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短短的一划,多彩的世界
——2010年化学诺贝尔奖评介
2011年01月30日    作者: 丁奎岭 陆熙炎    发布 : 化学科学部

《短短的一划,多彩的世界》,原文发表在科学,2010年第63卷第1期,p54-p56

瑞典皇家科学院2010106日宣布,将该年度诺贝尔化学奖授予美国科学家理查德·赫克(Richard F. Heck)、日本科学家根岸英一(Ei-ichi Negishi)和铃木章(Akira Suzuki)。这三位科学家因发展出有机合成中的钯催化的交叉偶联方法而获得此项殊荣。这些方法能够简单而有效地使稳定的碳原子方便地连结在一起,从而合成复杂的分子,同时也有效避免了大量无用副产品的产生。他们发明的方法,被广泛应用于制药、电子工业和先进材料等领域的科学研究与工业生产。

 何为偶联反应

人类在制造复杂有机功能分子如药物或有机材料时,往往需要通过化学反应将碳原子穿针引线,按照需要的结构和方式将其连接起来。但是碳原子本身非常惰性,不易发生化学反应。解决问题的一个思路是通过某些方法让碳原子的化学性质更加活泼而使其容易发生反应,从而实现碳原子之间的连接,完成从简单物质向复杂分子体系的构筑。因此键的形成一直是有机合成研究中最为重要的课题之一。虽然在纸面上画出“C—C”键只是短短的一划,但化学家要在试管、烧瓶乃至在工厂里从微观上实现并达到规模应用却并非易事。这是因为碳原子本身非常稳定,要实现原子的连接,通常需要在非常苛刻的条件使碳原子更加活泼。虽然在这样的条件下,一些简单的分子能被有效地合成出来,但对于复杂的有机物,原子的连接效率并不高,很多时候正是由于碳原子的过度活化使得不需要的副产品成为了主要产物。

早在一百多年前,人们就已想出了一些有机合成办法。法国科学家格里尼亚(V.Grignard)发明了一种试剂,称为格氏试剂。它利用镁原子强行给碳原子两个电子,使碳原子变得活跃。这是一项非常重要的成果,格里尼亚因此获得了1912年诺贝尔化学奖。但此方法在合成复杂分子体系时有很大的局限性,它使得碳原子过于活跃而导致反应行为难于控制,同时也会生成一些无用副产物。类似这样的合成过程,其效率和选择性显然不高。在倡导绿色制造低碳经济发展理念的环境下,当今社会对化学合成工业的要求也越来越高。研究出具有高催化活性、高选择性和高原子经济性的化学合成反应已成为绿色化学的重要原则。化学家需要不断地创造出更为有效的合成方法,从源头上来解决问题。赫克、根岸英一和铃木章三位科学家发展的钯催化的交叉偶联方法就从某种程度上解决了这个问题。在反应过程中,钯原子就像媒人一样,把不同的碳原子吸引到自己身边,使碳原子间的距离变得很近,从而更容易地结合在一起,这就是偶联。而钯原子本身在这个过程中没有被消耗或进入产品之中,只起催化剂的作用。

有机合成中的钯催化的交叉偶联方法已有了近40年的历史。1972年,赫克发现了卤代烃和烯烃在钯催化下的偶联反应,后被称为赫克反应。同年,日本的熊田诚(M.Kumada)(已故)首先发现了用镍为催化剂可以使卤代芳烃和镁的格氏试剂发生交叉偶联,被称为熊田反应,后来发现钯的催化效果更好。1976年根岸英一发现了卤代芳烃和铝、锌或锆试剂在钯催化下的交叉偶联反应,后来使用锌的反应称为根岸偶联反应1979年美国的斯蒂尔(J.Stille)(已故)发现了卤代烃和锡试剂的交叉偶联反应,被称为斯蒂尔反应。同年,铃木章又发现了卤代烃和硼试剂的交叉偶联反应,被称为铃木反应1988年,日本的桧山为次郎(T.Hiyama)又发现了卤代烃和硅试剂的反应等。目前发展的能够实现键催化交叉偶联的反应已有多种,构筑偶联的方法正在不断得到完善,并已成为有机合成中的一类关键技术和重要工具,极大地推动了制药和先进材料等领域的发展。20017月在日本京都举行了专题为交叉偶联反应三十年的讨论会,以回顾和彰显偶联反应在化学领域的贡献。毫无疑问,赫克、根岸英一和铃木章的研究成果更具原创性和影响力,大大提升了合成复杂化学物质的可能性,他们获得诺贝尔奖也是众望所归。 

