造福人類(lèi)的第三種催化劑

■文/楊先碧

說(shuō)到催化劑，相信同學(xué)們對(duì)它都不陌生，它是可以加速化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。目前，金屬催化劑和酶是兩種比較常用的催化劑。近年來(lái)，化學(xué)家經(jīng)過(guò)努力探索，開(kāi)發(fā)出了第三種催化劑——有機(jī)催化劑。德國(guó)科學(xué)家本杰明·利斯特（左）和美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)·麥克米倫（右）就是第三種催化劑應(yīng)用的倡導(dǎo)者，因推動(dòng)了不對(duì)稱(chēng)有機(jī)催化領(lǐng)域的發(fā)展，而獲得了2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

金屬催化劑和酶的不足

不少化學(xué)反應(yīng)不但艱難，而且緩慢。比如，把氮?dú)夂蜌錃饣旌显谝黄?，要讓它們自?dòng)合成氨氣是很難的。工業(yè)上要合成氨氣，需要500℃的高溫，還需要20~50兆帕的高壓。當(dāng)然，只有高溫、高壓的條件還不夠，還需要鐵來(lái)做催化劑。這就是第一種催化劑——金屬催化劑，是傳統(tǒng)化工行業(yè)用得較多的一種催化劑。

生物體內(nèi)每時(shí)每刻都在進(jìn)行著化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)涉及生物高分子，要求更高，因此它們用到的是第二種催化劑——酶。酶在本質(zhì)上也是生物大分子，可能是蛋白質(zhì)，也可能是RNA（核糖核酸）。比如，我們的消化系統(tǒng)內(nèi)的淀粉酶是一種蛋白質(zhì)，它可以分解米飯、面條等食物中的淀粉，將其轉(zhuǎn)化為身體所需的能量。

由于酶的作用，生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)在極為溫和的條件下也能高效地進(jìn)行。隨著人們對(duì)酶及相關(guān)反應(yīng)的了解越來(lái)越深入，有機(jī)化工、制藥等行業(yè)越來(lái)越多地用酶做催化劑。但是，在此過(guò)程中，人們也遇到了一些難題。比如，一些藥物的合成過(guò)程中出現(xiàn)的手性分子的問(wèn)題。

作用不同的手性分子

手性分子一般是結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的分子，它往往包括兩種組成相同、結(jié)構(gòu)不同的分子。這兩種分子像我們的手一樣，可以用左、右來(lái)進(jìn)行區(qū)分。它們可以用偏振光來(lái)進(jìn)行辨別，有的能讓偏振光向左旋轉(zhuǎn)，這種分子就是左旋手性分子；有的能讓偏振光向右旋轉(zhuǎn)，這種分子就是右旋手性分子。

左旋分子和右旋分子貌似“孿生兄弟”，常常同時(shí)出現(xiàn)，難分彼此。但是，它們的作用大不相同。比如，沙利度胺中的左旋分子可以治病救人，它的右旋分子卻是畸形胎兒的罪魁禍?zhǔn)?。如今，世界各?guó)已經(jīng)禁用這種藥物。

本杰明·利斯特

大衛(wèi)·麥克米倫

如果有一種催化劑，可以在合成手性分子的過(guò)程中進(jìn)行把控，只讓有用的那個(gè)分子出現(xiàn)，消除那個(gè)無(wú)用甚至有害的分子，那就“功德無(wú)量”了?；瘜W(xué)家的確發(fā)現(xiàn)了這種催化劑，它就是不對(duì)稱(chēng)有機(jī)催化劑。

綠色環(huán)保，好處多多

早在1970年，化學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了有機(jī)催化劑。它們是有機(jī)小分子，除了碳和氫，通常含有氧、氮、硫、磷等常見(jiàn)元素，制造起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單得多。相對(duì)于昂貴、脆弱、污染較大的金屬催化劑來(lái)說(shuō)，有機(jī)催化劑價(jià)格低廉、易于提取。

由于最初發(fā)現(xiàn)的有機(jī)催化劑比金屬催化劑和酶的效率要低得多，適應(yīng)范圍也小得多，它的應(yīng)用前景一度受到人們的質(zhì)疑。直到2000年，利斯特和麥克米倫發(fā)現(xiàn)，有機(jī)催化劑居然具有不對(duì)稱(chēng)催化的能力。也就是說(shuō)，它可以只讓“孿生”手性分子中有用的那個(gè)出現(xiàn)，達(dá)到“不對(duì)稱(chēng)合成”的效果。從此之后，有機(jī)催化劑登上“大雅之堂”，并獲得“第三種催化劑”的美譽(yù)。目前，有機(jī)催化劑應(yīng)用最多的是不對(duì)稱(chēng)合成領(lǐng)域，因此這些催化劑也被稱(chēng)為“不對(duì)稱(chēng)有機(jī)催化劑”。

利斯特對(duì)有機(jī)催化劑的研究是從對(duì)酶的思考開(kāi)始的。我們都知道，有些酶是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)則是由多個(gè)氨基酸合成的。利斯特認(rèn)為，既然酶可以催化化學(xué)反應(yīng)，那么比蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的氨基酸也有這種可能性。最終，他發(fā)現(xiàn)從膠原蛋白中提取的脯氨酸是一種高效催化劑，它可以驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱(chēng)合成。目前，脯氨酸已經(jīng)成為有名的不對(duì)稱(chēng)有機(jī)催化劑，廣泛用于藥物生產(chǎn)中。在利斯特的眼里，不對(duì)稱(chēng)催化領(lǐng)域依然充滿機(jī)遇，繼續(xù)設(shè)計(jì)和篩選這些催化劑是其未來(lái)的目標(biāo)之一。

麥克米倫曾致力于使用金屬催化劑來(lái)完成不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)，但隨后他發(fā)現(xiàn)自己在實(shí)驗(yàn)室里研發(fā)的金屬催化劑很難在工業(yè)上得到應(yīng)用。麥克米倫進(jìn)行了多種嘗試后，發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的胺類(lèi)有機(jī)分子可以做不對(duì)稱(chēng)合成的催化劑。他選擇合適的溶劑，將胺類(lèi)分子轉(zhuǎn)化為催化活性很強(qiáng)的亞胺離子，實(shí)現(xiàn)了多種類(lèi)型的不對(duì)稱(chēng)催化。當(dāng)麥克米倫準(zhǔn)備發(fā)表他的結(jié)果時(shí)，他意識(shí)到自己所發(fā)現(xiàn)的催化方法還沒(méi)有名字，于是他在化學(xué)界首次提出了“有機(jī)催化”這個(gè)概念。

利斯特和麥克米倫雖然不是有機(jī)催化劑的首位發(fā)現(xiàn)者，但他們是有機(jī)催化劑在不對(duì)稱(chēng)合成中的倡導(dǎo)者，是不對(duì)稱(chēng)有機(jī)催化領(lǐng)域的重要推動(dòng)者。他們的研究成果對(duì)藥物研究產(chǎn)生了巨大影響，并使化工行業(yè)更加綠色、環(huán)保。