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仍奋斗在科研一线 且看新晋诺奖大神近期科研成果
材料人客服小谭     10天前 微信扫码分享  
这两天全球科研人最为关注的诺贝尔物理&化学奖陆续揭晓,本届诺贝尔奖不仅极具环保理念,还打破了“理综奖”的固有印象,让化学奖回归传统化学。下面我们就来看看2021年诺贝尔物理奖和化学奖的获奖者都是何方神圣吧。

化学奖:继金属和酶之后,诞生了有机小分子这一第三类催化剂

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10月6日,诺奖委员会宣布今年的化学奖属于Benjamin List和David W.C. MacMillan,这两位大神较早地展开了不对称有机催化研究,并提出了“有机催化”概念,直到如今,这两位顶尖化学家依然引领着有机化学的发展,得奖可谓是实至名归。

近几年,诺贝尔化学奖愈发有“诺贝尔理综奖”的趋势,颁发对象与物理或者生物学都高度相关,可以说极具交叉性。随着应用的多样化和交叉学科的发展,在化学奖中发现生物/物理学的影子是无可避免的。比如说这两年大热的潜在获奖领域RNA,就是化学和生物学交叉发展的结果。然而,今年的诺奖委员会决心让化学奖“回归”传统化学领域。在催化剂领域,金属催化剂和生物酶催化剂已经获得诺奖肯定,此次将奖颁给有机小分子催化剂算是完整肯定了催化剂的发展及其对社会的巨大贡献。

David W. C. MacMillan从苏格兰格拉斯哥大学毕业后,于加州大学尔湾分校获得博士学位。先后在哈佛大学、加州大学伯克利分校以及加州理工学院任职,2006年至今为普林斯顿大学教授,并于2010年-2015年担任普林斯顿化学系主任。由其率先报导的手性二级胺经由亚胺正离子(iminium)实现的不对称Diels-Alder反应,首次从概念上阐明“有机催化”可通过原子经济性及环境友好性的途径实现目标反应,且基于关键中间体可普适性地拓展反应类别。他开发的MacMillan催化剂是基于各种α-氨基酸酸,非常容易制备,且对烯醛的不对称共轭加成反应有非常好的催化活性。该试剂很容易操作,也有市售,是非常高实用性的有机分子催化剂之一。

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就在今年,MacMillan也已发表了两篇Nature以及其他数篇顶刊文章。他目前在金属光氧化还原催化方面也取得了许多突破性研究成果。他利用金属光氧化还原催化实现了sp3碳碳键交叉偶联反应、醇的脱氧芳基化、脂肪烃C-H键三氟甲基化等反应。

就在同一年,现任职于马克斯普朗克煤炭研究所的Benjamin List等人报道了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,基于类似的反应机理以小分子模拟酶催化的转化历程。他还提出了“手性配对阴离子催化(asymmetric counteranion-directed catalysis, ACDC)”的概念,开发质子酸性更强的手性有机酸分子库,不断延展该机制下的活化阈值上限。

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以上述两位科学家为代表,在众多化学工作者的努力下,有机催化这一概念如今正在蓬勃发展。有机催化对环境的敏感性较低,使用、存储等技术难度低;此外,有机小分子毒性低,具有天然的环境友好属性,分离难度及成本较低,特别满足药物化学家的使用需求。基于有机小分子的不对称有机催化不仅让化学合成变得更为绿色,还能协助合成不对称的分子,为合成分子提供了一种巧妙的工具,对医药研究和绿色化学都有极为重要的意义。

下面是根据爱思唯尔的Scopus检索到的两位科学家的档案

Benjamin List

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MacMilla

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显然,两位科学家至今仍然奋斗在科研前线,成果不断。下面我们简单汇总下近期的工作。

David W.C. MacMillan近期工作汇总

Nature:金属光氧化还原助力醇的脱氧芳基化

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MacMillan课题组利用光氧化还原催化通过单电子转移(SET)与质子转移(PT)选择性地生成NHC-醇中间体。不仅如此,光氧化还原也为氧化产生的碳中心自由基与各种过渡金属催化的转化提供一个通用的方法和策略。作者利用N-杂环卡宾盐对游离醇进行原位活化,通过金属光氧化还原催化成功地实现了游离醇与芳基卤化物的脱氧交叉偶联。作者认为,这种反应条件温和、选择性良好的反应,能够为药学相关的芳基和杂芳基溴化物和氯化物提供了新的合成思路。

文献链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03920-6

Nature:金属光氧化还原助力醇的脱氧芳基化

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MacMillan课题组报道了一种多样化快速金属光氧化还原催化方法,可用于在含有芳基和烷基溴的药物前驱体上通过甲基化进行和碳11的标记。甲基是生物活性分子中最常见的基团,因此作者认为这一方法可很大程度上简化放射配体的探索研究。为了阐释这种技术的普适性,作者完成了20种氚标记和10种碳11标记的复杂药物和PET放射配体,包括临床使用的[11C]UCB-J以及 [11C]PHNO的一步放射合成。进一步地,作者还概述了这一技术在PET成像中的使用方式及其自动化放射合成路线。

