跳出思维定式是最重要的

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 MacMillan）因为在有机催化领域的科学成就获得了2021年诺贝尔化学奖。关于这两位科学家的贡献和重要性，瑞典皇家科学院院士邹晓冬接受了本刊的专访。

三联生活周刊：“不对称有机催化”（Asymmetric organocatalysis）这个词对于大多数人来说都很陌生，你是否能简要介绍一下2021年这两位诺贝尔化学奖得主李斯特和麦克米伦的研究成果在科学上的贡献及重要性？

邹晓冬：这两位科学家的贡献是因为他们提出了一个新的概念，这就是可以通过有机小分子催化各种化学反应，来精准合成想要的有机分子。以前不对称有机分子合成通常需要生物酶或者金属有机分子来催化，这两种类型的催化已分别于2001年和2018年被授予诺贝尔化学奖。今年两位诺奖获得者发现，有机小分子也具有金属有机催化剂和生物催化剂同样的甚至更有效的催化功能，因此开辟了催化领域的第三个分支。他们的贡献非常重要，因为我们的现实生活离不开各种各样的有机分子，比如说吃的药物，用的塑料、太阳能电池等都含有有机分子，这些都是通过化学催化合成出来的。

合成出来的有机分子产品经常包含左手和右手两种不同手性的分子，这两种分子尽管化学组成一模一样，但是功能作用可能完全不同，比如两种不同手性的柠檬油精味道完全不同，一个是柠檬味，另一个则是广柑味。因此合成分子手性精准控制非常重要。能在产物中只保留满足我们需求的那一部分，并且使其产率大大提高，这是“不对称有机催化”对化学合成非常大的贡献。

三联生活周刊：所以说“不对称有机催化”提高了化学合成的准确率和工作效率。

邹晓冬：对，有机合成现在有第三种工具了。用有机小分子取代金属有机分子和生物大分子酶，不光提高了精准率和产率，而且有机小分子更容易合成，也不需要金属元素，成本低且环保。

小分子也可以做大贡献。它不但能够完成许多通常生物酶和金属有机分子都难以实现的化学反应，而且可以提高合成效率，减少合成步骤。我举一个合成有机分子番木鳖碱的例子，通过用小分子催化，它的合成步骤从以前的29步减少到12步，同时效率增加了7000倍。效率的提高意味着废产物的减少，对环境保护非常重要。

三联生活周刊：这两位科学家做出贡献的时间大约是在2000年前后，迄今已经过去20年，这些年里化学家们又在他们原来的基础上取得了哪些进展？

邹晓冬：这两位诺奖获得者2000年发表的工作可以说是催化领域的一个里程碑，他们为化学家提供了一种新的工具。我打一个比方，这就像下象棋时又添加了一种新棋子，它的行走规则跟现有棋子的移动规则完全不同，这样一来我们必须重新考虑下棋的战略。今年两位诺奖获得者的发现为有机分子合成开辟了一条新的路径。不对称有机催化现在已经广泛用于有机分子的合成，特别是药物设计。它已经成为一个非常热门的领域，几乎像“淘金热”。有了这个新手段以后，科学家就可以重新设计他们合成分子的途径，让合成步骤和合成废物都大幅度减少，大大提高合成效率，减轻对环境的污染。

三联生活周刊：我在刚才的新闻发布会上听到，这两位科学家采用了不同的方法去解决同一个问题。在进行这项研究时，他们是合作者、竞争者，还是说彼此并不是特别熟悉？

邹晓冬：这两位科学家的工作基本上是同时发表的，彼此完全是独立的，出发点不同。

李斯特以前是做生物酶催化的，他自己提问为什么需要这么大的酶分子来催化一个小分子，是不是在酶里面只有几个重要的基团在发挥作用？于是设想是否能用独个氨基酸替代酶来实现同样的有机分子合成，他的这一设想终于在2000年得到了证实。

