在小有機分子上。

有機催化劑特性

有機催化劑有一個穩定的碳原子框架,使更活躍的化學基團可以附著在碳原子上。這些化學基團通常含有常見元素,如氧、氮、硫或磷,代表著這些催化劑不單環保,其生產成本也相當低廉。

有機催化劑使用的迅速擴展主要是由於它們能推動不對稱催化。在建構分子時,經常會出現兩種不同的分子可以形成的情況,就像我們雙手一樣是彼此的鏡像。不過,化學家通常只需要其中一種的分子,尤其是在生產藥品時。諾貝爾化學委員會以檸烯 (Limonene) 作例,左旋檸烯 (S) 有檸檬味,但右旋的則為橙味,顯示即使組成為份一樣,不同鏡像也有效用或特性上的不同。

Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

List 以被遺忘酵素重新研究

在研究催化抗體期間, List 開始思考酵素的實際工作原理。酵素除了含氨基酸外,大部分也含有助於推動化學過程的金屬。換言之,許多酵素也能在無金屬幫助的情況下催化化學反應。他的團隊利用稱為脯氨酸 (proline) 的氨基酸測試是否可以催化羥醛反應 (aldol reaction) 。脯氨酸曾在 1970 年代曾被廣泛用於催化研究,但最終無得出任何成果,因此 List 也無太多期望。

然而,就是在這種情況下,團隊的研究顯示其中來自兩個不同分子的碳原子鍵竟可合在一起,證明脯氨酸是一種有效的催化劑,而且還可以推動不對稱催化。更重要是,脯氨酸是一種非常簡單、廉價且環保的分子。

MacMillan 創有機催化 (organocatalysts) 一字

另一邊廂的 MacMillan 則在同期致力於使用金屬改善不對稱催化,但他發現所開發的金屬催化劑很少在工業中使用,原因是敏感的金屬催化劑使用起來非常困難和昂貴,這對於在工業大規模應用有一定困難與不符合成本效益。

MacMillan 開始設計簡單的有機分子催化劑。如金屬一樣,這些有機催化劑可暫時提供或容納電子,而特別之處是必須能夠形成亞胺離子 (iminium ion) ,對電子更有親和力。在推動狄爾斯-阿爾德反應以建構碳原子環的測試中, MacMillan 團隊顯示這類有機催化劑表現出色,部份催化劑在兩個可能的鏡像產品中,其中一個可佔 90% 以上產量。英文有機催化 (organocatalysts) 一字亦是由 MacMillan 創造。

有機催化對藥物研究產生了重大影響。 在化學家可以進行不對稱催化之前,許多藥物包含一個分子的兩個鏡像; 其中一個是有活性的,而另一個有時會產生不良影響。其中一個災難性的例子是 1950 年代的全球「反應停」事件。當時多個國家的孕婦在服用止吐藥「反應停」後,產下了 1.2 萬名患海豹肢症 (Phocomelia) 兒童,最終「反應停」在各國被強制回收。涉及的成份沙利度胺 (Thalidomide) 則被發現有兩種光學異構體,當中 R 構型是安全的,而 S 構型有致畸型作用,兩種構型更可在人體內轉換。

來源:
Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2021

文/Alan Chiu

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