博士后论文有机化学研究

瑞典皇家科学院10月5日宣布，将2005年诺贝尔化学奖授予三位有机化学家——法国学者伊夫·肖万（Yves Chauvin）和美国学者理查德·施罗克（Richard R.Schroch）、罗伯特·格拉布（Robert H.Grubbs），以表彰他们在烯烃复分解反应研究方面做出的贡献。烯烃复分解反应是有机化学中最重要也是最有用的反应之一，在当今世界已被广泛应用于化学工业，尤其是在制药业和塑料工业中。 肖万生于1930年，从事有机物合成转换方面的研究长达30年之久，目前在法国石油研究所担任名誉所长的职务。 施罗克1945年出生于美国印第安纳州伯尔尼市，1977年毕业于美国加利福尼亚大学河滨分校，1971年在哈佛大学取得博士学位，曾在英国剑桥大学从事一年博士后研究。他1975年起在麻省理工学院任教，1980年成为该学院化学系教授，迄今已发表400多篇学术论文。 格拉布1942年出生于美国肯塔基州凯尔弗特市，1965年在美国佛罗里达大学化学系获硕士学位，1968年获哥伦比亚大学博士学位。他于 1969～1978年在密歇根州立大学担任助理教授、副教授，1978年起在加州理工学院担任化学系教授至今。格拉布自大学毕业起就在美国《全国科学院学报》和《美国化学学会杂志》等权威刊物上发表许多篇论文。 让原子交换“舞伴” 碳（C12）是地球生命的核心元素，地球上的所有有机物质都含有它。碳元素通常以单质、化合物和晶体态即“富勒烯”（巴基球）的形式存在。碳原子能以不同的方式与多种原子连接，形成小到几个原子、大到上百万个原子的分子。这种独特的多样性奠定了生命的基础，它也是与人类生命密切相关的学科——有机化学的核心。 地球上的所有生命都是以这些碳化合物为基础形成的。原子之间的联系称为键，一个碳原子可以通过单键、双键或三键方式与其他原子连接。碳原子可形成长的键条和链环，将氢和氧等原子缠绕固定在一起，形成双原子化学分子，又称为双重束缚。有着碳－碳双键的链状有机分子称为烯烃。在烯烃分子里，两个碳原子就像双人舞的舞伴一样，拉着双手在跳舞。今年诺贝尔化学奖的三位获得者，获奖的原因就是他们弄清了如何指挥烯烃分子交换“舞伴”，将分子部件重新组合成别的性能更优的物质。这个比喻在英文即为“换位”（matathesis）。在换位反应中，双原子分子可以在碳原子的作用下断裂，从而使原来的原子组改变位置。然而，换位过程需要靠某些特殊化学催化剂的帮助才能完成。这种换位合成法就是烯烃复分解反应，被诺贝尔化学奖评委会主席佩尔·阿尔伯格幽默地比喻为“交换舞伴的舞蹈”。这位主席在宣布化学奖获得者仪式上亲自走向讲台，邀请身边的皇家科学院的两位男教授和两位女工作人员一起，在会场中央为大家表演了烯烃复分解反应的含义。最初两位男士是一对舞伴，两位女士是一对舞伴，在“加催化剂”的喊声中，他们交叉换位，转换为两对男女舞伴。这种对 “有机合成中复分解方法” 的形象解读，引起了在场人士的惬意笑声。 化学反应有四种基本类型：化合、分解、置换、复分解。复分解反应就是两种化合物互相交换成分而生成另外两种化学物的反应。以词义来看，“复分解”即指“易位”。复分解反应中，借助特殊的催化剂，碳原子形成的旧的束缚不断被打破，新的束缚不断形成，各种元素易位，重新组合，从而形成新的有机物。因此，复分解反应可以被看作一场交换舞伴的舞蹈。 化学键的断裂与形成是化学研究领域中最基本的问题，研究碳－碳键断裂与形成的规律是有机化学中需要解决的核心问题之一，而三位获奖者正是在这个最基本的、核心的方面做出了贡献。 20世纪50年代，人们首次发现，在金属化合物的催化作用下，烯烃里的碳－碳双键会被拆散、重组，形成新的分子，这种过程被命名为烯烃复分解反应。然而，当时没有人知道这种金属催化剂的分子结构，也不知道它是怎样起作用的。为了破译这个对人类生活有重大价值和用途的化学之谜，人们提出了许多假说，但大多没有被世界化学界所认同。 1970年，法国学者伊夫·肖万破译了这个人类的“有机化学之谜”。