化学奖：更有效、更环保的第三种催化方式

2021年诺贝尔化学奖被授予两位开创了“一种用来制造分子的巧妙工具”的化学家。马克斯·普朗克煤研究所（Max-Planck-Institut für Kohlenforschung）的德国科学家本杰明·李斯特（Benjamin List）和普林斯顿大学的美国科学家戴维·麦克米伦（David MacMillan），这两人从不同的角度，以不同的方式开创了化学界一个全新的研究领域，不仅对化学研究起到了巨大的推动作用，也为创造更加健康、环保的现代生活方式做出了巨大贡献。他们获得诺贝尔奖可谓实至名归。

人类能够享受舒适快捷且物质极大丰富的现代生活，在很大程度上要依赖化学家通过现代化学手段，大量合成出人类所需的复杂分子。想要实现这个目标，快速、准确、大量地制造化工产品，就需要使用有效的催化剂，以促进物质之间迅速产生化学反应。根据统计，目前世界生产总值中的35%都与化学催化剂有关。

但是人类利用催化剂加快化学反应速度的手段比较有限。在2000年之前，只有两种化学催化手段可以使用——金属催化和酶催化。利用含有金属元素的催化剂促进化学反应，主要是利用金属原子可以起到获得和运送电子的作用，因此金属在催化过程中起到重要作用。但是，基于金属的催化剂往往具有毒性，也容易产生大量无用的副产品。另一种方式，通过酶进行催化，则是人类从生命现象中得到的启示。科学家们发现，在自然演化过程中，人体选择利用酶作为化学反应的催化剂。实际上，大多数生物体内都含有数千种酶，用以促进细胞内的化学反应来维持生命活动。但大多数酶都是结构复杂的大分子，它们在细胞之外很难进行催化作用。

使用这两种传统的催化方式，在大量生产分子的过程中，有可能同时产生两种结构对称的分子——这两种分子互为彼此的镜像结构——而生产者则往往只需要其中一种。两种互为镜像结构的分子，性质可能完全不同。除了如气味之类的外在表现之外，在制药行业，互为镜像结构的两种分子可能一种是药物，另一种则具有毒性。在这种情况下，人类就需要一种高效的“不对称催化”手段，有选择地只生产所需的互为镜像的分子结构中的一种。

在这种情况下，李斯特和麦克米伦分别通过不同的方式试图寻找新的催化手段。在进行博士后研究期间，李斯特发现了一种特殊的酶：“催化抗体”（Catalytic antibody），这是一种复杂的大分子。他发现这种合成的抗体可以进行化学催化作用。李斯特进一步思考，能否只利用这个抗体上的一个氨基酸模块进行化学催化作用？在经过一系列的尝试之后，李斯特与合作者们展示了可以利用脯氨酸（一种环状氨基酸）作为催化剂，加速在化学反应时两个分子中碳原子的结合，进行“不对称”的化学反应，只产生两个互为镜像的分子结构中的一种。

几乎与此同时，在加州大学伯克利分校进行研究的麦克米伦则制造出一种金属化合物，可以进行不对称催化，但是这种催化剂如果被暴露在氧气或水中会失效。在这种情况下，这种催化手段无法被大规模应用到工业生产中。因此，麦克米伦开始尝试开发不含金属但具有同样效果的催化剂。在实验中，他试着用氮原子和烃环取代催化剂中的铜原子，并迅速取得了成功。2000年1月，在麦克米伦提交的一篇论文中，他首次提出了“有机催化”（organocatalysis）这个概念，一种革命性的化学催化方式诞生了。

相较之下，通过稳定的碳原子架构与氧原子、氮原子、硫原子、磷原子等结合，容易生产出副产品更少、更环保的有机催化剂。因为富含碳原子，有机催化剂大多没有毒性。而在实现了突破之后，李斯特和麦克米伦一直在这个领域保持领先地位，研制出多种有机催化剂。

李斯特和麦克米伦的成功在全世界范围内迅速引起了轰动。这种独特的催化方式帮助很多化学家实现了梦想：只利用很少的能量和产出少量废品，就能够合成出所需要的复杂分子。不仅如此，在化工领域，有机催化与金属催化、酶催化并列成为化学界通常使用的三种催化方式。而在这三种催化方式中，有机催化所要求的步骤更少，也更加环保。有机催化可以实现很多酶催化剂和金属化合物催化剂无法实现的作用。以一种标志性的化合物番木鳖碱（strychnine）为例，有机催化的出现使得获得这种物质的合成步骤从29步减少到12步，生产效率提高了7000倍。

从生产香水到合成新型太阳能电池所需的分子，都可以通过不对称有机催化的方式进行加速，而不对称有机催化最重要的应用目前是在制药行业。这种高效、环保、精确的催化手段，极大地提高了制药行业的水平。有很多重要的药物，例如抗抑郁药物帕罗西汀（paroxetine）、抗病毒药物奥司他韦（oseltamivir），都依赖有机催化方式进行大规模生产。

实际上，有机催化方式在出现之后看起来却是非常简单的，很多化学家的反应是，为什么这样的方法没有更早出现？或许是因为想要在科学中取得突破，往往需要突破自身教育背景和传统观念的束缚。

（本文写作参考了诺贝尔奖网站，《科学》和《自然·化学》杂志的相关报道） 李斯特科学科普环保诺贝尔化学反应