文献链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-3015-0

Nat. Chem.:位点选择性的酪氨酸生物偶联

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MacMillan课题组使用光氧化还原催化策略开发了一种位点选择性酪氨酸生物偶联反应方法。该方法结合生物正交甲酰基,可以从天然蛋白质合成结构明确的荧光偶联物。水溶性光催化剂-光黄素被证明可以诱导吩噁嗪二醛和单个酪氨酸位点通过碳氮共价键氧化偶联,该偶联反应即使在多个酪氨酰侧链存在的情况下依然可以进行。通过这种方法,多种天然蛋白质,包括含有多种酪氨酸的蛋白质都可以成功进行酪氨酸特异性和单位点选择性标记。该技术可以直接利用醛基修饰天然蛋白质,并使用一系列生物正交功能化方案实现快速多样化的产品。

文献链接:https://www.nature.com/articles/s41557-021-00733-y

Benjamin List近期工作汇总

JACS:制造酸性可调的Brønsted酸

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List领导的团队设计并实现了高效、操作简单的Brønsted acids的单瓶合成。在该方法中,作者通过对hexachlorobisphosphazonium盐进行持续氯化取代,快速取得一系列亚氨二磷酸盐基酸催化剂,包括IDP、iIDP和IDPi。这些催化剂不仅具有可调的酸性(pKa范围在11到2之间),还具有可调的受限活性位点。这一策略可以使作者获得具有部分高结构限制的催化剂支架,从而可以催化高度对映选择性的甲基二丙硫的磺化氧化作用。不仅如此,该方法还提出了一种新型超酸性催化剂模块IDPii,其酸性超过了大多数Brønsted acids,可催化烯酮缩醛化合物的甲基化过程。

文献链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07067

JACS:受限可控的Mukaiyama羟醛缩合反应

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在这项研究中,List等人报道了两种高度对映选择性和非对映选择性的催化Mukaiyama羟醛反应。在这些反应中,作者可直接以催化可控的方式实现甲硅烷基保护的propionaldehyde aldols。作者发现,定制的IDPi催化剂能够以不同寻常的选择性来控制这些羟醛缩合反应的进行。此外,作者还阐释了在IDPi催化剂内核中进行单原子改性,利用CF2H基团来取代CF3基团,从而导致醛类化合物的急剧改变。研究认为,这一效应的起源来自于CF2H基团上的碳氢键所导致的催化空腔的紧缩。

文献链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07447

物理学奖:关注气候变暖

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10月5日,诺贝尔奖委员会宣布将2021年诺贝尔物理学奖授予Syukuro Manabe、Klaus HasselmannGiorgio Parisi,以表彰他们在理解复杂物理系统方面的开创性贡献。诺贝尔奖委员会强调,这几位科学家所进行的研究和建立的物理模型对于理解全球气候变化以及地球物理方面具有重大的意义。

在连续几年将物理学奖颁给宇宙天文学相关的研究后,人们的目光终于回到地球本身,关注全球气候变化。就像诺奖委员会在记者会上所说的,我们将物理学奖颁发给气候研究正是想向人们传达,气象模型是建立在坚实的物理学基础上的,对于气候变化的预测我们有理由相信其可靠性。

在今年的这三位得主中,Syukuro Manabe是出生在日本的美籍气象学家。他在东京大学获得博士学位后,前往美国工作,长期在普林斯顿大学的NOAA-GFDL实验室进行科研工作。他的主要贡献是:(1)与Kirk Bryan 一起开创了用藕合的大气海洋模式来模拟地球的气候; (2)开创了地球气候的变化对温室气体变化敏感性的研究; (3)从数值模式中发现了地球气候可能存在多个平衡态。Manabe为精准气象模型奠定了基础,率先阐释了二氧化碳的排放会导致气候变暖的概念。他预测二氧化碳每翻一倍,将会发生约2.3℃的升温——这与现实现象相当一致。

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随后,德国马克斯·普朗克气象学研究所的Klaus Hasselmann针对天气这一典型的混乱体系,提出了如何将不断变化的混沌天气现象描述为快速变化的噪音,从而为进行长期气候预测奠定了坚实的科学基础。他还开发了识别自然现象和人类活动在气候中留下特定印记信号,即“指纹”的方法。利用这些方法,众多研究者已经证明了大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳。

而来自意大利的Giorgio Parisi实际上在数学和物理学界成名已久,其在1999年就拿到了理论和数学物理领域的最高荣誉狄拉克奖,并在2021年经拿到了被誉为“数学界的诺贝尔奖”的沃尔夫奖。他他的研究集中在量子场论、统计力学和复杂系统方面。他是近几十年来最有创造力和影响力的理论物理学家之一。他首先发现了可精确描述夸克和胶子在质子和原子核内部分布的演化方程,为在大型强子对撞机(LHC)上进行的实验奠定了基础。他提出了关于自旋玻璃自由能的公式,自由能是一个重要的数量,包含著这种随机能量图景的信息。

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可以说,以理解复杂物理系统为内核,三位科学家分别在环境和材料学/物理学应用上做出了巨大的贡献,因此,Syukuro Manabe和Klaus Hasselmann分享了一半的奖金,而Giorgio Parisi分享另一半的奖金。

本文由CSX供稿。


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