第三种催化剂

催化剂是一种可以加速化学反应的物质，在工业生产和科学研究中扮演着重要的角色。金属催化剂和酶作为目前较为常用的两类催化剂，已经获得了不少引人瞩目的成效。而近年来，化学家又开发出第三类催化剂——有机催化剂。2021年，诺贝尔评奖委员会将化学奖授予了这一新兴领域的倡导者：德国化学家本亚明·利斯特和美国化学家戴维·麦克米伦，以表彰他们在推动不对称有机催化领域的突出贡献。他们的研究推动了有机催化剂的研究与应用，使得有机合成领域出现了革命性的变化。

催化剂为化学反应加速

在日常生活和工业生产中都会广泛使用催化剂。例如，汽车尾气催化剂能够将尾气中的有毒有害物质转化为无害分子后排放，有助于环境保护。这些催化剂在化学反应中充当“中介”，可以加速反应速率。

虽然许多物质之间可以发生化学反应，但很多反应的发生往往十分困难且缓慢。例如，在自然环境中混合氮气和氢气并自动形成氨气，这几乎是不可能实现的。为了在工厂中成功生成氨气，需要高达500℃的高温和20～50兆帕的高压，同时还必须使用铁触媒等催化剂。它们是在传统化工行业中被较多应用的第一类催化剂：金属催化剂。

生物体内无时无刻不在发生着化学变化，这些过程通常需要在一种高效、具有生物亲和性的催化剂作用下进行，这一类催化剂称之为酶。酶本质上也是一种生物大分子，一般是蛋白质或者RNA（核糖核酸），故在生物过程中具有很好的生物相容性。例如，淀粉酶是一种存在于人体消化系统中的蛋白质，能高效地将米饭、面条等食物中含有的淀粉分解成我们能够吸收的葡萄糖等。

正是因为酶的高效催化作用，生物体内的化学反应在极为温和的条件下也能顺利快速地进行。随着人们对酶和相关反应的深入理解，越来越多的行业（例如有机精细化工、制药等）开始采用酶作为催化剂。有时，人们也会面临难以解决的问题，比如在某些药物合成过程中遇到了手性分子的困扰。

手性分子的困扰

药物沙利度胺，是一种谷氨酸的衍生物。沙利度胺是一种强效的止痛剂和镇静剂，使用广泛，尤其是用于治疗孕妇出现的妊娠恶心和呕吐等不适症状。该药一经推出就在全球范围内迅速走红，因其疗效显著、不良反应轻微而被人津津乐道。但是，在该药推出后的短短几年内，海豹肢体畸形的患儿数量激增的情况前所未见。经调查发现，沙利度胺的不良作用为罪魁祸首。

进一步的研究发现，沙利度胺是一种手性分子，这也是它危害胎儿的重要原因。所谓手性，就是当一个分子与其镜像结构不能完全重合时，我们称其具有“手性”。手性现象在自然界广泛存在，大到宇宙星云，小到日常的螺壳。我们肉眼看不到的一些物质也具有手性，比如手性分子。手性是自然界中的一种基本属性，与人们的生命健康息息相关。手性分子是一类不能与自身的镜像相重叠，并具有使偏振光振动面旋转性质的不对称分子。

手性分子一般是结构不对称的分子，它们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。手性分子的左右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双胞胎，它们在化学反应的生成物中常常同时出现，难分彼此。但是，它们的作用却很可能大不相同。比如，沙利度胺中的右旋分子可以治病救人，它的左旋分子却是导致畸形胎儿的罪魁祸首。如今这种药物已经被世界各国禁用。

在微观领域中，手性对于化学反应的选择性和效率非常重要。如果有一种催化剂，可以在合成手性分子的过程中能够很好地进行把控，只让有用的那个分子出现，消除那个无用甚至有害的分子，那就“功德无量”了。不对称有机催化剂就有这种功效。

不对称有机催化剂

早在1970年，化学家就已开始探寻有机催化剂的神秘领域。它们是有机小分子，除了碳和氢外，通常含有氧、氮、硫、磷等常见元素。在本质上，酶和有机催化剂都是有机化合物，但由于酶是生物大分子，难以合成，而相比之下，有机催化剂由于是小分子化合物，在生产方面就相对简单很多。此外，与那些昂贵、不太稳定、污染较大的金属催化剂相比，有机催化剂还具有价格低廉、易于提取等诸多优势。

最初发现的有机催化剂比金属催化剂和生物催化剂（酶）的催化效率要低得多，因此它们的应用范围也小得多，其应用前景一度受到人们的质疑。直到2000年，利斯特和麦克米伦开发了不对称有机催化剂并用于不对称合成，从此有机催化剂登上“大雅之堂”并引起化学家的广泛关注，得到迅速发展，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，因此这些催化剂被称为“不对称有机催化剂”。

