碳氢化合物来源于石油、天然气或煤，它在许多方面是现代生活所必需的。全球的碳氢化合物主要用作燃料、发电和供热。化学工业、石化工业、塑料和橡胶工业也都依赖碳氢化合物作为原材料来生产其产品。确实，绝大多数化工行业的重要合成化学品都是源于石油产品。今天，世界上每天石油的使用总量已经超过1000万吨。很显然，不断增长的世界人口和能源消耗，与有限的不可再生的石油资源处于一个不断冲突的过程中，而且后者还将日益减少。

认识到在碳氢化合物化学领域需要广泛的基础研究和研究生教育，南加利福尼亚大学于1977年成立了“洛克碳氢化合物研究所”。多纳德 · 洛克和凯瑟琳 · 洛克夫妇的慷慨捐款以及其他朋友和支持者的馈赠，帮助建立和制定了一支杰出的研究队伍及研究计划。

碳氢化学

碳氢化合物——石油和天然气的主要成分，必须经过化学转变生成有用的产品和材料。这些转变由化学和石化工业经诸如异构化、烷基同系化等过程实现。而这些过程通常由酸催化并涉及到称作碳正离子的缺电子中间体。洛克研究所已经率先发明了新的方法来研究这些过程和机理。研究也旨在发现化石燃料的更有效使用，包括回收二氧化碳（一种温室气体）成为有用的物质。研究者还致力于发展新的合成方法学来建立和破坏化学键。简单碳氢化合物经过化学键的形成和断裂过程形成高聚物，而高聚物是制造具有特殊电、光、磁性能的新材料的基础。这些材料广泛应用于信息技术、光化学能量转换和生物医学器件。

碳氢化合物及其化学

在研究碳氢化合物和它们的转换中，形形色色的称作超酸的强酸系统得到了发展。当高价路易斯酸氟化物诸如五氟化锑和五氟化钽与布朗斯台德酸（质子酸）、如氢氟酸或氟磺酸混和时可以产生强度超过硫酸数千万倍的超酸。在这样的超酸介质中，碳正离子的寿命可足够长到用化学和物理方法包括核磁共振光谱来检测。

图为译者与乔治A · 奥拉哈在美国的合影

碳氢化合物在酸催化下的转化诸如裂解、异构化、烷基化、低聚-和高聚-缩合都具有相当的重要性。这些碳氢转化的基本化学都涉及到碳正离子及其反应。新型的环境无害酸性体系包括正在开发的固体酸，以克服有毒的氢氟酸或硫酸所带来的危害。饱和碳氢化合物的异构化和烷基化可提供高辛烷值的汽油，这在石油工业上具有极其重要的意义。洛克研究所已经发展了一种与环境友好和实用的烷基化工艺来生产高辛烷值汽油，这一工艺采用了一种改进的氟化氢催化剂系统，极大地降低了挥发性和毒害性。而且，超酸催化剂的使用允许用新的方法对煤碳、页岩油、焦油沙和其他重油来源和残余进行加氢处理，进而生成液体碳氢物。新的环境无害的汽油和柴油添加剂也得到发展，产生了更高辛烷值的汽油和更高辛烷值的柴油。这些添加剂也导致了更干净的燃料，并开辟了废除目前所用有毒添加剂的途径。

甲烷或二氧化碳到碳氢化合物的转化

甲烷（例如天然气）可直接转化为更高分子量的碳氢化合物和衍生物，这为费-托化学（使用合成煤气，即一氧化碳和氢气）提供了切实可行的替代方法。一直到现在，甲烷作为化学砌块的用处只局限于自由基反应（燃烧、硝化、氯化等）。虽然多种多样的化学计量的在机金属插入反应被发现，但到目前为止它们还不具有实用价值。洛克研究所发展的超酸催化剂允许甲烷氧化缩合为高分子碳氢化合物，而且还允许甲烷选择性亲电转化为单取代衍生物，例如甲基卤化物或甲基醇。单取代甲烷可以在沸石或双功能的酸-碱催化剂帮助下进一步缩合为乙烯、丙烯和衍生的碳氢化合物，从而产生我们日常生活所必需的所有碳氢化合物。

一个为洛克研究所追寻的富于创新意义的新途径是从二氧化碳和水经过甲醇产生碳来反转这一过程。用氢气（通过电分解水获得）来转化二氧化碳的一些化学基础已经知道，而洛克研究所致力研究的金属或超酸催化的还原在导致二氧化碳转化为甲醇的可行性中取得了巨大的进展。然而，产生氢气所需的电能成本太高，这一直是阻碍实际应用的关键。由于我们仍然不能有效地储存电能，作为一种储能方式，发电厂在非高峰时期就能生产氢气，然后氢气就能用来回收二氧化碳（来自烟囱的排放或其他高浓度来源，最终甚至是大气），将其转化为甲基醇和衍生的燃料。现在处于发展中的二氧化碳回收技术不仅允许我们产生有用的燃料和碳氢产品，同时有助于缓和二氧化碳引起的全球变暖。

甲基醇及其衍生燃料在一种新的直接氧化液体燃料池中也能产生电能，这种新型燃料池是由洛克研究所和Caltech-JPL联合开发的。当操作这种燃料池处于“反转状态”时，二氧化碳和水就能被电催化还原为甲基醇。尽管二氧化碳循环回收为碳氢化合物是一个高度耗能的过程，但有些应用，即与太阳能有关的应用并不会因为前者高能量输入的要求而受到过度的关注。

碳氢物短缺的最终解决方法是人类有一天能够从更安全的原子能（或者甚至是核聚变）和其他替代资源产生廉价的能量。有了丰富而廉价的能量，碳氢化合物就可以从大气中的二氧化碳和水中产生。然而，有一点是必需的，即这些解决办法要在我们现有技术基础的框架上具有可行性。

[Nobel e-Museum，2000年10月5日]

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* 本文作者乔治A·奥拉哈为1994年诺贝尔化学奖得者。