斯年，肖万和他的学生历经多年的艰苦攻研发表了一篇论文，阐明了复分解即换位反应的原理和反应中所需的金属复合物催化剂，提出烯烃复分解反应中催化剂应当是金属卡宾。卡宾为英文Carbon 译音，即“碳”的译文。肖万的论文还详细解释了催化剂担当中间人、帮助烯烃分子“交换舞伴”的过程。斯时，这位有机化学大师开出了换位合成法的“处方”，为开发实际应用的催化剂奠定了理论基础并指明了研究方向。 金属卡宾是指一类有机分子，其中一个碳原子与一个金属原子以双键相连接，它们可以看作一对拉着双手的舞伴。在与烯烃分子相遇后，两对舞伴会暂时组合起来，手拉手跳起四人舞蹈。随后它们“交换舞伴”，组合成两个新分子，其中一个是新的烯烃分子，另一个是金属原子和它的新舞伴。后者继续寻找下一个烯烃分子，再次“交换舞伴”。 这个理论提出后，越来越多的化学家意识到，烯烃复分解反应在有机合成方面有着巨大的应用前景，但对催化剂的要求很高，找寻及开发绝非易事。到底含有什么金属元素的卡宾化合物最理想呢？在开发实用的催化剂方面，做出最大贡献的是2005年的另两位诺贝尔化学奖获得者。 1990年，理查德·施罗克成为世界上第一个生产出可有效用于换位合成法中的金属化合物催化剂的科学家。斯年，施罗克和他的合作者报告说，金属钼的卡宾化合物可以作为非常有效的烯烃复分解催化剂。这个成果显示，烯烃复分解法可以取代许多传统的有机合成方法，并用于合成新型的有机分子。 1992年，罗伯特·格拉布发现了金属钌的卡宾化合物也能作为换位合成法中的金属化合物催化剂，这种催化剂在空气中很稳定，因此在实际生活中有多种用途。此后，格拉布又对钌催化剂作了改进，使这种“格拉布催化剂”成为第一种化学工业普遍使用的烯烃复分解催化剂，并成为检验新型催化剂性能的标准。 诺贝尔化学奖评委会在授予这三位科学家诺贝尔化学奖的文告中肯言道：烯烃复分解反应即换位合成法是“研究碳原子之间的化学联系是如何建立和分解的，是一种产生化学反应的关键方法。简言之，是在有机合成复分解方面的发现，即阐明化学键在碳原子间是如何形成的，使他们最终戴上了2005年诺贝尔化学奖的桂冠。绿色化学的开端 诺贝尔化学奖评委会文告中称：换位合成法的发现，将为化学工业制造出更多新型的化学分子提供千载难逢的机会，例如可以制造出更多的新型药物。只要我们能够想到，没有哪一种新的化学分子是不可以制造出来的。 文告中又称：获奖者所发现的复分解方法已被广泛应用于化学工业，特别是生物制药和生化领域，对最终攻克艾滋病等疾病也会有很大帮助。瑞典皇家科学院认为：烯烃复分解反应是寻找治疗人类主要疾病药物的重要武器；获奖者的发现为研制治疗老年痴呆病、唐氏综合症、艾滋病和癌症的药品奠定了基础。 烯烃复分解反应是非常有用的化学反应，在天然反应的纯合成、高分子化学以及多肽蛋白质的合成等方面都有广泛的用途。以获奖者的发现为基础，近年来学术界和工业界掀起了研究烯烃复分解反应、设计合成新型有机物质的热潮。他们的研究成果在生产、生活领域有着极其广泛的实际应用，并推动了有机化学和高分子化学的发展，每天都在惠及人类。 诺贝尔化学奖评委会主席阿尔伯格赞颂道：本次评奖结果再次表明，科学理论只有同工业结合，创造出改变人类生活、提高生命质量的发明和创造后，才能成为有利于人类的科学理论。本次化学奖获得者对化学工业、制药工业、合成先进塑料材料以及未来“绿色医学”的发展都起着革命性的推动作用。 “绿色、高效”概括了2005年诺贝尔化学奖成就的特点。换位合成法在化学工业中每天都在应用，主要用于研制新型药物和合成先进的塑料材料。在三名获奖者的努力下，换位合成法变得更加有效，反应步骤比以前简化了，不仅大大提高了化工生产中的产量和效率，还使所需要的资源也大大减少，材料浪费也少多了，所产生的主要副产品乙烯还可以再利用；使用起来更加简单，只需要在正常温度和压力下就可以完成；可以用更加智能的方法清除潜在的有害废物，从而对环境的污染也大大降低了。有鉴于此，诺贝尔委员会赞言道：换位合成法使人们向着绿色化学迈出了重要的一步，大大减少了有害废物对人们的危害。瑞典皇家科学院称颂道：这是重要基础科学造福于人类、社会和环境的例证。