利斯特从11岁那年起，就对化学充满着热情。或许正是因为这份热爱，让他毫不犹豫地选择将化学研究作为自己的终身事业。即使是实验室中沉闷乏味的研究工作，在他的眼中也可以充满乐趣。而利斯特对于有机催化剂的研究始于对酶的思考。

大多数酶是由蛋白质组成的，而蛋白质是由数个氨基酸构成的。利斯特开始思考，既然酶可以催化化学反应，那么结构更为简单的氨基酸是否也具有这种可能性？在不懈的探索和研究下，他发现从胶原蛋白中提取的脯氨酸是一种极为高效的催化剂。之后，脯氨酸被应用于不对称合成，有效推动着相关药物的生产制造。如今，脯氨酸成了一种广为人知的不对称有机催化剂，受到制药工业的广泛青睐。

利斯特坚信，不对称有机催化领域仍然存在着更多无限的可能性。他执着于有机催化剂的设计和筛选，为之不懈努力，正如他所言：“不断发掘和开拓更多催化剂的可能性，是我们未来不断追求和拓展的一项宏伟目标。”

与利斯特不同的是，麦克米伦曾经将自己的精力倾注于使用金属催化剂完成不对称催化反应，但他最终却发现自己所研发的金属催化剂难以普及到工业实践中。虽然遭遇了这些挫折，但在进行了数次的实验后，他意外地发现了一种简单的有机分子——胺类分子，可以被用于进行不对称合成催化。经过一系列逐步优化的步骤，他选择了相应的溶剂，让胺类催化剂能够与反应物中的羰基生成高活性的亚胺离子。胺类催化剂已经成功地实现了多种类型的不对称催化反应。

然而当麦克米伦准备发表他的研究成果时，他又发现这一催化方法还没有独特的名称。于是，在经过深思熟虑之后，他在化学领域率先提出了“有机催化”这一概念。在他所著论文的“引言”部分，他写下这样的话：“在这篇论文中，我们向大家介绍了一种全新的有机催化策略，希望它能够成功地应用于各类不对称转化中。”

虽然利斯特和麦克米伦并非有机催化剂领域内的首位发现者，但他们却是在不对称合成中发现、倡导、发掘了有机催化剂，成为不对称有机催化领域的杰出推动者。诺贝尔化学奖评委会主席艾克维斯特对此非常钦佩，他曾表示：“不对称有机催化的概念不仅巧妙而单纯，甚至让许多人感叹：为什么我们之前没有想到呢？”

瑞典皇家科学院曾在一份新闻公报中写道，构建分子的过程是“一门精湛而又困难的艺术”。利斯特和麦克米伦的重要贡献在科学界举足轻重。他们的发现和努力不仅对有机催化剂的研究具有重大的推动意义，而且对制药等领域也产生了重要影响。

第三种催化剂的应用前景

不对称有机催化剂被誉为新一代催化剂，如今已成为有机化学合成中必不可少的工具，广泛应用于药物合成、材料科学等重要领域。未来，不对称有机催化剂的发展将会进一步向更加环保、高效、广泛应用的方向前进。

不对称有机催化剂在药物合成领域方兴未艾，不仅被应用于新型药物的合成，同时在植保领域也发挥着重要作用，它催化生物合成的物质，如昆虫抗性素和植物抗生素，能有效保护农作物和森林资源。另外，在介孔材料和染料领域中也有着广泛的应用。

不对称有机催化剂还有环保优势。常规合成需要大量有毒的溶剂和辅助剂，而不对称有机催化剂在催化反应中使用的溶剂量通常较少，从而推动了绿色化工的发展。

未来的不对称有机催化剂发展将面临诸多挑战和机遇。在催化剂合成过程中，许多不对称有机催化剂需要使用大量的溶剂和产生金属盐等废物，会对环境产生负面影响。为此，研究人员正在研发一种更加环保的催化剂合成方法，以降低其制备对环境的影响。为了提高催化反应的效率和经济性，研究人员也在积极探索更高效、更广泛用途的不对称有机催化剂。除了以上的发展方向，研究人员还在不断发掘新的应用领域。例如，在太阳能电池、水净化等领域，不对称有机催化剂都有很大的应用潜力。这些潜在的应用领域也将成为未来不对称有机催化剂研究的一个重要方向。

有机催化剂是化学界的一大创新，引领了有机合成领域的革命性变革，也为人类福祉和环保做出了巨大贡献。总体而言，不对称有机催化剂的应用和发展将会越来越高效、普及、节能、环保，这是大势所趋。

利斯特和麦克米伦因为开创出一种精确的分子构建工具——不对称有机催化剂而让我们可以以高效、高选择性的方式合成手性化合物。他们的创新也让我们有理由坚信，未来不远之时，不对称有机催化剂将会带来更多的科技进步，进一步提高人民生活质量。

获奖者简介

本亚明·利斯特（Benjamin List），1968年出生于德国，1997年从德国法兰克福大学获得博士学位，目前为马克斯·普朗克煤炭研究所研究员。

戴维·麦克米伦（David W.C. MacMillan），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。