三位科学家与上海交流密切

值得一提的是,在过去几十年中,这三位诺贝尔化学奖得主都曾访问过上海并进行学术交流。早在1980年,在上海有机化学研究所组织的中国有机化学界的首次大规模国际交流——“中日美三方金属有机化学会议上,赫克和铃木章就应邀在会上作邀请报告。此后,赫克接受并培养了上海有机所两名科研人员。铃木章也多次来上海访问进行学术交流,最近一次是在20064月。他同时还受聘担任上海有机化学研究所名誉教授。根岸英一与上海有机所交往更多,为有机所培养了多名研究人员,20107月,根岸教授应邀再次访问了上海。三位科学家与我国的密切交流与合作,对于我国金属有机催化领域的发展并走向国际舞台起到了很好的推动作用。

金属有机化学的巨大创造力

在现代合成化学中,有机合成化学扮演着举足轻重的角色,从衣食住行到航空航天,无一不包含着有机合成化学的贡献。目前已知结构的有机化合物已超过3000万种,反映出有机合成化学在创造新物质方面的强大生命力和无限创造力。尽管有机合成化学已经达到了空前的成熟水平,但在当今面临着诸如健康、粮食、资源、能源、材料、环境和气候等重大问题的情况下,有机合成化学的发展前景将更为广阔,并将继续在诸多领域发挥不可替代的作用。

更准确地说,钯催化的交叉偶联反应研究属于导向有机合成的金属有机化学Organometallic  Chemistry  Directed  Towards  Organic  Synthesis)。此次诺贝尔化学奖授予这一领域的科学家,再次证明了原创性基础研究的重大意义。这不仅是有机合成方法学的重大突破,且具有广泛的实际应用价值。金属有机化学是有机化学与无机化学之间的交叉前沿学科,主要研究金属键、金属键的形成、断裂与转化的规律。在诺贝尔化学奖百年历史上,有30多次都颁给了有机化学领域的科学家,其中有17位金属有机化学家获奖。进入21世纪以来,已有三次诺贝尔化学奖(2001年,2005年和2010年)颁发给了9位从事该领域研究的科学家,这在诺贝尔化学奖史上也是不多见的,也从一个侧面反映了这一领域在现今化学中的贡献和地位,彰显了有机合成化学特别是金属有机化学这一领域的巨大创造力和活力。

1950年代二茂铁的发现、齐格勒纳塔(Ziegler—Natta)催化剂的发明及其在聚烯烃工业上的成功应用,使得金属有机化学研究进入一个全新和快速发展时期[1963年齐格勒(K.Ziegler)与纳塔(G.Natta, 1973年费歇尔(E.O.Fischer)与威尔金森(G.Wilkinson)分别被授予诺贝尔化学奖]。到1980年代,导向有机合成的金属有机化学的概念被正式提出,这也从一个侧面反映出这一学科的活跃程度。自1981导向有机合成的金属有机化学国际会议在美国科罗拉多州的科林斯堡首次举办以来,已历经了总共30年和15届会议,现在会议规模已达到千人左右。2000年中国科学院上海有机化学研究所成功主办了19IUPAC金属有机化学国际会议,201116IUPAC导向有机合成的金属有机化学国际会议将在上海举行,这将是导向有机合成的金属有机化学发展历史上的一次盛会,也是此项会议首次在中国大陆举行。这反映了我国科学家在金属有机化学研究领域的可喜进步,以及在该领域国际地位和影响力的提升。

 

目标与方法并重、基础与应用结合

诺贝尔化学奖之所以颁发给钯催化的交叉偶联反应,因为目前这项技术已在全球的科研、医药开发与生产、发光材料和电子工业材料等领域得到广泛应用。没有此项催化技术,就不能为这些新领域的发展提供相应的物质基础。完全可以说,合成方法的进步,对于上述新兴领域的发展与进步起到了决定性的、不可替代的作用。因此在日常工作中,我们不仅要关注目标,而且要重视实现目标的方法。如研究材料的科学家不仅要考虑新材料的结构,同时也要考虑构筑和完成这一新型结构材料的方法。药物分子的设计、合成也是如此。较好的科研方案应该是目标与方法并重、基础与应用结合。

