清洁地球的神奇小分子(2)

　　几十年来，化学家们一直在努力工作，以制造出一些能够模仿这些巨大酶分子的合成小分子。如果科学家能够制造出一些具有强大催化能力的强效分子，那么它们就能取代氯基和金属基工艺技术，避免产生如此多的污染物。然而，在20世纪80年代初，没有任何人有那么好的运气，能研制出这些酶的试管版本。经过数十亿年的进化，自然界已编排出一些无比精美和极其复杂的催化舞蹈，使得我们在实验室中的努力看起来毫无价值。可是我们知道，除非我们设法模仿出这种分子舞蹈，否则将无法实现我们减少污染的目标。

　　无论是天然的还是人造的，催化剂都扮演着老式媒人的角色

　　催化转换器

　　创造合成酶还意味着要装配一些分子，这些分子要足够结实，以承受住一些它们所催化的摧毁性反应。任何与氧有关的化学反应都具有摧毁作用，因为氧化反应过程中所释放出的元素氧或分子氧，都具有高度活性(反应性)。而且由于每一个过氧化氢(H2O2)分子都处在水(H20)和分子氢(O2)之间的中间状态，因此这种化合物也具有高度活性(反应性)。在水中，过氧化氢经常会产生一种“液态火”(Liquid  fire)，这种“液态火”会破坏它周围的有机物(含碳化合物)分子。根据这些酶的组成情况，一种有效的催化剂，在其有机基团分子矩阵内部可能需要有一个铁原子。因此我们必须使这类基团的分子体系结构变得坚韧结实，以确保它们能够经受住“液态火”，这种“液态火”可能是由过氧化氢的活化作用引起的。

　　进一步借用自然界的设计，我们最终制造出一种催化剂，解决了这个问题。在这种催化剂中，4个氮原子被分别放置于四方形的四个角上，一个铁原子锚定于四方形的中间。这四个氮原子通过共价键与大得多的铁原子连接在一起，这意味着它们共享一些电子对。在这种结构中，这个中心金属原子周围的较小原子和附着的基团被称为配位体。然后我们将这些配位体连接起来，形成一个称之为大环的大外环。后来我们学会了使这些配位体和连接系统变得极其坚韧结实，足以经受住这些TAML所触发的激烈反应。实际上，我们所研制的这些配位体逐渐变为一种阻挡这种“液态火”的防火墙。阻挡得越久，这种催化剂就越有用。当然，我们并不想去制造一种固若金汤、牢不可破的催化剂，如果这种催化剂最后仍以污水排放物的形式存在，那么或许它自身就变成了一个污染问题。我们现有的所有Fe-TAML催化剂(以铁作为中心金属原子的TAML)都能在几分钟到几个小时之内就分解掉。

　　制造配位体防火墙并不容易，它需要研制出一种煞费苦心的四步设计方法。在这种方法中，首先我们凭想象合成出一些配位体结构，我们希望这些结构能使防火墙保持在固定位置上。第二步，我们让这种催化剂经受氧化反应处理，直到防火墙崩塌为止。第三步，找出崩塌开始的准确地点。(我们发现配位体降解总是始于最薄弱之处。)而在最后一步中，一旦我们已找准其最薄弱的键位，就马上用我们认为能坚持更长时间的原子团来取代该键。

　　经过1  5年后，我们终于制造出第一种有效的TAML。我们是在某个早上取得成功的。当时我们研究所的一位研究教授科林•霍维茨(ColinHorwitz)向大家夸耀一个漂白实验的结果，这个实验当时属于我们最先进的设计。我们检查了这些结果，发现情况是这样的：每次霍维茨将黑色染料注入含有TAML催化剂和过氧化氢的溶液中时，该溶液迅速变成无色溶液。现在我们知道我们的防火墙最终将坚持很长时间，足以让TAML完成其工作任务。这些分子将像酶那样工作，可是它们却要小很多：TAML的分子量大约为500道尔顿(1道尔顿相当于碳12质量的1/12，碳12是地球上最丰富的碳同位素)，而世界上相对来说最小的酶——辣根过氧化物酶，其分子量约为4万道尔顿。因为它们如此之小，所以相比它们的天然对应物来说，TAML活化剂制造起来也就更容易、更便宜，并且它们反应作用的适用范围要大得多。

　　从那时起，通过再次应用相同的四步设计方法，我们已经制造出20多种TAML活化剂，这种设计方法使他们能够制造出第一个有效模型。每一种TAML都有自己的反应速度和使用寿命，使我们制造出的催化剂，能够与要它们执行的任务相匹配。大多数这样的催化剂都加入了一些元素，例如碳、氢、氧、氮和铁，这全都是因为这些元素的低毒性而加以选用的。我们将一些这样的分子称之为“  猎手T  A  M  L  ”  ，  因为它们被专门设计来寻找和锁定一些特定的污染物或病原体，其情况与一种磁性鱼雷寻找一艘舰船的金属船壳的方式大致相同。另一些TAML则充当喷灯的角色，主动地烧毁与它们接触的大多数可氧化的化学物质。还有一些TAML具有较少的攻击性却更具选择性，例如它们将只攻击分子的某些部位或仅攻击基团内更易于氧化的分子。我们预计在未来的几十年里将利用TAML来推动绿色化学的进一步发展。虽然必须进行更多的毒性试验，但是迄今为止所获得的结果表明，TAML将污染物分为一些无毒的组分，不留下任何污染的痕迹。目前我们拥有90多种TAML活化剂的国际专利，更多的专利还在申请中，并且我们还拥有一些商用许可证。

　　有趣的是，我们仍然不知道关于TAML工作原理的细节，但是最近的研究让我们对其关键性反应有了较深入的了解。在其固态形式下，Fe-TAML通常有一个作为配位体附着在铁原子上的水分子，其方位与四个氮原子配位体垂直；当将它们放入溶液中时，另一个水分子便与铁原子的对边连接起来。这些水配位体的连接极为松散——如果过氧化氢也在该溶液中，则它的一个分子便会轻而易举地取代一个这样的水分子。这种过氧化氢配位体迅速进行自我复制，排除其氢原子和一个氧原子(作为一个水分子H2O被排除)，并且留下一个氧原子，附着处于Fe-TAML中心的铁原子上，目前它被称之为活性中间体(RI)。

　　氧较之铁所带的负电荷要多得多，这就意味着氧原子核将该配位键中的大多数电子拉向自己身边，而让它们远离铁原子核。这一作用增加了位于TAML中心的铁原子的正电荷，使得RI极具活性，足以捕获溶液中可氧化分子的电子。迄今为止，我们还未确定RI破坏其目标物的化学键的作用原理，但是目前的研究工作不久就可能找到这个答案。然而，我们的确知道，我们能够通过改变TAML分子头、尾的原子来调节它的强度：将具有强负电性的元素置于那些位置，使更多的负电荷远离铁原子，让RI更具攻击性。 (责任编辑：泉水)

搜索

热门标签:

清洁地球的神奇小分子(2)