催化剂与催化作用—化学制药工艺学15
如果化学反应是一场旅行，那催化剂就是这场旅行的导游（反应选择性）和交通工具（反应速率）。
在化学反应体系中，能够改变化学反应速率（改变反应活化能）而本身在反应前后化学性质并无变化的物质，称为催化剂（Catalyst）。催化作用（catalysis）是指催化剂对反应施加的作用，具体地说是催化剂活性中心对反应物分子的激发与活化，使后者以很高的反应性能进行反应。
现代有机合成化学的核心之一是开发新型、高选择性的有机合成反应方法，而要达到这一目的就离不开催化。在药物合成中，80%-85% 的化学反应需要使用催化剂。
1 催化作用分类
(1) 均相催化：催化剂与反应物处于同相，通常是指可溶性催化剂在液相的催化作用。
(2) 非均相催化：催化剂与反应物处于异相，实际生产中更倾向用非均相催化。
格哈德·埃德尔因对分子层面机制的研究而闻名，他发展出一套固体表面化学，尤其是气固表面化学反应过程的研究方法。他在高真空条件下，用LEED（低能电子散射）研究氢原子在金属表面吸附。他的研究直接启发了人们对于催化反应的了解。他发展出来的方法学，广泛的影响了表面和非均相催化化学。2007年，他因为在该领域的研究成果获得诺贝尔化学奖。
(3) 生物催化：以酶为催化剂实现催化过程，具有专一性强、效率高和条件温和等特点。
2018年诺贝尔化学奖授予 Frances H.Arnold、George P.Smith、Sir Gregory P.Winter三人共同获得。2018年诺贝尔化学奖的一半奖金授予美国科学家Frances H Arnold，奖励她的工作实现了酶的定向进化。酶是一类能够催化化学反应的特殊蛋白质。通过定向进化制造的酶可用于生产包括生物燃料和药品在内的多种产品。
2 催化作用的基本特征
(1) 催化剂在催化反应过程中，物理性质可能发生改变，但化学性质不变
(2) 催化剂能够降低反应活化能，增大反应速率，但不改变化学平衡。催化作用按照催化反应机理可以分为氧化还原和酸碱催化。
(3) 催化剂具有特殊的反应选择性。一是不同类型的化学反应，各有其合适的催化剂。二是对于同样的反应体系，利用不同的催化剂可以获得不同的产物。如以乙醇为原料，使用不同的催化剂可以得到不同的产物。需要指出的是，这些反应都是热力学可行的，催化剂只是加速了其中一个反应，使其成为主要反应。
3 催化剂性能和影响因素
(1) 催化剂性能
①催化剂活性。催化剂对于化学反应的加速程度，称为催化剂活性。可用反应速率、转化率、活化能、转化数（turn over number TON）等表示。
A = 每小时产品质量 (Kg) / 催化剂质量
②催化剂选择性。催化剂对于复杂反应中某一产物的选择性。
③催化剂稳定性。催化剂的稳定性可以用催化剂寿命来表示。催化剂寿命一般可以用生产单位质量产品所消耗的催化剂质量或催化剂所能使用的时间来表示。
(2) 影响催化剂性能的因素
①温度
②助催化剂
在制备催化剂时，加入少量物质，其本身并没有催化活性（或者催化活性很低），但其可以有效的改善催化剂的活性、稳定性和选择性，称为助催化剂。如苯甲醛用铂催化剂氢化成苯甲醇时，加入微量的FeCl3可加速反应。
实例1
（ACS Catal. DOI: 10.1021/acscatal.8b02431）
在Pt@Al2O3表面负载一层SiO2，可以增加催化剂表面的Lewis酸性，从而更有利于醛基的氢化还原反应。
实例2
（ACS Catal. DOI: 10.1021/acscatal.9b04677）
向Pd@TiO2掺入少量的Zn可以有效提高催化剂吸附活化CO2，提高反应的转化率和选择性。
③载体
实例3（J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.7b04481）
如Nb2O5与Ru纳米粒子之间存在电子相互作用。由于Nb2O5强的Lewis酸性使Ru纳米粒子的电荷密度降低，从而抑制其进一步氢化呋喃环和胺自聚的过程，提高了呋喃醛还原胺化的选择性。
④催化剂中毒
根据催化剂与催化毒的结合方式，催化剂中毒可以分为可逆中毒（弱结合）、永久中毒（强结合）和选择性中毒（选择性结合）。选择性失活，可以提高催化剂选择性，因此在实际生产中常有应用。
实例4
实例5
醋酸铅处理的Pd/CaCO3，仅能部分氢化维生素A分子中的炔键，而不能氢化烯键。