第三種催化劑

楊先碧

催化劑是我們熟知的可以加速化學反應的物質，目前比較常用的催化劑是金屬催化劑和酶。近年來，化學家開發(fā)出第三種催化劑：有機催化劑。2021年諾貝爾化學獎就頒給了第三種催化劑應用的倡導者：德國科學家本亞明·利斯特和美國科學家戴維·麥克米倫，他們的突出貢獻是推動了不對稱有機催化領域的發(fā)展。

催化劑為化學反應加速

不少化學反應艱難而且緩慢。比如，把氮氣和氫氣混合在一起自然合成氨氣，是很難的一件事情。工業(yè)上要完成氨氣的合成，除了需要500℃的高溫、20～50兆帕的高壓，還需要鐵來作催化劑。鐵屬于第一種催化劑：金屬催化劑。鐵是傳統化工行業(yè)使用較多的一種催化劑。

生物體內也無時無刻不在進行著化學反應，這些化學反應涉及到生物高分子，要求更高，因此很少采用金屬催化劑，它們用到的是第二種催化劑：酶。酶在本質上也是生物大分子，可能是蛋白質，也可能是RNA（核糖核酸）。比如，我們消化系統內的淀粉酶是一種蛋白質，它可以分解米飯、面條等食物中的淀粉，轉化為我們所需的能量。

由于酶的作用，生物體內的化學反應在極為溫和的條件下也能高效和特異地進行。隨著人們對酶及相關反應的了解越來越深入，有機化工、制藥等行業(yè)越來越多地用酶作催化劑。但是，人們曾遇到了一些難題，比如一些藥物的合成過程中出現了手性分子的問題，這些手性分子可能給患者帶來嚴重的不良反應。此時，就需要第三種催化劑“出馬”了。

手性分子的困擾

藥物沙利度胺的主要化學成分是谷氨酸的一種衍生物，它是一種手性分子。沙利度胺作為鎮(zhèn)靜劑和止痛劑，主要用于治療孕婦出現的妊娠惡心、嘔吐等癥狀，因此它的商品名之一是“反應?！?。因為療效顯著，不良反應輕且少，它迅速在全球得到廣泛使用。但在短短的幾年里，全球發(fā)生了上萬例以往極其罕見的海豹肢畸形兒。調查研究發(fā)現，導致這些畸形兒的罪魁禍首就是沙利度胺。

手性分子一般是自身結構不對稱的分子，它往往包括兩種組成相同、結構不同的分子。這兩種分子像我們的手一樣，可以用左右來進行區(qū)分。它們可以用偏振光來進行辨別，有的能讓偏振光向左旋轉，這種分子就是左旋手性分子;有的能讓偏振光向右旋轉，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”，常常同時出現，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，它的右旋分子卻是造成畸形兒的罪魁禍首。如今，世界各國已經禁用這種藥物。

手性分子相互間的關系就像我們的左右手一樣

如果有一種催化劑，可以在合成手性分子的過程中進行把控，只讓有用的那個分子出現，消除那個無用甚至有害的分子，那就“功德無量”了。化學家的確發(fā)現了這種催化劑，它就是不對稱有機催化劑。

不對稱有機催化劑

早在1970年，化學家就發(fā)現了有機催化劑。它們是有機小分子，除了碳和氫外，通常含有氧、氮、硫，以及磷等常見元素。酶和有機催化劑在本質上都是有機化合物，酶是生物大分子，制造起來比較復雜;而有機催化劑是有機小分子，制造起來相對簡單得多。相對于昂貴、脆弱、污染較大的金屬催化劑來說，有機催化劑價格低廉、易于提取。

相對于金屬催化劑和酶的效率，最初發(fā)現的有機催化劑的效率要低得多，適應范圍也小得多，因此它的應用前景一度受到人們的質疑。直到2000年，利斯特和麥克米倫發(fā)現，有機催化劑居然具有不對稱催化的能力，也就是說，它可以只讓“孿生”手性分子有用的那個出現，達到“不對稱合成”的效果。從此之后，有機催化劑登上“大雅之堂”，并獲得“第三種催化劑”的美譽。目前，有機催化劑應用最多的是不對稱合成領域，此時它們被稱為“不對稱有機催化劑”。

利斯特11歲的時候就對化學非常感興趣，而正是這份熱愛讓他將化學作為終身的事業(yè)。在他看來，有熱愛就會有激情，即使枯燥的實驗室研究也會變得有趣起來。

利斯特對有機催化劑的研究是從對酶的思考開始的。我們都知道，有些酶是蛋白質，蛋白質則是由多個氨基酸合成的。利斯特認為，既然酶可以催化化學反應，那么比蛋白質結構更簡單的氨基酸也應該有這種可能性。最終，他發(fā)現，從膠原蛋白中提取的脯氨酸是一種高效催化劑，它可以驅動不對稱合成。目前，脯氨酸已經成為有名的不對稱有機催化劑，廣泛用于藥物生產中。利斯特認為不對稱催化領域依然充滿機遇，他說：“繼續(xù)設計和篩選這些催化劑是我們未來的目標之一?！?/p>

麥克米倫曾致力于使用金屬催化劑來完成不對稱催化反應，但是他發(fā)現自己在實驗室里開發(fā)的金屬催化劑很難在工業(yè)上得到應用。麥克米倫進行了多種嘗試，結果發(fā)現簡單的胺類有機分子可以作不對稱合成的催化劑。他選擇合適的溶劑，將胺類分子轉化為催化活性很強的亞胺離子，實現了多種類型的不對稱催化。

在準備發(fā)表自己的研究成果時，麥克米倫意識到這種催化方法還沒有名字，于是他在化學界首次提出了“有機催化”這個概念。他在自己論文的“引言”部分寫道：“在此，我們介紹了一種新的有機催化策略，希望它能適應一系列的不對稱轉化?！?/p>

利斯特和麥克米倫雖然都不是有機催化劑的首位發(fā)現者，但是他們是有機催化劑在不對稱合成中的倡導者，更是不對稱有機催化領域的重要推動者。

諾貝爾化學獎評選委員會主席艾克維斯特表示：“不對稱有機催化的概念既巧妙又單純，甚至讓許多人感到詫異：我們?yōu)槭裁礇]有早一點想到?！比鸬浠始铱茖W院在新聞公報中說，構建分子是“一門困難的藝術”。

利斯特和麥克米倫因開發(fā)出一種精確的分子構建工具——不對稱有機催化劑而獲獎，他們的成果對藥物研究產生了巨大影響，并使化工行業(yè)更加綠色環(huán)保。

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獲獎者簡介

本亞明·利斯特

1968年出生于德國，1997年從德國法蘭克福大學獲得博士學位，目前為德國馬普煤炭研究所研究員。

戴維·麥克米倫

1968年出生于英國，1996年從美國加州大學歐文分校獲得博士學位，目前為美國普林斯頓大學教授。

知識卡片

催化劑在化學反應里能夠改變反應物的化學反應速率（提高或降低）而不改變化學平衡，同時自身的質量和化學性質始終不會發(fā)生改變。據統計，90%以上的工業(yè)過程中會使用催化劑，如化工、石化、生化，以及環(huán)保等領域。