Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2021

C. MacMillan the Nobel Prize in Chemistry 2021, for the development of asymmetric 

organocatalysis.  

The Laureates’ seminal work in 2000 conceptualized the area of organocatalysis and stimulated 

its development. Today, organocatalysis constitutes the third pillar of catalysis, complementing 

biocatalysis and transition metal catalysis. 

Introduction 

We all have an intimate relationship with molecules. They may be tailor-made molecules that 

can be delivered to cure patients, to store and relay information, to fertilize crops or to make our 

running shoes faster. Such molecules, with designed properties, are made by chemical synthesis, 

i.e. a series of reactions, and the knowledge of how to make molecules in an efficient and 

sustainable manner is closely linked to the progress of our society. 

Complex molecules, be they human-made in a lab or assembled by other organisms biologically 

(biochemicals), are assembled in a series of reaction steps from simple starting materials. Some 

or all steps in such a reaction sequence can be subjected to catalysis. 

Catalysis is a fundamental aspect of chemistry: the rate of a chemical reaction is increased by the 

addition of a catalyst, which itself is not consumed in the process. The concept was introduced 

in 1835 by the Swedish chemist J.J. Berzelius.

1

 It is not surprising that catalysis is used routinely 

in academia and industry, and is involved in much of the industrial conversion of chemical 

feedstocks into valuable products such as pharmaceuticals and agrochemicals; it has been 

estimated that catalysis contributes to more than 35% of the world’s GDP.

2

 Advances in 

chemical synthesis and catalysis are also strongly connected to sustainable technological 

developments, as has been pointed out by R. Noyori (Nobel Laureate, Chemistry 2001).

3

 

Catalysis in biological systems, which is mediated by enzymes, is also a prerequisite for life as we 

know it. Notably, a catalyst can provide an alternative reaction pathway compared with an 

uncatalysed one.

4

 

The use of low-molecular-weight organic molecules as catalysts for chemical transformations is 

not a new phenomenon. The first documented example was described in 1860, when Liebig 

reported that acetaldehyde catalyses the hydrolysis of cyanogen into oxamide.

5

 Without the 

catalyst, a complex mixture was obtained, while in the presence of acetaldehyde, acting as a 

Lewis acid catalyst,

6

 an almost quantitative yield of oxamide was obtained. However, the term 

organocatalysis refers to the use of small organic molecules, containing mainly carbon, 

hydrogen, nitrogen, sulphur and phosphorus but no metals, as promotors in catalysis.  

---

 

 

2 (19) 

 

 

Today a large number of different organocatalysts have been developed, as well as reactions 

which they promote. They can be classified according to the mechanistic role of the catalyst 

(Lewis acid or base, Brønsted acid or base),

7

 highlighting the catalysts’ function of removing or 

donating electrons or protons from or to the substrate or transition states. An alternative 

classification is the distinction between covalent catalysis, in which the catalyst forms a covalent 

bond to the substrate, and non-covalent catalysis, in which instead the catalytic cycle depends 

on non-covalent interactions such as hydrogen bonding.

8

 

The importance of catalysis in chemistry is reflected by the fact that various aspects of this 

research area have been recognized with the Nobel Prize in Chemistry seven times: W. Ostwald 

(1909, catalysis), P. Sabatier (1912, hydrogenation using metal catalysts), K. Ziegler and G. Natta 

(1963, developing catalysts for polymer synthesis), J.W. Cornforth (1975, stereochemistry of 

enzyme-catalysed reactions), W.S. Knowles, R. Noyori and K.B. Sharpless (2001, asymmetric 

catalysis), Y. Chauvin, R.H. Grubbs and R.R. Schrock (2005, olefin metathesis), and R.F. Heck, 

E.-i. Negishi and A. Suzuki (2010, palladium-catalysed cross couplings).

9