第三种催化剂

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，即有机催化剂。2021年的诺贝尔化学奖颁给了第三种催化剂应用的倡导者——德国科学家本杰明·利斯特和美国科学家大卫·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。

分子結构图

不少化学反应不仅艰难，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。工业上要合成氨气，需要500℃的高温，还需要20～50兆帕的高压。光有高温高压的条件还不够，还需要铁来做催化剂。这就是第一种催化剂——金属催化剂，是传统化工行业用得较多的一种催化剂。

生物体内也时时刻刻进行着化学反应，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，它们所用的是第二种催化剂——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，人体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，使之转化为人体所需的能量。

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利用酶做催化剂。但是，人们遇到了一些难题，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。

药物沙利度胺的主要化学成分是谷氨酸的一种衍生物，它是一种手性分子。沙利度胺作为镇静剂和止痛剂，主要用于缓解孕妇出现的妊娠恶心、呕吐等症状，因此它的商品名之一是“反应停”。因其疗效显著、不良反应轻且少，迅速得到了广泛使用。但是在短短的几年里，全球出现了以往极其罕见的上万例海豹肢畸形儿童。调查研究发现，导致这种畸形的罪魁祸首就是沙利度胺。

沙利度胺化学分子式

手性分子一般是结构不对称的分子，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。

左旋手性分子和右旋手性分子貌似“孪生兄弟”，常常同时出现，难分彼此。但是，它们的作用却大不相同。比如，沙利度胺中的左旋手性分子可以治病救人，而右旋手性分子却是导致胎儿畸形的罪魁祸首。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，只让有用的分子出现，消除无用甚至有害的分子，那就“功德无量”了。目前，化学家的确已经发现了这种催化剂，它就是不对称有机催化剂。

本杰明·利斯特（左）和大卫·麦克米伦（右）

不对称有机催化可获得副作用小的药物

早在1970年，化学家就发现了有机催化剂。它们是有机小分子，除了含有碳和氢元素外，通常还含有氧、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，其制造比较复杂;而有机催化剂则是有机小分子，制造起来相对简单得多。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要低得多，适用范围也小得多，它的应用前景一度受到人们的质疑。直到2000年，本杰明·利斯特和大卫·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”手性分子中有用的那个出现，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”。

本杰明·利斯特在11岁时就对化学非常感兴趣，而正是这份热爱让他将化学作为终身的事业。在他看来，有热爱就会有激情，即使枯燥的实验室研究也会变得有趣起来。本杰明·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。本杰明·利斯特认为，既然酶可以催化化学反应，那么比蛋白质结构更简单的氨基酸应该也具有这种可能性。最终，他发现从胶原蛋白中提取的脯氨酸是一种高效的催化剂，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，广泛应用于药物生产中。本杰明·利斯特认为，不对称催化领域充满机遇，继续设计和筛选这些催化剂是他们未来需要达成的目标之一。

大卫·麦克米伦曾致力于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。他进行了多种尝试，结果发现简单的胺类有机分子可以做不对称合成反应的催化剂。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。当他准备发表研究成果时，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。他在自己论文的“引言”部分中写道：“在此，我们介绍了一种新的有机催化策略，希望它能适应一系列的不对称转化。”

本杰明·利斯特和大卫·麦克米伦虽然不是有机催化剂的首位发现者，但他们却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。对此，诺贝尔化学奖评奖委员会主席艾克维斯特表示：“不对称有机催化的概念既巧妙又单纯，甚至让许多人诧异为什么自己没有早一点想到。”瑞典皇家科学院在新闻公报中指出，构建分子是“一门困难的艺术”，本杰明·利斯特和大卫·麦克米伦因开发出一种精确的分子构建工具——不对称有机催化剂——而获奖，他们的成果对药物研究产生了巨大影响，并使化工行业更加绿色环保。

本杰明 ·利斯特，1968年出生于德国，1997年从德国法兰克福大学获得博士学位，目前为德国马普煤炭研究所研究员。

大卫 ·麦克米伦，1968年出生于英国，1996年从美国加州大学欧文分校获得博士学位，目前为美国普林斯顿大学教授。