造福人類的第三種催化劑

■文/楊先碧

說到催化劑，相信同學們對它都不陌生，它是可以加速化學反應的物質。目前，金屬催化劑和酶是兩種比較常用的催化劑。近年來，化學家經過努力探索，開發出了第三種催化劑——有機催化劑。德國科學家本杰明·利斯特（左）和美國科學家大衛·麥克米倫（右）就是第三種催化劑應用的倡導者，因推動了不對稱有機催化領域的發展，而獲得了2021年諾貝爾化學獎。

金屬催化劑和酶的不足

不少化學反應不但艱難，而且緩慢。比如，把氮氣和氫氣混合在一起，要讓它們自動合成氨氣是很難的。工業上要合成氨氣，需要500℃的高溫，還需要20~50兆帕的高壓。當然，只有高溫、高壓的條件還不夠，還需要鐵來做催化劑。這就是第一種催化劑——金屬催化劑，是傳統化工行業用得較多的一種催化劑。

生物體內每時每刻都在進行著化學反應，這些化學反應涉及生物高分子，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，我們的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，將其轉化為身體所需的能量。

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、制藥等行業越來越多地用酶做催化劑。但是，在此過程中，人們也遇到了一些難題。比如，一些藥物的合成過程中出現的手性分子的問題。

作用不同的手性分子

手性分子一般是結構不對稱的分子，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，它的右旋分子卻是畸形胎兒的罪魁禍首。如今，世界各國已經禁用這種藥物。

本杰明·利斯特

大衛·麥克米倫

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?；瘜W家的確發現了這種催化劑，它就是不對稱有機催化劑。

綠色環保，好處多多

早在1970年，化學家就發現了有機催化劑。它們是有機小分子，除了碳和氫，通常含有氧、氮、硫、磷等常見元素，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。

由于最初發現的有機催化劑比金屬催化劑和酶的效率要低得多，適應范圍也小得多，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”手性分子中有用的那個出現，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，因此這些催化劑也被稱為“不對稱有機催化劑”。

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有這種可能性。最終，他發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。在利斯特的眼里，不對稱催化領域依然充滿機遇，繼續設計和篩選這些催化劑是其未來的目標之一。

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，但隨后他發現自己在實驗室里研發的金屬催化劑很難在工業上得到應用。麥克米倫進行了多種嘗試后，發現簡單的胺類有機分子可以做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。當麥克米倫準備發表他的結果時，他意識到自己所發現的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。

利斯特和麥克米倫雖然不是有機催化劑的首位發現者，但他們是有機催化劑在不對稱合成中的倡導者，是不對稱有機催化領域的重要推動者。他們的研究成果對藥物研究產生了巨大影響，并使化工行業更加綠色、環保。