2021年诺贝尔化学奖解读第三种催化剂

□文/杨先碧

催化剂是我们熟知的可以加速化学反应的物质，目前比较常用的催化剂是金属催化剂和酶。近年来，化学家开发出第三种催化剂：有机催化剂。2021年诺贝尔化学奖就是颁给了第三种催化剂应用的倡导者——德国科学家本亚明·利斯特和美国科学家戴维·麦克米伦，他们的突出贡献是推动了不对称有机催化领域的发展。

供图/视觉中国

催化剂为化学反应加速

不少化学反应不但艰难，而且缓慢。比如，把氮气和氢气混合在一起，要让它们自动合成氨气，那是一件很难的事情。工业上要完成氨气的合成，需要500℃的高温，还需要20～50兆帕的高压。只有高温高压的条件还不够，还需要铁来当催化剂。这就是第一种催化剂——金属催化剂，是传统化工行业使用较多的一种催化剂。

生物体内也无时无刻不在进行着化学反应，这些化学反应涉及生物高分子，要求更高，因此很少采用金属催化剂，它们用到的是第二种催化剂——酶。酶在本质上也是生物大分子，可能是蛋白质，也可能是RNA（核糖核酸）。比如，我们消化系统内的淀粉酶是一种蛋白质，它可以分解米饭、面条等食物中的淀粉，转化为我们所需的能量。

由于酶的作用，生物体内的化学反应在极为温和的条件下也能高效和特异地进行。随着人们对酶及相关反应的了解越来越深入，有机化工、制药等行业越来越多地用酶做催化剂。但是，人们又遇到了一些难题，比如一些药物的合成过程中出现了手性分子的问题，这些手性分子可能给患者带来严重的不良反应。此时，就需要第三种催化剂“出马”了。

手性分子的困扰

药物沙利度胺曾作为一种镇静剂和止痛剂，主要用于治疗孕妇出现的妊娠恶心、呕吐等症状，因其疗效显著，迅速在全球广泛使用。但是在短短的几年里，全球出现了上万例以往极其罕见的海豹肢畸形儿童。调查研究发现，导致这些畸形儿的罪魁祸首就是沙利度胺。沙利度胺的主要化学成分是谷氨酸的一种衍生物，它就是一种手性分子。

手性分子一般是结构不对称的分子，它往往包括两种组成相同、结构不同的分子。这两种分子像我们的手一样，可以用左、右来进行区分。它们可以用偏振光来进行辨别，有的能让偏振光向左旋转，这种分子就是左旋手性分子；有的能让偏振光向右旋转，这种分子就是右旋手性分子。

左旋分子和右旋分子貌似“孪生兄弟”，常常同时出现，难分彼此。但是，它们的作用大不相同。比如，沙利度胺中的左旋分子可以治病救人，它的右旋分子却是畸形胎儿的罪魁祸首。如今，世界各国已经禁用这种药物。

如果有一种催化剂，可以在合成手性分子的过程中进行把控，只让有用的那种分子出现，消除那种无用甚至有害的分子，那就“功德无量”了。化学家的确发现了这种催化剂，它就是不对称有机催化剂。

金属催化剂和有机催化剂

不对称有机催化剂

早在1970年，化学家就发现了有机催化剂。它们是有机小分子，除了碳和氢，通常含有氧、氮、硫、磷等常见元素。酶和有机催化剂在本质上都是有机化合物，酶是生物大分子，制造起来比较复杂；而有机催化剂则是有机小分子，制造起来相对简单。相对于昂贵、脆弱、污染较大的金属催化剂来说，有机催化剂价格低廉、易于提取。

由于最初发现的有机催化剂比金属催化剂和酶的效率低得多，适应范围也小得多，它的应用前景一度受到人们的质疑。直到2000年，利斯特和麦克米伦发现有机催化剂居然具有不对称催化的能力。也就是说，它可以只让“孪生”手性分子有用的那个出现，达到“不对称合成”的效果。从此之后，有机催化剂登上“大雅之堂”，并获得“第三种催化剂”的美誉。目前，有机催化剂应用最多的就是不对称合成领域，此时这些催化剂被称为“不对称有机催化剂”。

利斯特对有机催化剂的研究是从对酶的思考开始的。我们都知道，有些酶是蛋白质，蛋白质则是由多个氨基酸合成的。利斯特认为，既然酶可以催化化学反应，比蛋白质结构更简单的氨基酸应该也有这种可能性。最终，他发现从胶原蛋白中提取的脯氨酸是一种高效催化剂，它可以驱动不对称合成。目前，脯氨酸已经成为有名的不对称有机催化剂，被广泛用于药物生产中。

麦克米伦曾专门研究使用金属催化剂来完成不对称催化反应，但随后他发现自己在实验室里开发的金属催化剂很难在工业上得到应用。麦克米伦进行了多种尝试，结果发现简单的胺类有机分子可以成为不对称合成的催化剂。他选择合适的溶剂，将胺类分子转化为催化活性很强的亚胺离子，实现了多种类型的不对称催化。当麦克米伦准备发表他的结果时，他意识到自己所发现的催化方法还没有名字，于是他在化学界首次提出了“有机催化”这个概念。

利斯特和麦克米伦虽然不是有机催化剂的首位发现者，但他们是有机催化剂在不对称合成中的倡导者，是不对称有机催化领域的重要推动者。