神奇的催化劑

化學(xué)是一門(mén)古老的科學(xué)，又是和其他科學(xué)緊密聯(lián)系、處于中心地位并不斷創(chuàng)新的科學(xué)。它對(duì)人類的最大貢獻(xiàn)是將一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另一種物質(zhì)，為提高人類的物質(zhì)生活水平提供豐富多彩的生活資料。在美國(guó)，通過(guò)化學(xué)生產(chǎn)的產(chǎn)品已占全部生產(chǎn)總值的30%。在人類將一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另一種物質(zhì)時(shí)，除了利用熱、光、電等物理手段之外，主要還是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的辦法，而化學(xué)反應(yīng)中催化劑是使用最廣泛、作用最顯著的物質(zhì)之一。在美國(guó)，整個(gè)化學(xué)生產(chǎn)中利用催化劑生產(chǎn)的比重，已超過(guò)了80%。

可以說(shuō)，催化劑是建立現(xiàn)代無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)。如制造硫酸、硝酸以及化肥的主要原料氨的合成，人類生活中需用的多種多樣的藥物的制備，從石油制取汽油，在加壓狀態(tài)下加氫使煤液化，由水煤氣（一氧化碳和氫）合成醇類，從飽和烴制造烯烴如乙烯、丙烯、丁二烯和芳烴如苯、甲苯、二甲苯等，以及由它們進(jìn)一步加工制造的合成塑料、合成橡膠和合成纖維等，大都是利用催化劑完成的。解決當(dāng)前人類面臨的環(huán)保、能源等問(wèn)題也都離不開(kāi)催化劑。在人類日常生活中，也離不開(kāi)催化劑。比如，制造奶酪，由木材、谷物制取酒精所用的微生物酵母也是一種催化劑。對(duì)人類來(lái)說(shuō)，更重要的還有控制人類生存與代謝的酶。酶也是一種特殊類型的催化劑，稱為生物催化劑。動(dòng)植物有機(jī)體中大部分化學(xué)反應(yīng)都有酶的參與。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，活的有機(jī)體就是依靠酶的復(fù)雜而精細(xì)的催化機(jī)制進(jìn)行它們所特有的生存競(jìng)爭(zhēng)的。可以毫不夸張地說(shuō)，沒(méi)有催化劑，就沒(méi)有這個(gè)世界。很好地掌握催化劑的奧秘，就可能在人類文明史上開(kāi)辟一個(gè)嶄新的紀(jì)元。

那么催化劑參與的過(guò)程又有哪些主要特點(diǎn)呢？首先，在催化過(guò)程中，催化劑通常同其他作為原料的分子相互作用，原料分子在催化劑作用下轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物后，催化劑又重新復(fù)原，形成一個(gè)循環(huán)。這循環(huán)一次一次地重復(fù)著，周而復(fù)始，催化劑在反應(yīng)前后，并伴有化學(xué)變化，因此用很少量的催化劑就可以使大量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。不過(guò)由于不可避免的一些副反應(yīng)，催化劑活性會(huì)逐漸喪失，就像鐘擺的擺動(dòng)由于摩擦而停止那樣。其次，催化劑的作用是有選擇性的，一個(gè)催化劑對(duì)某一種或幾種反應(yīng)有活性而對(duì)另一些反應(yīng)就未必有活性。人類對(duì)催化劑的認(rèn)識(shí)正在不斷深化，現(xiàn)在已能合成出選擇性能很高的催化劑。例如一種具有獨(dú)特孔徑的稱為分子篩的催化劑，它只能接受大小一定的分子并在其中進(jìn)行加工，從而合成出結(jié)構(gòu)一定的分子。

最具有挑戰(zhàn)性的是對(duì)生物催化劑酶的功能的研究。一般來(lái)說(shuō)，酶分子本身就具有三種功能不同的活性位。第一種活性位和反應(yīng)分子的特定部位作用，直接起催化作用；第二種活性位雖不能起催化作用，但卻能將反應(yīng)分子固定在一定的位置上；第三種活性位則可使酶分子自身保持特定的空間構(gòu)象。反應(yīng)時(shí)三種活性位協(xié)同作用，使酶分子和反應(yīng)物分子相互匹配，構(gòu)成酶所特有的催化活性。酶有很高的催化活性和很強(qiáng)的專一性，可以說(shuō)，酶是一類最奇妙的催化劑。

有人把催化劑比作加工分子的機(jī)器。不過(guò)直到20世紀(jì)末，八類還不能像制造普通機(jī)器那樣，通過(guò)設(shè)計(jì)科學(xué)地制造真正的分子加工機(jī)器?？墒峭ㄟ^(guò)近代對(duì)生物催化劑——酶的結(jié)構(gòu)和功能的深入研究，科學(xué)地解決選擇催化劑的問(wèn)題已顯露曙光，這是一個(gè)十分誘人的領(lǐng)域。