神奇的催化剂

神奇的催化剂

化学是一门古老的科学，又是和其他科学紧密联系、处于中心地位并不断创新的科学。它对人类的最大贡献是将一种物质转化为另一种物质，为提高人类的物质生活水平提供丰富多彩的生活资料。在美国，通过化学生产的产品已占全部生产总值的30%。在人类将一种物质转化为另一种物质时，除了利用热、光、电等物理手段之外，主要还是通过化学反应的办法，而化学反应中催化剂是使用最广泛、作用最显著的物质之一。在美国，整个化学生产中利用催化剂生产的比重，已超过了80%。

可以说，催化剂是建立现代无机和有机化学工业的基础。如制造硫酸、硝酸以及化肥的主要原料氨的合成，人类生活中需用的多种多样的药物的制备，从石油制取汽油，在加压状态下加氢使煤液化，由水煤气（一氧化碳和氢）合成醇类，从饱和烃制造烯烃如乙烯、丙烯、丁二烯和芳烃如苯、甲苯、二甲苯等，以及由它们进一步加工制造的合成塑料、合成橡胶和合成纤维等，大都是利用催化剂完成的。解决当前人类面临的环保、能源等问题也都离不开催化剂。在人类日常生活中，也离不开催化剂。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种催化剂。对人类来说，更重要的还有控制人类生存与代谢的酶。酶也是一种特殊类型的催化剂，称为生物催化剂。动植物有机体中大部分化学反应都有酶的参与。在长期的进化过程中，活的有机体就是依靠酶的复杂而精细的催化机制进行它们所特有的生存竞争的。可以毫不夸张地说，没有催化剂，就没有这个世界。很好地掌握催化剂的奥秘，就可能在人类文明史上开辟一个崭新的纪元。

那么催化剂参与的过程又有哪些主要特点呢？首先，在催化过程中，催化剂通常同其他作为原料的分子相互作用，原料分子在催化剂作用下转变成产物后，催化剂又重新复原，形成一个循环。这循环一次一次地重复着，周而复始，催化剂在反应前后，并伴有化学变化，因此用很少量的催化剂就可以使大量的物质转化。不过由于不可避免的一些副反应，催化剂活性会逐渐丧失，就像钟摆的摆动由于摩擦而停止那样。其次，催化剂的作用是有选择性的，一个催化剂对某一种或几种反应有活性而对另一些反应就未必有活性。人类对催化剂的认识正在不断深化，现在已能合成出选择性能很高的催化剂。例如一种具有独特孔径的称为分子筛的催化剂，它只能接受大小一定的分子并在其中进行加工，从而合成出结构一定的分子。

最具有挑战性的是对生物催化剂酶的功能的研究。一般来说，酶分子本身就具有三种功能不同的活性位。第一种活性位和反应分子的特定部位作用，直接起催化作用；第二种活性位虽不能起催化作用，但却能将反应分子固定在一定的位置上；第三种活性位则可使酶分子自身保持特定的空间构象。反应时三种活性位协同作用，使酶分子和反应物分子相互匹配，构成酶所特有的催化活性。酶有很高的催化活性和很强的专一性，可以说，酶是一类最奇妙的催化剂。

有人把催化剂比作加工分子的机器。不过直到20世纪末，八类还不能像制造普通机器那样，通过设计科学地制造真正的分子加工机器。可是通过近代对生物催化剂——酶的结构和功能的深入研究，科学地解决选择催化剂的问题已显露曙光，这是一个十分诱人的领域。