为了寻找天然催化剂他们竟然无所不为

2017-07-01 盟叔化学加

来源|化学数据联盟编辑|化学加

在美国十九世纪六十年代的威斯康星州，有一位叫做查理斯 · V. 强森（Charles V. Johnson）的年轻人正在修补自己的化学实验仪器时，不经意发现自己耳屎居然可以用作制造颜料的催化剂。

之后，他从威斯康星州大学的动物学专业毕业，有了之前用耳屎当催化剂的荒谬行为，这次他居然大胆的在有机合成实验当中再次使用耳屎取代钯催化剂。即使他成功制取得到二苯乙烯，但他的做法并未给教授留下什么深刻印象。

在2012年，当查理斯·V·强森面对采访回忆以前的往事时，他说当时的导师并未觉得使用耳屎作催化剂有什么值得深究的地方。毕业后，强森在西格玛·奥德里奇公司（Sigma-Aldrich）担任化学技术专员，一直到他退休。

貌似强森觉得使用耳屎作为催化剂这件事儿本身真的存在很多奥妙，并应该值得深入研究，于是他的职业生涯似乎和耳屎产生了情愫，有一次他使用耳屎作为催化剂对丙烯酸甲酯基材料进行了聚合实验。

强森经常思忖着耳屎里面到底是哪些物质具有活性，但是他无法利用分析实验找到其中的奥妙。据说，耳屎的催化效果主要是因为其中含有氨基酸或者蛋白质。比如说像脯氨酸这种蛋白质就是一种比较常见的有机催化物。

酶也是一种催化蛋白，自从文明时期以来，人们就开始使用酶的催化作用，而直到近现代，人们才知道酶的具体性质并广泛的应用于食品和饮料制造行业。

像强森这样的化学家不在少数。他们有时候会凭借自己的感觉信手捏来遇见的物质进行试验。大自然为我们提供了实验所需的一切，当我们想改进化学反应的时候，无论是让化学实验变得更加绿色环保还是让实验更加稳定，向大自然寻求帮助肯定没错。科学家们也正在寻找更加天然的，不需要深度处理的实验成分。

对于现代化实验而言，耳屎真的无法满足需求。但是还有其他大量可用的且便宜的天然物质，比如说从猪肾脏或者千足虫胃中提取的酶，植物隔离产生的金属，直接从地下开采的矿物，或者从高速路的砂砾中回收的金属。

今天我将带大家细数一下那些可以从动物、蔬菜以及矿物质中提取的到的“天然催化剂“。

动物：从爬行生物中提取的生物酶

使用酵母产生的酶，要追溯到几千年以前，那时候人们就已经尝试使用酵母进行面包和奶酪的制作，以及啤酒和葡萄酒的酿造。

19世纪出现了第一个商业用酶制备技术，酶的使用方式包括在奶酪的生产制造过程中使用风干牛肚，或者在洗衣房的衣物清洁剂中使用动物胰腺的提取物。如今，餐饮加工、动物饲料和洗涤剂的制造占据酶市场的60%以上。

在十九世纪七十年代，近代生物技术的发展让传统的利用动植物资源的酶制备技术出现了转折点。现在，利用转基因微生物技术制备的酶不仅价格低廉，纯净度高，而且工业化学生产的效率也变得比以前更高。

丨如何使用蚯蚓制取催化剂丨

图片来源：重庆西南大学，何延红教授《分子生物学杂志》

1. 抓一群蚯蚓
2. 使用搅拌器将其打碎成浆
3. 使用离心机将布丁状的混合液分离并收集悬浮液
4. 将液体风干并将其研磨成粉末
5. 在有机合成实验当中使用即可

有没有化学家可以想得出可持续性更好的酶呢？答案是肯定的。来自中国重庆西南大学的何延红教授及其团队使用蚯蚓研发出这种纯天然的催化剂，可以说是一种可持续生成的催化剂。

蚯蚓依靠他们肠道中的细菌获取氧气。蚯蚓的生存条件要求比较低，只要任何一个有堆肥土堆的地方就可以找到他们，他们仅需要垃圾和作物废弃物就可以维持生存。

蔬菜：收货了大量的金属

不少研究人员已经检测过了金属的生命周期——从这些元素是如何从土中提取到他们如何回收和处理——科研人员甚至开始想到一种使用无需从矿藏中开采即可使用的金属。

当全球矿石质量水平不断下滑时，科研人员产生了这种主意。有的经济学家估测出人类现在开采出的商业用途的矿产资源已经远远超出地球本身所蕴含的资源。

一组来自昆士兰大学和洛林大学的有生态学家和矿物学家组成的研究小组却并不认为矿产资源的减少值得悲观。他们发反而觉得这是一个机遇。他们倡导一种叫做植物提取（phytoextraction）的方法可以获取金属资源（《环境科学技术杂志》DOI: 10.1021/es506031u）。

植物提取，也可称作植物修复（phytoremediation）或者农业矿产（agromining），它利用了“超富集植物”所具有的从泥土或水中选择性的富集高浓度的金属能力。人们已经在很久之前使用这种方法来清除废弃工业和矿场当中的砷或者镉等有毒重金属，并防止这些金属进一步毒害生态环境。

丨如何使用植物提取物获得催化剂丨

图片来源：昆士兰大学，Antony van der Ent教授

1. 收割一些作物，比如生长在阿尔巴尼亚的香雪球
2. 把作物烧成灰，获取含有金属微粒的炭化料
3.使用电磁分离来提取金属颗粒物
4. 在工业化学过程中使用这些干粉即可

科研团队的Antony van der Ent教授解释说，种植在同一地区的农作物被收割之后，经过晾干并将其烧成生物量以减少作物的占地面积，然后将其埋入农田当中。但是植物还可以当作一种高级“生物矿物”原料使用，经过提纯后可以回收其中的纯净金属物质。

当你考虑这种处理方式的时候，比如农业矿物挖掘，我们可以从富含矿物质的土壤中提取金属。除了可以提供金属资源之外，农业矿物还可以有助于当地人发现如何使用不利于庄田生长的贫瘠土壤条件。

化学家们已经使用收割的金属作为催化剂。

矿物：回收、再利用和还原

根据生命起源理论记载，地球上矿物质也许在很久以前已经作为第一种生物化学的催化剂使用。裸露的金属矿石或者矿物质，比如说沸石（zeolites）和粘土可以有助于简单的分子聚合，从而形成生物化学构造模块——比如说氨基酸、核酸碱基和糖。

当今的化学家们仍旧依赖于沸石的催化能力，这种沸石就是一些与各种金属混合在一起的多孔水合硅酸铝盐。比如说Y沸石就是一种天然矿物质，可以用于催化裂解将原有转化成有用途的化学物质。

丨如何使用红土制作催化剂丨

图片来源：优思达生物能源中心)

1. 从铝土矿中提取的金属铝中收集铁矿渣
2. 从当地的松圆柏森林中采集一些木头、树皮、松针和树叶
3. 在流化床反应器的底部放入生物质，上面放入热处理的红泥浆
4. 催化热解这些木材形成生物原油
5. 使用传统的加氢处理升级油品，制成汽油类的燃油（在草坪修剪器里面测试一下先）

寻找可替代的绿色可持续性催化剂一直是整个化学界的灵感来源，新的绿色催化剂可以提升我们所能够界定的一切关于可持续性发展话题。无论是从金属的开采还是解决对于酶的依赖问题，催化剂在降低全球对珍贵资源的消耗方面扮演着重要角色。寻找一种可以从大自然赠予的可利用的催化剂，显然是我们所面对的重要挑战，同时也是我们需要解决的问题。