麦克米伦以前的研究方向是金属有机催化。他发现金属有机催化剂通常不稳定，而且很容易污染环境或者产品，所以很少用于工业界大规模生产。于是他思考能不能把金属去掉，单用有机小分子替代能否达到同样的催化目的？2000年，他也成功地证实了这一想法。

李斯特和麦克米伦是从两个不同的角度，不约而同地想到了用有机小分子来做催化反应。最值得一提的是，他们都是在博士毕业后3～4年之内做出这些开创性的工作，而且他们当时都非常年轻。虽然他们都在国际一流的课题组工作过，但是他们没有追随当时传统的研究方向，而是自己独立思考，发展了更简单、更有效的方法。“跳出思维定式”（thinking out of the box）是最重要的。

三联生活周刊：有了“不对称有机催化”这一手段之后，是不是就意味着我们可以造出任何我们需要的有机分子了？

邹晓冬：这倒是不一定。但我们可以更精准地造出更多的有机分子，并可以把合成步骤和合成废物大大降低，从而提高合成效率，减轻对环境的污染。全世界大约35%的生产总值都离不开催化剂。现在我们有三大催化剂种类，它们都非常重要。

三联生活周刊：我们有没有可能把这一方法延伸到有机分子以外的无机领域里？

邹晓冬：无机材料催化，特别是通过过渡金属，已经是一个很成熟的研究领域了。但要合成指定手性的有机分子催化仍需要在酶、金属有机和小分子三种工具中选择，很多时候还需要把三种工具相结合来优化化学合成。

三联生活周刊：“不对称有机催化”方法的局限在哪里？

邹晓冬：与酶和金属有机分子相比，有机小分子不对称催化的主要局限在于有机合成中需要的催化剂量相对比较大。但是有机小分子合成成本低，不受资源的限制。

三联生活周刊：“不对称有机催化”是一种很强大的技术，能够合成很多的有机分子。那么它有没有可能让我们对生命的本质有更深的理解？我们人类都是由有机分子构成的，我们究竟是怎么从自然界中一步一步产生出来的？有没有可能我们利用这种技术合成各种有机分子，甚至进一步合成出细胞？

邹晓冬：这个想法非常好，但现在还无法实现。一个新领域的发展，可以激励科学家用新的眼光看问题，尝试自己的想法，并用新的手段来实现它们。你刚才提出来的这些想法，肯定很多科学家也在考虑。我相信通过今年的诺贝尔奖肯定能激励更多的想法，这是最重要的。值得一提的是，很多药物分子以前需要从植物里面提取，现在可以用不对称有机催化来实现了，这也是“不对称有机催化”的一个重要贡献。

三联生活周刊：好多人说诺贝尔化学奖其实是一个“理综合”奖，经常奖给各个领域的科学家，但很少奖给化学家。今年诺贝尔化学奖是关于有机催化，诺贝尔化学奖终于奖给了真正的化学家。我希望和你探讨的一个问题是，诺贝尔科学奖的三个学科——物理学奖、化学奖、生理学或医学奖，我们现在能否在它们之间划出明确的界限？

邹晓冬：今年的诺贝尔化学奖的确是给了传统化学领域。现在大部分科学研究都需要学科交叉，比如跨化学、物理学，或者化学、生理学或医学。如果一位科学家的研究属于交叉学科，那么既可能得化学奖，也可能得物理学奖，或是生理学或医学奖。但我们在化学奖的评审过程中，主要着重在化学领域有什么重大贡献。

三联生活周刊：那么化学作为一个学科，它最重要的特点是什么？我们怎么来定义化学这个学科？

邹晓冬：化学学科涉及广泛，从理论、方法、合成到应用，从无机、有机到生物。它的核心就是研究原子、分子，以及它们之间的相互作用。它既包括研究物质的组成、性质、结构与变化规律，也包括设计、合成新物质及它们的应用。

（感谢实习记者郭子介整理采访录音） 科普诺贝尔三联生活周刊