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未來幾年的重要化學發現

瑞典皇家科學院10月5日宣布,將2005年諾貝爾化學獎授予三位有機化學家--法國學者伊夫-肖萬(Yves Chauvin)和美國學者理查德-施羅克(Richard R. Schroch)和羅伯特-格拉布斯(Robert H. Grubbs),以表彰他們在烯烴復分解反應研究方面做出的貢獻。烯烴復分解反應是有機化學中最重要、最有用的反應之壹,在當今世界的化學工業,特別是制藥和塑料工業中得到了廣泛的應用。

舒萬出生於1930年,從事有機物合成轉化研究已有30年,現任法國石油研究院(IFP)名譽院長。

施羅克 1945 年出生於美國印第安納州伯爾尼,1977 年畢業於美國加州大學河濱分校,1971 年獲得哈佛大學博士學位,並在英國劍橋大學從事了壹年的博士後研究。他自1975年起在麻省理工學院任教,1980年成為該校化學系教授,迄今已發表400多篇學術論文。

格拉布1942年出生於美國肯塔基州卡爾弗特市,1965年獲佛羅裏達大學化學碩士學位,1968年獲哥倫比亞大學博士學位。1969 年至 1978 年,他先後擔任密歇根州立大學助理教授和副教授,1978 年起擔任加州理工學院化學教授。大學畢業後,格拉布在《美國國家科學院學報》和《美國化學學會學報》等著名期刊上發表了多篇論文。

用原子交換夥伴

碳(C12)是地球上生命的核心元素,存在於地球上的所有有機物中。碳通常存在於單體、化合物和晶體形式的 "富勒烯"(降壓球)中。碳原子可以通過不同的方式連接起來,形成小到幾個原子、大到數百萬個原子的分子。這種獨特的多樣性為生命奠定了基礎,也是有機化學這門與人類生活密切相關的學科的核心所在。

地球上的所有生命都是在這些碳化合物的基礎上形成的。原子之間的聯系稱為鍵,碳原子可以通過單鍵、雙鍵或三鍵與其他原子相連。碳原子可以形成長長的鍵條和鏈環,將氫和氧等原子纏繞並固定在壹起,形成雙原子化學分子,也稱為雙鍵。具有碳碳雙鍵的鏈狀有機分子稱為烯烴。在烯烴分子中,兩個碳原子就像雙人舞中的舞伴,在舞蹈中拉手。今年諾貝爾化學獎的三位獲獎者,之所以獲獎,就是因為他們想出了如何指揮烯烴分子交換 "舞伴",將分子成分重新組合成其他性能更好的物質。這種類比在英語中被稱為 "matathesis"。在消旋反應中,二原子分子可以在碳原子的作用下斷裂,從而改變原來原子團的位置。不過,只有在特殊化學催化劑的幫助下才能完成母題合成過程。這種換位合成法就是烯烴復分解反應,被諾貝爾化學獎評委會主席佩爾-阿爾貝格幽默地比喻為 "交換舞伴的舞蹈"。在宣布獲獎者的頒獎儀式上,主席親自走上講臺,邀請皇家科學院的兩位男教授和兩位女工作人員壹起在會場中央表演烯烴分解反應的含義。起初,兩位男士是壹對,兩位女士是壹對,隨著 "添加催化劑 "的喊聲,他們交叉換成了兩對男女搭檔。這種對 "有機合成中的分解法 "的生動詮釋引起了觀眾的陣陣笑聲。

化學反應有四種基本類型:化合反應、分解反應、置換反應和復分解反應。復分解反應是指兩種化合物交換成分,生成另外兩種化學物質的反應。分解 "壹詞的意思是 "置換"。在復分解反應中,在特殊催化劑的幫助下,碳原子形成的舊鍵不斷斷裂,新鍵不斷形成,各種元素被置換並重新組合,形成新的有機物。因此,可以把化合物分解反應看作是壹場交換舞伴的舞蹈。

化學鍵的斷裂和形成是化學研究領域最基本的問題,研究碳碳鍵的斷裂和形成規律是有機化學亟待解決的核心問題之壹,三位獲獎者在這壹最基本、最核心的方面做出了貢獻。

20世紀50年代,人們首次發現在金屬化合物的催化作用下,烯烴中的碳碳雙鍵會斷裂並重組形成新分子,這壹過程被命名為烯烴復分解反應。然而,當時沒有人知道這種金屬催化劑的分子結構和工作原理。為了破解這個對人類生活具有重大價值和用途的化學奧秘,人們提出了許多假說,但大多數假說都沒有得到世界化學界的認可。

