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ISSN:1004-0374
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《生命科学》 2005, 17(6): 571-
2005年诺贝尔化学奖
      2005年10月5日,瑞典皇家科学院决定将2005年的诺贝尔化学奖联合授予三位科学家:法国石油研究所的伊夫·肖万(Yves Chauvin),以及美国加州理工学院的罗伯特·格拉布(Robert H·Grubbs)和麻省理工学院的理查德·施罗克(Richard R·Schrock),以表彰他们在“有机合成的复分解反应研究方面作出的贡献。”这项成果虽纯属有机化学领域,但与生命科学也有密切关系,因为生命过程包括许多有机化学反应,而有机复分解反应不但有助于解释体内的化学反应原理,更可通过这种反应机理,并应用金属催化剂而进行仿生合成,或合成药物、昆虫信息素、农用物质等,因此,值得生命科学界的关注。
伊夫·肖万 法国公民,生于1930年,法国石油研究所的研究员。
罗伯特·格拉布 美国公民。1942年生于美国肯塔基州卡尔弗特城。1968年完成美国纽约哥伦比亚大学化学博士后研究,现任美国加州理工大学教授。
理查德·施罗克 美国公民。1945年生于美国印第安纳州波恩市。1971年完成哈佛大学化学博士后研究,现任美国麻省理工学院教授。
复分解反应——交换舞伴的舞蹈
     今年的诺贝尔化学奖得主使得复分解反应成为有机化学中最重要的反应,通过该方法可以创造许多新的分子,如药品。
      有机物含有碳元素。碳原子可以形成长链和环,与氢或氧连接,形成双键等。地球上所有的生命都以这些碳的化合物为基础,但是它们也可以通过有机合成人工生产。
      复分解反应意思是“变换位置”。在反应中,双键打开,在碳原子中以导致原子团换位的方式形成双键。这需要特殊催化剂分子的帮助。烯烃复分解反应可以被形容为交换舞伴的一种舞蹈。
1971年,伊夫·肖万详细地解释了复分解反应是如何进行的,何种金属催化剂可以应用于该反应。“处方”知道之后,下一步就是如果可能的话,开发实用的催化剂。
      1990年,理查德·施罗克第一个生产了反应所用的有效的金属催化剂,两年后,罗伯特·格拉布开发了一种在空气中稳定、应用更为广泛、更好的催化剂。
      复分解反应在化工厂每天都要用到,特别是在药品开发和塑料材料中应用很广。我们要感谢三位诺贝尔奖得主的贡献,将合成方法发展得更加有效(更少的反应步骤、需要更少的资源、更少的废物)、更加简便(空气、常温、常压下稳定)、对环境更加友好(无害的溶剂,更加无害的废品)。
      这代表了向绿色化学迈进的伟大进步,应用更加聪明的生产方法减少潜在的有害废物。烯烃复分解反应是重大基础科学造福人类、社会和环境的一个范例。
复分解反应
     在化学反应中,不同原子之间的化学键断裂,新的化学键形成。今年的诺贝尔化学奖的焦点就是复分解反应,意味着“变换位置”。在烯烃(碳链中含有双键)复分解反应中,双键连接的原子团彼此换位。
      在这个复分解反应中,一个丙烯的CH2原子团与来自另一个分子的CH3CH交换,其结果产生了丁烯和乙烯。催化剂在反应中没有消耗,是反应发生所必需(图1)。
      很长时间以来,人们就通过该方法生产新物质,但是并不理解催化剂在其中承担的角色。伊夫·肖万揭示的反应机理,表明了催化剂的作用,是一个巨大的进步。然后,研究人员面临着新的挑战——寻找新的有效的催化剂。在此基础上,罗伯特·格拉布和理查德·施罗克的基础研究进一步开展起来。
有机化合物——巨大的多态性
