2021年諾貝爾化學獎解讀第三種催化劑

□文/楊先碧

催化劑是我們熟知的可以加速化學反應(yīng)的物質(zhì)，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年諾貝爾化學獎就是頒給了第三種催化劑應(yīng)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(lǐng)域的發(fā)展。

供圖/視覺中國

催化劑為化學反應(yīng)加速

不少化學反應(yīng)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，那是一件很難的事情。工業(yè)上要完成氨氣的合成，需要500℃的高溫，還需要20～50兆帕的高壓。只有高溫高壓的條件還不夠，還需要鐵來當催化劑。這就是第一種催化劑——金屬催化劑，是傳統(tǒng)化工行業(yè)使用較多的一種催化劑。

生物體內(nèi)也無時無刻不在進行著化學反應(yīng)，這些化學反應(yīng)涉及生物高分子，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(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，轉(zhuǎn)化為我們所需的能量。

由于酶的作用，生物體內(nèi)的化學反應(yīng)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(guān)反應(yīng)的了解越來越深入，有機化工、制藥等行業(yè)越來越多地用酶做催化劑。但是，人們又遇到了一些難題，比如一些藥物的合成過程中出現(xiàn)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(yīng)。此時，就需要第三種催化劑“出馬”了。

手性分子的困擾

藥物沙利度胺曾作為一種鎮(zhèn)靜劑和止痛劑，主要用于治療孕婦出現(xiàn)的妊娠惡心、嘔吐等癥狀，因其療效顯著，迅速在全球廣泛使用。但是在短短的幾年里，全球出現(xiàn)了上萬例以往極其罕見的海豹肢畸形兒童。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，導致這些畸形兒的罪魁禍首就是沙利度胺。沙利度胺的主要化學成分是谷氨酸的一種衍生物，它就是一種手性分子。

手性分子一般是結(jié)構(gòu)不對稱的分子，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(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首。如今，世界各國已經(jīng)禁用這種藥物。

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，只讓有用的那種分子出現(xiàn)，消除那種無用甚至有害的分子，那就“功德無量”了。化學家的確發(fā)現(xiàn)了這種催化劑，它就是不對稱有機催化劑。

金屬催化劑和有機催化劑

不對稱有機催化劑

早在1970年，化學家就發(fā)現(xiàn)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。酶和有機催化劑在本質(zhì)上都是有機化合物，酶是生物大分子，制造起來比較復雜；而有機催化劑則是有機小分子，制造起來相對簡單。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(fā)現(xiàn)的有機催化劑比金屬催化劑和酶的效率低得多，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(xiàn)，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(yīng)用最多的就是不對稱合成領(lǐng)域，此時這些催化劑被稱為“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(zhì)，蛋白質(zhì)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(yīng)，比蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)更簡單的氨基酸應(yīng)該也有這種可能性。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)動不對稱合成。目前，脯氨酸已經(jīng)成為有名的不對稱有機催化劑，被廣泛用于藥物生產(chǎn)中。

麥克米倫曾專門研究使用金屬催化劑來完成不對稱催化反應(yīng)，但隨后他發(fā)現(xiàn)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(yīng)用。麥克米倫進行了多種嘗試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)簡單的胺類有機分子可以成為不對稱合成的催化劑。他選擇合適的溶劑，將胺類分子轉(zhuǎn)化為催化活性很強的亞胺離子，實現(xiàn)了多種類型的不對稱催化。當麥克米倫準備發(fā)表他的結(jié)果時，他意識到自己所發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(lǐng)域的重要推動者。