诺奖得主登浦江科学大师讲坛 分享“催化”人生

“一个疯狂的想法，是革命性发现的必要条件。”第十六期“浦江科学大师讲坛”近日在复旦大学相辉堂举行。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（Benjamin List）以“催化美丽世界：给下一代的三个信息”为题，与上海市高校及中学师生代表面对面畅谈，聚焦有机催化前沿方向。

2021年，他与美国科学家戴维·麦克米伦（David MacMillan）因开发“不对称有机催化”同获诺贝尔化学奖。这一概念的意义在于，它让化学家能够用非金属催化剂更精准地构建分子。传统的不对称催化主要依赖金属催化剂或酶，而有机催化提供了一种全新的选择，能够引导反应优先生成所需的手性分子，不仅让不对称合成更容易，也让化学更加环保。

“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。”利斯特在演讲中给出的答案，正是他讲座标题中所说的“三个信息”：追寻热爱、尝试不同、目标远大。

他对化学的热爱始于青少年时期。那时的利斯特相信，既然世界包括人体都是由分子、原子组成的，那么化学家或许能够了解关于这个世界的一切。当时中学还没有开设化学课，充满好奇心的他决定自己动手，13岁时，他在朋友家的地下室里建起了化学实验室，他和朋友以“制作洗涤剂”的名义从药店买来材料，实际制作的却是火药。一次不小心失火，药店药剂师看到楼里冒出的烟雾，此后拒绝再卖给他们任何材料。后来他了解到，“有机化学之父”尤斯图斯·冯·李比希（Justus von Liebig）在做学徒时也发生过类似的事情。与前人相似的经历，以及对化学的强烈兴趣，让这次失败的体验并没有改变利斯特想成为化学家的愿望。

在攻读化学博士学位期间，他研究的是维生素B12合成。他坦言，那三年的研究非常艰难，维生素B12是一种非常复杂的小分子，合成难度很大，三年间他每天夜以继日地研究。“如果不是因为我‘追寻热爱’，我很难坚持下去。”

后来，他把研究领域定在了催化。“我认为催化是所有科学中最为迷人的一部分，从原理上说，一个催化剂分子可以反复参与反应，促使成千上万个产物分子的生成，这正是催化的魔法所在。”

在利斯特看来，催化不仅有“魔法”，更是推动人类现代社会发展的重要技术之一。“地球的未来很大程度上取决于催化剂。”他举例说，在能源领域，通过三元催化（Three-Way Catalysis），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（Haber-Bosch Process）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（Ziegler-Natta Catalyst）推动了塑料、橡胶制品的生产。

催化一直被认为是很重要的技术。自1900年以来，有9个诺贝尔化学奖都颁给了与金属催化有关的技术。但当时的人们都认为，催化剂要么是酶，要么就是金属。

“你必须做出一些不同的事情，与别人不一样的事。”让利斯特在五年前获得诺奖的科研之路，正是从“尝试不同”开始的。

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。他发现了一个颠覆认知的事实：一种酶催化羟醛缩合反应，活性位点里没有金属，只有一个氨基和一个酸性基团。“而一百多年来，化学界都认为催化剂需要金属。”利斯特看见了新的可能，决定尝试用氨基酸。他找到了脯氨酸，一种人体自身就能合成、无毒、存在于所有植物中的简单分子，它不仅能催化羟醛反应，而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。2021年，他因“不对称有机催化”站在了瑞典斯德哥尔摩的领奖台上。

但利斯特并不认为这是终点。他表示，这份荣誉“为时过早”，因为他真正想完成的，是找到一种普适性的催化剂，解决所有化学问题。这条路远比想象中艰难。例如，一个环化反应可能产生多种立体异构体，天然酶却能精准地只产生其中一种。“作为化学家必须足够谦虚。我们能做的，跟自然界相比，还是沧海一粟。”

如今，他的团队交出了新的答卷：限域催化剂。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。在一个羟醛缩合反应中，1公斤催化剂就能生产388吨产物，用量之低几乎媲美天然酶。它的强酸性催化能力，能够活化纯脂肪族烷烃，实现传统催化剂难以完成的裂解反应。在香料领域，曾被香料商以330万美元天价收购的龙涎香，而如今，借助限域催化剂，研究人员有望以更低的成本、更清洁的方式合成具有相同香气特征的分子，有望改变整个香氛产业。

“大家要有高远的目标，做一些真正有挑战的事情。”在演讲的最后，本·利斯特将目光投向了宏大的命题。

他的团队正在做的研究之一，就是人工光合作用。在大自然的光合作用中，二氧化碳和水被转化为碳水化合物，同时释放氧气。他强调，光合作用不仅对地球的碳循环极其重要，也制造生命所需的食物和氧气。人类能否模仿自然，创造“人工光合作用”？这正是利斯特团队正在探索的方向。

利斯特最初的想法很务实：设计一种化学反应，吸收光能，将水和二氧化碳转化为合成气，即一氧化碳和氢气的混合物，再通过费托合成（Fischer–Tropsch process）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。

然而问题很快显现：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。“气候变化是一个千兆吨规模的问题。即使通过这种途径生产全球所有的燃料，也无法阻止气候变化。我们必须更加努力。”

于是，一个更大胆的想法诞生了：提取二氧化碳，用光和催化剂将其直接分解为氧气和石墨。利斯特承认，这听起来像个疯狂的想法，“这个想法很简单，也很天真，高中生都能想出这样的点子。但如果它能奏效，真的会改变世界。”

这个想法可行吗？在看似“疯狂”的背后，利斯特算了一笔账：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。“我承认，这是一个高得离谱的数字。”但他给出一个关键的对比：植物光合作用每摩尔需要124千卡，比这个转化还多25%。换句话说，这个设想虽然疯狂，但并非不可能。“如果我们把它做到千兆吨的规模，我们也许可以阻止气候变化。”

“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。“我们将解决人类面临的三个紧迫的问题：可持续的化工产业、能源供给、气候变化。”

问答环节中，有听众问：“疯狂的想法”往往脱离课本上的循规蹈矩，失败概率很高，要如何坚持？利斯特回答说，首先还是要从书本出发，多听取师长教导，然后到某一个时间点开始独立思考，可能产生一些看似“疯狂”的想法。这时要顶住压力，努力实践。

现场有同学提到自己对课题方向比较迷茫，他则以自己读博时的感受作答：“做科研就是要去前人未踏足的地方，独自进入‘黑暗森林’。首先你对化学得是热爱的，这样做科研的奖励很大，就能坚持下去。”但他也提醒不要盲目：先给自己两年时间努力做，如果两年后依然进展不大，就该与导师聊聊换一个方向。

利斯特年轻时也曾感到不安和迷茫，但他坚信：“你一定能够实现你想实现的目标，生活一定会给予我们所需要的、我们值得的东西。”他说，年轻时的自己肯定无法预想未来能得诺贝尔奖，但也不会排斥这种可能性。

“我对人工智能是否能创造真正‘新’的东西保持观望态度。”被问及人工智能在科学发现中扮演的角色时，利斯特说，人工智能依赖海量人类提供的数据。他坦言，自己平时也会使用大语言模型，但这些模型只是根据下一个词出现的可能性来生成回答，给出的并不是新东西，而科学需要的是新东西。“就目前而言，只靠人工智能不可能让你拿诺贝尔奖，而且对于依赖人工智能的诱惑，一定要小心。”

谈到在多国开展科研的经历，利斯特表示，科学研究不是靠单个国家就能完成的，需要跨国协作。他非常喜欢国际化的团队，“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。”

编辑: 戴晶磊

通讯员: 李怡洁，计张玥，刘雨涵

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