□文/楊先碧

催化劑是我們熟知的可以加速化學(xué)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(lái)，化學(xué)家開(kāi)發(fā)出第三種催化劑：有機(jī)催化劑。2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就是頒給了第三種催化劑應(yīng)用的倡導(dǎo)者——德國(guó)科學(xué)家本亞明·利斯特和美國(guó)科學(xué)家戴維·麥克米倫，他們的突出貢獻(xiàn)是推動(dòng)了不對(duì)稱有機(jī)催化領(lǐng)域的發(fā)展。

供圖/視覺(jué)中國(guó)

催化劑為化學(xué)反應(yīng)加速

不少化學(xué)反應(yīng)不但艱難，而且緩慢。比如，把氮?dú)夂蜌錃饣旌显谝黄穑屗鼈冏詣?dòng)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(lái)當(dāng)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(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行著化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)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(xué)反應(yīng)在極為溫和的條件下也能高效和特異地進(jìn)行。隨著人們對(duì)酶及相關(guān)反應(yīng)的了解越來(lái)越深入，有機(jī)化工、制藥等行業(yè)越來(lái)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(guò)程中出現(xiàn)了手性分子的問(wèn)題，這些手性分子可能給患者帶來(lái)嚴(yán)重的不良反應(yīng)。此時(shí)，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(wàn)例以往極其罕見(jiàn)的海豹肢畸形兒童。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這些畸形兒的罪魁禍?zhǔn)拙褪巧忱劝?。沙利度胺的主要化學(xué)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(duì)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(lái)進(jìn)行區(qū)分。它們可以用偏振光來(lái)進(jìn)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(shí)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?zhǔn)?。如今，世界各?guó)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(guò)程中進(jìn)行把控，只讓有用的那種分子出現(xiàn)，消除那種無(wú)用甚至有害的分子，那就“功德無(wú)量”了。化學(xué)家的確發(fā)現(xiàn)了這種催化劑，它就是不對(duì)稱有機(jī)催化劑。

金屬催化劑和有機(jī)催化劑

不對(duì)稱有機(jī)催化劑

早在1970年，化學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了有機(jī)催化劑。它們是有機(jī)小分子，除了碳和氫，通常含有氧、氮、硫、磷等常見(jiàn)元素。酶和有機(jī)催化劑在本質(zhì)上都是有機(jī)化合物，酶是生物大分子，制造起來(lái)比較復(fù)雜；而有機(jī)催化劑則是有機(jī)小分子，制造起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。相對(duì)于昂貴、脆弱、污染較大的金屬催化劑來(lái)說(shuō)，有機(jī)催化劑價(jià)格低廉、易于提取。

由于最初發(fā)現(xiàn)的有機(jī)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(jī)催化劑居然具有不對(duì)稱催化的能力。也就是說(shuō)，它可以只讓“孿生”手性分子有用的那個(gè)出現(xiàn)，達(dá)到“不對(duì)稱合成”的效果。從此之后，有機(jī)催化劑登上“大雅之堂”，并獲得“第三種催化劑”的美譽(yù)。目前，有機(jī)催化劑應(yīng)用最多的就是不對(duì)稱合成領(lǐng)域，此時(shí)這些催化劑被稱為“不對(duì)稱有機(jī)催化劑”。

利斯特對(duì)有機(jī)催化劑的研究是從對(duì)酶的思考開(kāi)始的。我們都知道，有些酶是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)則是由多個(gè)氨基酸合成的。利斯特認(rèn)為，既然酶可以催化化學(xué)反應(yīng)，比蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)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(dòng)不對(duì)稱合成。目前，脯氨酸已經(jīng)成為有名的不對(duì)稱有機(jī)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(lái)完成不對(duì)稱催化反應(yīng)，但隨后他發(fā)現(xiàn)自己在實(shí)驗(yàn)室里開(kāi)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(jìn)行了多種嘗試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的胺類有機(jī)分子可以成為不對(duì)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(qiáng)的亞胺離子，實(shí)現(xiàn)了多種類型的不對(duì)稱催化。當(dāng)麥克米倫準(zhǔn)備發(fā)表他的結(jié)果時(shí)，他意識(shí)到自己所發(fā)現(xiàn)的催化方法還沒(méi)有名字，于是他在化學(xué)界首次提出了“有機(jī)催化”這個(gè)概念。

利斯特和麥克米倫雖然不是有機(jī)催化劑的首位發(fā)現(xiàn)者，但他們是有機(jī)催化劑在不對(duì)稱合成中的倡導(dǎo)者，是不對(duì)稱有機(jī)催化領(lǐng)域的重要推動(dòng)者。