      碳元素具有很强的与其他碳原子和其他元素,诸如氢、氧、氯和硫等形成化学键的能力。一个碳原子能够通过单、双或三键与其他原子相连,可形成长链、分支结构以及不同形式和大小的环。化学的这个领域被称为有机化学,因为地球上所有的生命形式都是基于碳原子的多态性。
到目前为止,大量不同的有机分子中只有极少数进行过研究。即便如此,我们也已经获得了新的药物、材料、涂料等,这都是数年前所不敢想象的。
有机合成
      合成涉及通过使物质以某种特定方式反应产生不同物质:在其他分子的协助下产生新分子。许多工厂应用有机合成:制药、生物技术工厂以及纤维素和精细化合物合成。图2示意了用分子B合成物质A(用于癌症研究)。物质B含有一个长碳链,其中一个碳原子被一个氧原子代替。在合成A的反应中,长碳链形成大环,这对于抗癌活性很重要。
      要形成大环,就应用到了诺贝尔奖得主发现的催化剂。在碳链链端存在两个双键,新的双键也在此处形成,其中之一被用于连接两个碳原子形成大环;另一双键以副产品乙烯的形式出现。以任何其他方式合成大环都是非常复杂的,并且需要更多的反应步骤。
复分解反应的发现
       复分解反应是在19世纪50年代首次发现的。像有机化学领域的许多其他发现一样,复分解反应也是从工厂开始的。许多专利描述了烯烃聚合反应的催化过程。在这些文献中有美国  H.S.Eleuterio1957年写的一份报告,描述了具有双键的不饱和烃的形成过程。然而,早期的由烯烃合成聚乙烯的尝试产生了饱和的多聚物(不含双键)。这一令人惊奇的发现产生了深远的影响。在同一年,另一项专利表明,当用氧化铝表面的含有三异丁基铝和钼氧化物的混合物处理丙烯,丙烯可以转变为丁烯和乙烯。该反应已经在图1中明示,这两项发现都成功地应用于工厂中。
      过了一段时间之后,这两项发现之间的联系才由美国古德基尔橡胶公司的N. Calderon发现。N. Calderon发现在两个过程中有同种反应发生,他定义了烯烃复分解反应。然而,人们还是不明白分子水平催化剂及其工作原理。因此,其他催化剂的发现是纯属巧合,是黑暗中摸索的结果。
肖万定理
      更多的化学家开始认识到复分解反应在有机化学合成中的巨大潜力,但是没有人预见到它的重要性。尽管有许多研究人员提出了复分解反应机理的假设,但其突破是在1970年由伊夫·肖万做出的。他和他的学生Jean-Louis H閞rison提出催化剂是金属卡宾(一种化学物,其中金属通过双键与碳相连)。以后的文献中金属卡宾用作术语“金属烃基化合物”。其他的金属卡宾由E.O.Fisher(1973年的诺贝尔化学奖得主)在数年前发现。肖万也提出了一个完整的新的关于金属化合物在反应中的催化反应机理。他的新的实验结果与其理论相符合,但不能被以前提出来的任何假设所解释。在图3a中,金属甲基充当两个不同烯烃中交换亚烷基的催化剂,结果产生两个全新的烯烃([M]表明金属与甲基相连的双键断开后可与其他原子团相连)。
      图3b表明了机理。在反应的第一阶段,即第一步,金属甲基与一个烯烃相连形成四原子环。该环包含一个金属原子和三个碳原子,彼此以单键相连。第二步,两个单键断裂,一个新的烯烃(乙烯)和一个金属亚烷基化合物形成。第三步,这个新的金属亚烷基化合物与一个原初的烯烃结合,形成一个新的金属环丁烷。最后,这种转换分子断裂,产生了目标产物和一个再形成的金属甲基分子。现在该金属甲基分子可以作为另一复分解反应的催化剂重新使用。反应最后的结果是两个底物分子彼此交换了亚烷基基团,经历了图3的过程。肖万的定理一次解释了以前的烯烃复分解反应的结果。他的机理解释得到了Robert H. Grubbs、Thomas J. Katz 和Richard R. Schrock实验的强大支持,现在已经被广为接受。
开发催化剂分子
