高效率的催化剂

高效率的催化剂

生物的活细胞是天然化工厂。生物在进化过程中，获得了能有效地合成生命运动所必需的一切有机物的惊人本领。

生物的活细胞，是一个“反应堆”。在细胞中，可同时发生1500～2000个化学反应，而且完成这些反应的速度极快。例如，由缬氨酸开始，合成一条由150个氨基酸组成的肽链仅需一分钟。尤其惊人的是，只需要常温、常压下就能完成这些反应。相比之下，现代的化学合成技术是何等的“笨拙”，不但必须在几百、上千度的高温和几百个大气压下才能反应，而且最多只能同时进行几十个反应。

二者的差别为什么会这么大？最根本的原因就在于，在活细胞的化学反应中，起着支配和调节作用的是生物酶。

据估计，一个活细胞中往往含有几千种生物酶，它们的催化效率比化学工业上应用的无机催化剂要高得多，而且有很强的选择性，一种酶仅仅催化一种特定的反应，并且往往只是一个反应，这也大大加强了生物酶的催化作用。因此，人们正在努力寻找把酶反应应用到化学工业和化学分析中去的有效方法。但是，生物活细胞中酶的含量极少，要提取和纯化它们是十分困难的。因此，要在化学工业和化学分析中广泛采用生物酶去催化化学反应，几乎是不可能的；而人工模拟合成生物酶，才是可行的途径。不过，生物酶本身是一种蛋白质，是由一连串氨基酸组成的。其化学结构远比无机催化剂复杂，因而要用非生物化学方法严格地模拟酶也相当困难。经过进一步研究，发现在酶的蛋白质链中，不是所有的氨基酸分子都具有同样重要的作用，起催化剂作用的只是其中的“活性点”的那一部分。因此，研究酶的活性点的结构是模拟生物酶的一个重要途径。

对生物固态酶的生物化学研究和化学模拟，是生物酶研究的一个例子。氮肥是植物生长发育必不可少的养料，氨是人工化学合成的氮肥。如果按每亩施用20公斤氨计算，我国的16亿亩耕地每年就需要3200万吨氨。而目前全世界氨的产量不过4000万吨，远远不能满足人类的需要。因此，寻找合成氨的简易方法，自然就成了举世瞩目的研究课题。

高等植物不能直接利用空气中的氮气作养料。但豆科植物根上的一种微生物——根瘤菌，则可以通过体内固态酶的作用，从空气中提取氮，从水中取出氢，并将二者合成氨，当然这是在常温、常压下以极高的速率进行的。目前，在石油工业、化学反应工业的生产过程中都广泛采用催化剂。

催化剂能够使一些化学反应的速度加快，而它们本身在化学反应结束后却没有什么损耗，也不发生化学变化，这种能使化学反应加快的本领是催化剂的一个特点，称为“活性”。催化剂的活性越高，被它催化的化学反应速度就越快。催化剂的活性是个很复杂的问题，许多原因现在还不是很清楚。目前比较普遍的看法是，在有催化剂的化学反应中，当参加反应的不同分子在互相进行化学反应之前，催化剂就先和反应分子接触，通过一些特殊的物理和化学作用，使这些反应分子的化学结构发生了有利于化学变化的反应。因此，催化剂也是积极参加反应的，但是在反应之后还能从反应中解脱出来，仍然保持原来的性质。例如，在室温条件下，把氢气和氧气按2∶1的比例放入玻璃瓶内密封，即使经过很长时间，也只有少量的氢气和氧气发生反应生成水。但是，如果在瓶内加入少量的白金粉末，绝大部分的氢气和氧气几乎立即化合成水，而白金粉末的数量和质量都没有发生改变。催化剂的第二个特点是对所催化的化学反应方向有选择性，使化学反应沿着某一方向进行。