在浦江科学大师讲坛上，诺奖得主分享“催化”人生
在浦江科学大师讲坛上，诺奖得主分享“催化”人生
“我团队中目前有5名中国同事，我非常欣赏他们做科研时的乐观和刻苦。”
10月12日，在第十六期“浦江科学大师讲坛”现场，2021年诺贝尔化学奖得主、德国马克斯·普朗克煤炭研究所主任本亚明·利斯特以“催化美丽世界：给下一代的三个信息”为题，与现场观众们面对面畅谈，聚焦有机催化前沿方向。
“尽管我无法提供一个获得诺奖的完整‘配方’，但我会告诉大家，想要赢取诺贝尔奖，需要做到什么。”利斯特给出了3个关键词，追寻热爱、尝试不同、目标远大。
本亚明·利斯特 复旦大学供图
追寻热爱
利斯特对化学的热爱始于青少年时期。
13岁时，他在朋友家的地下室里建起了化学实验室。“当时中学还没有开设化学课，所以我决定自己动手。”他说。
当时，为制作火药，少年利斯特和朋友以“制作洗涤剂”的名义从药店买来材料。后来因为一次意外失火，药店药剂师看到了楼里冒出的烟雾，拒绝再卖给他们任何材料。
然而，这次失败的体验并没有改变利斯特想成为化学家的愿望。“我后来了解到，有机化学之父尤斯图斯·冯·李比希在做学徒时也发生过类似的事情。”利斯特表示。
后来的时光里，利斯特经历过很多次失败。
在攻读化学博士学位期间，他的研究方向是维生素B12合成。维生素B12是一种非常复杂的小分子，合成难度非常大，三年间，他每天都在夜以继日地研究。“如果不是因为我‘追寻热爱’，我很难坚持下去。”他坦言。
后来，利斯特找到了自己最热爱的方向。
“我认为催化是所有科学中最为迷人的一部分。从原理上说，一个催化剂分子反复参与反应、促使成千上万个产物分子生成的过程，正是催化的魔法所在。”利斯特同时指出，催化是推动人类现代社会发展的重要技术之一。
在能源领域，通过三元催化，汽油燃烧产生的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物可被主要转化为二氧化碳、水和氮气；通过催化，煤炭可转化为汽油；通过催化裂解烷烃，可制造更小的碳氢化合物，为飞机、汽车、轮船等提供燃料。
在农业领域，哈伯-博世法从大气中提取氨用于化肥制作，氨产量每年可达15亿吨规模，养活了世界上无数的人。
在材料领域，齐格勒-纳塔催化剂推动了塑料、橡胶制品的生产。
“地球的未来很大程度上取决于催化剂。”利斯特说。
尝试不同
2021年，利斯特与美国科学家戴维·麦克米伦因开发“不对称有机催化”同获诺贝尔化学奖。
而让利斯特获得诺奖的科研之路，是从“尝试不同”开始的。
催化一直被认为是很重要的技术。但在很长一段时间里，人们普遍认为，催化剂只有酶和金属两种类型。
1997年，利斯特开始在美国斯克利普斯研究所做博士后，研究抗体催化剂的机制。随着研究深入，他发现，一种酶催化羟醛缩合反应中，活性位点里没有金属，只有一个氨基和一个酸性基团。
利斯特从中看见了新的可能，决定尝试用氨基酸开展进一步的研究。功夫不负有心人，他找到了脯氨酸——它不仅能催化羟醛反应，且其催化机制与酶相同。这项技术后来被用于合成抗HIV药物达芦那韦，也让利斯特站在了瑞典斯德哥尔摩的领奖台上。
荣誉“加身”后，利斯特并未止步，仍在向着“找到一种普适性的催化剂，解决所有化学问题”这一目标努力。“我们能做的，与自然界相比，不过是沧海一粟。”他感叹。
如今，他的团队交出了新的答卷——限域催化剂。
利斯特介绍，这类催化剂能在分子内部构建一个受限的活性空间，像酶一样，在极度酸性或极度碱性环境中都能起催化作用，实现传统催化剂难以完成的裂解反应。实验结果表明，在一个羟醛缩合反应中，1公斤催化剂就能生产388吨产物。
“借助限域催化剂，曾被香料商以330万美元天价收购的龙涎香，有望以更低的成本、更清洁的方式合成具有相同香气特征的分子，从而改变整个香氛产业。”利斯特举例说明了限域催化剂的应用潜力。
做有挑战的事
“大家要有高远的目标，做一些真正有挑战的事情。”在演讲尾声，利斯特将目光投向了宏大的命题。
目前，利斯特的团队的研究方向之一是人工光合作用。他最初的想法很务实，即设计一种能够利用光能的化学反应，将水和二氧化碳转化为合成气，再通过费托合成制造成燃料。合成气燃烧后生成二氧化碳，二氧化碳再转化回合成气，形成一个完美的循环。
然而，从空气中提取二氧化碳、再制造汽油，是一个艰难的过程。更重要的是，这个方案并不能解决气候变化，因为这是“一个千兆吨规模的问题”。
再三思考之后，利斯特有了一个新主意——提取二氧化碳，用光和催化剂将其直接分解为氧气和石墨。“这听起来像个疯狂的想法。”他说，“但事实上，高中生都能想出这样的点子。而如果它能奏效，就有可能改变世界。”
这个想法可行吗？利斯特算了下，将气态二氧化碳转化为固态石墨和氧气，每摩尔需要94千卡能量。
“这是一个高得离谱的数字。”他随即补充道，植物光合作用每摩尔需要124千卡。这意味着，这个设想并非不可能。
“一个疯狂的想法，是革命性发现的必要条件。”在利斯特的愿景里，这套人工光合作用将支撑起一套全新的化工产业。
“就像今天我们从煤出发发电、通过费托合成制造各种化学品一样，未来我们可以用二氧化碳、水和光，建立起一套完全可持续的化工体系。”他说，“我们将解决人类面临的三个紧迫的问题，包括可持续的化工产业、能源供给、气候变化。”