      越来越多的化学家现在开始认识到如果存在可靠有效的催化剂,则复分解反应对有机合成是很重要的。早先,应用不明催化剂,它们对空气和湿度非常敏感,寿命也较短。我们就想得到稳定的、相对明确的催化剂,并且可以根据情况调整。除此之外,还应该有选择性,只与双键反应,而使分子的其他部分保持完整。肖万的结论表明了有效的金属亚烷基催化剂是如何构建的。问题是没有一个已知明确的金属亚烷基化合物充当烯烃复分解反应的催化剂。许多化学家对开发和应用复分解反应催化剂做出了主要贡献,但是该领域最重要的突破是由罗伯特·格拉布和理查德·施罗克完成的。
施罗克的第一个可行的催化剂
      施罗克在20世纪70年代早期就开始了新的亚烷基复合物的研究。但是,为了获得最有效的催化剂,应用哪种金属最合适?他尝试了含有不同金属的催化剂,如钽、钨、钼等。他逐渐明白了应该应用含有哪种金属的催化剂和它们的工作原理。施罗克不久就发现钼和钨是最合适的金属。应用这两种金属制造了一些催化剂,但是还存在一些不确定因素,如与金属相连的哪种基团能够得到稳定且活泼的亚烷基复合物。1990年获得重大突破,施罗克及其工作人员报道了他们构建了一组非常活泼的明确的钼催化剂(图5)。
      通过该发现,化学家们开始认识到烯烃复分解反应可以在有机合成中普遍应用。复分解反应获得了合成化学的研究人员越来越多的关注。复分解反应可以代替许多传统的合成方法。钼催化剂,如图5所示,对于氧气和湿度很敏感,但是合理使用时,就成为有机合成中的强有力的工具。
格拉布开发的普通催化剂
      复分解反应催化剂开发的另外一个突破是在1992年,格拉布及其同事发现了带有金属钌的催化剂。它在空气中稳定,表现出高选择性,但是比施罗克的催化剂活性低。新的催化剂也具有在有酒精、水和羟基存在下起始复分解反应的能力。后来,格拉布改进了他的催化剂,图6是他发现的一个非常有效的催化剂,并且非常易于合成。
      格拉布的催化剂是第一个在普通实验室中进行复分解反应应用的明确的催化剂。图6的催化剂泛称格拉布催化剂,成为了新的催化剂对比的标准。格拉布催化剂的普遍应用使人们看好有机合成的前景。格拉布的催化剂是基于详细的机理研究设计的。他继续开发以钌为基础的复分解反应催化剂,使之成为合成强有力的工具,包括具有特殊特性的聚合物。
应用和结果
      诺贝尔奖得主开发的合成方法很快就成为学术研究的普通工具。一项用于生产新物质的重大设计工艺流程开发也已经实施。具有催化剂的复分解反应,合成路线要短得多,产量高,废品少。这就产生了清洁的更加环保的友好的生产过程。该反应使得我们可以开发更多不同有机分子。除了诺贝尔奖得主,还有很多研究人员作出了巨大的贡献,他们继续开发新的特殊的复分解催化剂以解决特殊问题。合成复杂的天然产物和相似的化合物就是一例。
      复分解反应在制药工业、生物技术工厂和食品生产中具有巨大的经济潜力。尽管直到今天,最成功的聚合物材料是应用传统方法生产出来的,但新的复分解反应催化剂也广泛应用在聚合物合成中,最新的聚合物合成研究表明,特定的复分解反应催化剂在生产具有特殊性质的聚合物生产中的前景很乐观。
      尽管施罗克和格拉布的催化剂开发出来的时间短,但他们应用的范围相对来说是非常广泛的。这些包括合成昆虫信息素、除草剂、聚合物和燃料的添加剂、具有特殊性质的聚合物、药物开发中的多种物质。开发攻击不同肌体疾病的分子,研究人员现在正在致力于开发治疗细菌感染、乙肝病毒C、癌症、阿尔采末病、杜恩综合症、骨质疏松、关节炎、炎症、纤维化、艾滋病、偏头痛等疾病的药物。因此,复分解反应是寻找治疗多种世界重要疾病的重要工具。
                                                                           岳东方译自http: //www.nobel.se
 
 
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