1970年,法國學者伊夫-肖萬破譯了這壹人類 "有機化學之謎"。S年,肖萬和他的學生經過多年艱苦研究發表論文,闡明了絡合分解即換位反應的原理和反應所需的金屬絡合物催化劑,提出烯烴絡合分解反應的催化劑應該是金屬碳烯。Carbene是英文Carbon的音譯,是 "碳 "的音譯。肖萬的論文還詳細解釋了催化劑作為中間體幫助烯烴分子 "交換夥伴 "的過程。當時,這位有機化學大師開出了換位合成的 "藥方",為實際應用催化劑的開發奠定了理論基礎,指明了研究方向。

金屬碳烯是指壹類碳原子與金屬原子通過雙鍵相連的有機分子,可以看作是壹對牽手的舞伴。與烯烴分子相遇後,兩對舞伴會暫時結合,手拉手跳起四人舞。然後,它們 "交換舞伴",結合成兩個新分子,其中壹個是新的烯烴分子,另壹個是金屬原子和它的新舞伴。後者繼續尋找下壹個烯烴分子,並再次 "交換舞伴"。

這壹理論提出後,越來越多的化學家意識到,烯烴分解反應在有機合成中具有巨大潛力,但對催化劑的要求非常高,尋找和開發催化劑並非易事。哪些金屬元素是碳烯化合物的理想催化劑?對開發實用催化劑貢獻最大的是 2005 年的另外兩位諾貝爾化學獎得主。

1990 年,理查德-施羅克(Richard Schrock)成為世界上第壹位研制出可有效用於轉位合成的金屬化合物催化劑的科學家。2007 年,施羅克和他的合作者報告說,金屬鉬的碳烯化合物可用作非常有效的烯烴重組催化劑。這壹結果表明,烯烴復分解可以取代許多傳統的有機合成方法,並可用於合成新型有機分子。

1992 年,羅伯特-格拉布(Robert Grubb)發現,金屬釕的碳烯化合物在空氣中穩定,因此在現實生活中有多種應用,它也可以作為金屬化合物催化劑用於易位合成。之後,格拉布改進了釕催化劑,使這種 "格拉布催化劑 "成為化學工業中普遍使用的第壹種烯烴分解催化劑,並成為檢驗新催化劑性能的標準。

諾貝爾獎評委會在向這三位科學家頒發諾貝爾化學獎時說:烯烴復分解反應,即換位合成是 "研究碳原子之間的化學聯系是如何建立和分解的,是產生化學反應的關鍵方法。簡而言之,正是因為發現了有機合成復分解反應,闡明了碳原子之間的化學鍵是如何形成的,他們才獲得了 2005 年諾貝爾化學獎。

綠色化學的雛形

諾貝爾獎評委會表示,轉位合成的發現將為化學工業提供壹個千載難逢的機會,使其能夠制造出更多新型化學分子,比如更多新藥。只要我們想得到,就沒有制造不出的新化學分子。

公告還指出,獲獎者發現的復配方法已廣泛應用於化學工業,特別是生物制藥和生物化學領域,對最終攻克艾滋病等疾病大有幫助。據瑞典皇家科學院介紹:烯烴復分解反應是尋找治療人類重大疾病藥物的重要武器;獲獎者的發現為研制治療阿爾茨海默病、唐氏綜合癥、艾滋病和癌癥的藥物奠定了基礎。

烯烴絡合反應是非常有用的化學反應,在天然反應的純合成、高分子化學、肽和蛋白質的合成中有著廣泛的應用。基於獲獎者的發現,近年來學術界和工業界掀起了壹股烯烴復分解反應以及新型有機物設計與合成的研究熱潮。他們的研究成果在生產和生活領域有著廣泛的實際應用,為有機化學和高分子化學的發展做出了貢獻,每天都在造福人類。

諾貝爾化學獎評委會主席阿爾貝格稱贊化學獎的成果再次表明,科學理論只有與工業相結合,創造出改變人類生活、提高生活質量的發明創造,才能造福人類。化學獎的獲獎者為化學工業、制藥業、先進塑料材料的合成以及未來 "綠色醫學 "的發展帶來了革命性的變化。

"綠色高效 "概括了2005年諾貝爾化學獎的成就。化學工業中每天都在使用轉位合成,主要用於開發新藥和合成先進的塑料材料。在三位獲獎者的努力下,轉位合成的效率大大提高,反應步驟比以前簡化,不僅大大提高了化學生產的收率和效率,而且所需的資源大大減少,材料的浪費也大大減少,產生的主要副產品乙烯還可以再利用;使用更簡單,只需在常溫常壓下進行;可以更智能地清除潛在的有害廢物,從而大大減少對環境的汙染。有鑒於此,諾貝爾獎委員會稱贊說,轉位合成法向綠色化學邁出了重要壹步,大大減少了有害廢物造成的危害。瑞典皇家科學院稱贊道:這是造福人類、社會和環境的重要基礎科學的典範。

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