科学研究需要长期积累和探索

钯催化的交叉偶联反应的研究已经历了近40年的探索,包括用不同的过渡金属催化剂、不同的金属试剂和不同的反应原料来探索最佳的反应条件。同时,还要考虑如何产生最少的副反应和副产物,以达到环境友好的目的。也许有人要问为什么要那么长的时间呢?这是因为人类对客观事物规律的了解还不充分,只有通过实践,不断积累,才能逐步认识客观事物的规律。这个规律是不以人的意志而转移的,只有认识了这一规律,按照规律办事,才能取得成功。这也是科学研究的目的。同样,所谓创新,也只有在不违反事物变化的规律范围内才能实现。科学研究最重要的是认识事物变化的规律,为我所用,才能创新。科学研究是需要有一个长期探索和知识积累过程的。

具有一个高素质的基础研究人才群体是成功关键。近年来日本科学家连续获得诺贝尔化学奖,从中可以看出日本在化学领域有一个很强的研究群体,而不仅仅是一两个出类拔萃的科学家。这个群体的特点是在基础研究方面耐得住寂寞、沉得住气,往深里做。相比之下,目前我国在化学领域也涌现出了一些高水平的成果,但大多还是属于点上的突破,还未形成一种群体现象。另一方面,学术传承、积累、良好的体制环境和人才培养体系等也是成功的关键因素。虽然日本也经历了战争和战后复苏的过程,但在战后始终重视教育和科研,并一直坚持了六十余年,终于逐步形成了日本在科研领域原始创新的高地。有位科学家曾说过,如果没有青藏高原很难出珠穆朗玛峰,这是很有道理的。目前在我国的科研领域,个别异峰突起的情况并不少见,但缺乏一大批足以构成青藏高原的队伍。目前我国的教育体系正在逐步完善,研究队伍在逐渐扩大,经费也在稳定增长,是到了静下心来做一些事的时候了。关键是不能折腾,一定要耐得住寂寞、沉得住气,只要咬定青山不放松,憋足劲坚持往深里做,我们就一定能构筑起中国基础科学研究领域的青藏高原

 

化学将创造更美好的未来世界

化学是研究物质变化和化学反应的科学,是一门与材料、生命、信息、环境、能源、地球、空间和核科学等密切交叉和相互渗透的中心科学,是发现和创造新物质的主要手段。化学作为一门核心、实用和富有创造性学科,在人类认识自然和改造自然、提高人类的生活质量和健康水平、促进其他学科发展、推动社会进步等方面已经发挥、并正在发挥着巨大的、不可替代的作用。2001年度诺贝尔化学奖获得者名古屋大学的野依良治(R.Noyori)教授指出:化学是现代科学的中心,而合成化学则是化学的中心。合成化学区别于其他学科的最显著特点就在于它具有强大的创造与合成新物质的能力。

人们往往只注意到和日常生活有关的事物,如药品、发光材料和电子产品等,但很少思考它们是如何制造的,更不用说蕴含于其中的化学问题了。事实上,化学在改善人类的生活中起着极为重要的作用。从早期的染料、医药、农药,到石油利用,以及近期的芯片制造、高性能材料等,无一不同化学有关。2008年度国家最高科学技术奖获得者徐光宪院士所列举的20世纪的六大发明与技术分别为:信息技术、生物技术、核科学与核武器技术、航空航天与导弹技术、激光技术与纳米技术,这些领域的进步都无一例外地需要依靠化学手段来合成新的材料。如果没有化学合成技术,上述六大发明与技术则无法实现。近年来,为应对石油危机而采取的对策,如生物质能的利用,节能、低碳等策略以及人们倡导的环境友好工艺等,更是无一不同化学有关。因此,我们必须认识到化学在未来世界中的重要作用,重视化学这一基础学科,相信化学一定能够为我们明天更美好的生活发挥其无限的创造力,做出新的、更大的贡献!


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