透视2010诺贝尔化学奖

　　"以钯为催化剂，以实现碳碳键偶联的化学反应是一项创举。“事情就这样发生了。我没有计划这么做，也没有要求这么做。如此而已。”"

　　赫伯特·布朗(Herbert  Brown)1938年从美国芝加哥大学博士毕业的时候，没能找到工作。但他称这件事“也许是幸运的”。他随后在一名教授的帮助下找了个博士后的职位，开始了持续一生的化学研究工作。1979年，他的研究得到了至高的荣誉：与格奥尔格·维蒂希(Georg  Wittig)因将含硼和磷的化合物用于有机合成而分享当年的诺贝尔化学奖。

　　布朗在2004年因心脏病去世，但他当年没有找到工作带来的“影响”还在延续。曾经先后在美国普渡大学师从布朗的两名日籍化学家——根岸英一和铃木章——因在有机合成方面的工作而获得了今年的诺贝尔化学奖。

　　同时分享这一奖项的还有美国化学家理查德·赫克(Richard  Heck)。他们的贡献在于发展出了有机合成中的钯催化交叉偶联。

　　已经退休、在菲律宾安享晚年的赫克得奖后说，他没有想过自己会得诺贝尔奖。而根岸英一则表示得奖并不特别意外，从布朗到他和师兄铃木章，之间“存在一个链条”。

　　单枪匹马

　　在有机化学中，最主要的反应就是碳原子之间的化学键的形成和消失。碳原子的不同组合能够形成结构非常复杂、性质各不相同的分子。

　　人们早就在自然界中发现，有一些生物能够制造出非常复杂的大分子物质，这些物质有时会有剧毒，是生物进行自我保护的武器。这些物质同时也有可能为人所用，开发出抗生素、抗病毒或是消炎药。

　　但是自然形成的这些物质太过稀少，如何在实验室中人工合成这些大分子物质，是有机化学家们考虑的问题。通常情况下，由于碳原子很稳定，涉及两个碳原子之间的化学反应条件要求便会很苛刻，比如需要高温和高压。

　　以前化学家使用化学活性物质来促使原子之间发生反应，这种方法弊端是，碳也会跟其他原子发生反应，从而生成不需要的副产物。而且由于制造某些大分子时需要经过很多步，每一步都会产生副产物，那么到了后面几乎就没有人们需要的物质了。

　　1950年代，德国的一家化学公司开始使用过渡金属来帮助生产有机分子。现在看来，过渡金属的使用在20世纪下半叶的有机分子生产中产生了非常重要的作用。而当时赫克正供职于美国一家化学公司。德国公司使用金属钯将乙烯转化为乙醛的做法引起了赫克的巨大兴趣，他开始研究将钯作为催化剂来使用。

　　赫克1931年出生于美国马萨诸塞州，在加州大学洛杉矶分校获得博士学位，后到瑞士进行了博士后工作。1960年代，他任职于美国这家化学公司的时候，认真研究了以钯为催化剂，让卤代芳烃和乙烯基的衍生物发生反应，从而实现碳碳键的偶联。

　　他先后写了一系列的论文介绍自己的研究成果，发表在《美国化学会会刊》上。引人注意的是，他是单枪匹马进行这些研究的，每篇论文的作者都只有他一个人。

　　对此，他在获得诺贝尔奖后说：“事情就这样发生了。我没有计划这么做，也没有要求这么做。如此而已。”

　　赫克的这些工作让德拉华大学相中了他，1970年代聘任他到该校化学与生化系任教。赫克在那里担任化学教授直到1989年退休。

　　交叉偶联

　　在金属钯的作用下，碳原子相连实现了，并且反应条件不像以前那么苛刻，反应速度也更快。

　　具体来说，钯催化的交叉偶联反应可以分为三步。首先，金属钯作为一种过渡金属(其电子结构特别容易接受电子)，与碳原子连接上，形成金属钯的配合物。然后，钯和另外一个有机分子，通过同样机理，也形成配合物。至此，一个钯上连接了两个来自不同分子上的碳原子，这样就为两个碳之间相连提供了机会。第三步，将钯从两个碳中间撤出来，两个分子就连接在一起了。催化反应就完成了。

　　日本化学家根岸英一和铃木章在赫克之后进一步探索了钯催化交叉偶联，他们改变温度、酸碱性、溶剂等反应条件，成功做出了其他化合物中的碳原子的连接。三人均获得了以他们名字命名的反应。

　　在部分依靠“铃木反应”的情况下，科学家1994年在实验室中合成了海葵毒素。海葵毒素的分子由129个碳原子、223个氢原子、3个氮原子和54个氧原子组成，它最初于1971年在夏威夷的珊瑚中被提取得到，乃是化学世界中的庞然大物。

　　根岸英一1935年出生于中国长春，1963年从美国宾夕法尼亚大学获得博士学位。1966年开始在美国普渡大学进行博士后研究，他在那里遇到了赫伯特·布朗。他研究生涯中的大部分时间都在普渡大学度过。

　　铃木章比根岸英一早去普渡大学几年。他1930年出生于北海道，在北海道大学获得博士学位。他曾与布朗一道工作，但在普渡大学期间并未与根岸英一有过交集。根岸英一说只是在后来，他们才变得越来越亲近。

　　今天，钯催化交叉偶联被科学家当作寻找新药的重要工具。比如diazonamide  A原本是来自海洋的自然产物，其分子结构非常复杂，但在药用方面颇具潜力。化学家现在已经能够在实验室中借助于钯催化人工合成这种分子。也有实验表明这种物质具有抗结肠癌的作用。在另外一些案例当中，钯催化被用于提高自然药用物的效力。

　　工业界研发更薄的电脑显示器甚至也用到了钯催化，它帮助OLED显示器获得更好的蓝色光源。诺贝尔基金会说：“尽管理查德·赫克首次在德拉华的实验室里做实验到今天已经有四十多年了，钯催化交叉偶联仍然处在发展之中。”

　　有趣的是，今年的诺贝尔物理奖和化学奖都与碳原子有关，而就在今年春天，科学家刚刚成功实现了将钯原子附着在石墨烯上，由此造出来的物质被用于在水中进行“铃木反应”。 (责任编辑：glia)

搜索

热门标签:

透视2010诺贝尔化学奖