为碳原子结合“牵线搭桥”
- 2010-10-07 09:12:44509
北京时间6日傍晚，美、日两国的3位科学家理查德·赫克、根岸英一、铃木章因合成“碳—碳”键而获2010年度诺贝尔化学奖。尽管这些经典合成法已深入制药、电子等工业应用中，但包括中国在内的多国科学家正试图颠覆旧法、开辟新路。
获奖者实至名归
“赫克反应”、“根岸反应”、“铃木反应”，3位获奖者都有以自己名字命名、业界公认的有机合成方法，难怪记者采访的国内专家对此毫不意外，认为今年化学奖得主实至名归。
有机化学是碳基的，基于碳原子与碳原子之间的紧密联系。它是生命的基础，它是无数令人惊叹的自然现象的原因，如花朵的芳香与色彩，石油天然气蕴藏的能量，又如青霉素的抗菌性等。人们希望以“碳—碳”原子的组合，构建同自然本身一样复杂的碳基分子，使人类掌握能够模仿大自然的化学能力，获得诸如新的药物和塑料等革命性材料。
为了创造这些复杂的有机化学物质，化学家需要人为地将碳原子联接在一起。不过，碳是非常稳定的，碳原子之间并不轻易发生反应。因此，科学家们将碳原子相联的早方法就是采用使碳更为活跃的技术，这种方法在创造简单分子时有效，但在合成更为复杂的分子时，科学家们发现他们的试管里多了许多并不需要的副产品。
而瑞典*诺贝尔颁奖委员会在颁奖状中称，“钯催化的交叉偶联”方法解决了这一问题，向化学家们提供了一个更为和有效的工具。在“赫克反应”、“根岸反应”和“铃木反应”中，碳原子遇到了钯原子，它们之间存在接近性，于是启动了奇妙的化学反应。终，碳与碳结合了，而其他“代谢物”可以轻易去除。华东师范大学化学系张俊良教授比喻说，在金属钯的“撮合”下，“交叉偶联”就像舞会上两对单手拉着的小朋友迎面而来，顺利地交换各自的舞伴。
成果被广泛应用
事实上，早在上世纪六七十年代，3位获奖科学家就各自独立地发现了这套方法，经其本人以及许多其他有机化学家的潜心研究逐步完善起来，并被广泛应用。仅在药物及农用化学品领域中，从抗高血压药物、杀虫剂到高分子发光材料，不少跨国企业产品的生产环节都用到了他们的方法。尽管3种不同反应各具优点，但都很经济实用，有的反应只需万分之一用量的昂贵的钯催化剂，有的反应试剂稳定性好、副反应小、副产物少。
上海交通大学化学化工学院陆文军教授认为，这次获奖的相关方法不仅是化学界科研中的惯用手法，而且早已潜移默化到生产生活接触到的各种商品中。
陆文军介绍，除了与药物化学相关的传统应用方向，借助这些方法制备的新型有机材料正呈现出替代不少传统无机材料的趋势。比如电脑、手机等电子信息产品都要用到的半导体、晶体管等器件，通常都采用无机硅等作为原材料，而硅材料存在性能极限，使高计算速度受限；而借助“碳—碳”键的新组合，改进合成工艺，创造新的有机电子材料，则效率更高、能耗更小、重量更轻、造价更低。目前，LED半导体照明领域已出现新一代的OLED，即采用了有机材料组成的发光二极管。
有待进一步突破
化学反应都是“1＋1”变成“3”的，3位科学家所用的前一个“1”都是相同的，同为有机卤化物试剂。张俊良说，有机卤化物作为大众化学品，方便易得，前人均有使用。但3人所用的后一个“1”各不相同，分别与烯烃、有机锌试剂和有机硼试剂反应，发生交叉偶联，形成新的“碳—碳”键。
问题在于，像有机锌、有机硼这样参与反应的试剂，同样需要多个步骤加以制备，花费不少成本。因此，陆文军认为，这次获奖的传统方法还是绕了个弯子，无法直接促成“碳—碳”键的反应。目前，包括他所在的上海交大在内，多国科研机构都在研发更为直接的方法，比如利用一种有机卤化物试剂与另一种有机卤化物试剂反应形成“碳—碳”键。
陆文军团队现在主攻的方法则更直接：不用任何试剂，只用催化手段，在一定反应条件下，让两个“碳—氢”键“交换舞伴”——断两个氢键，连一个碳键。因为“碳—氢”键是大自然中仅次于“碳—碳”键的黄金组合，一旦实现人工重组，那么理论上甲烷分子（CH4）就可以连成C2H4的新型有机化合物，满足人们对于功能性有机分子的需求。事实上，这样可以改造碳键、氢键组合，人为创造许多石油化工类的新分子，有望缓解甚至解决世界能源危机。
据了解，近年《科学》杂志评出的年度科学进展中，以“碳—氢”键直接构建“碳—碳”键的成果已赫然在列。陆文军等国内科研人员在此方向上的研究也已发表成果，他乐观预计这种方法短可在5到10年内部分替代此次获奖的方法，甚至在今后成为主流。可以说，这次诺贝尔化学奖正是对化学未来发展的一种展望。“诺奖并不，科学永无止境。”陆文军说。
多年“敌手”终战平
理查德·赫克，美国人，1931年出生，1954年在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校获得博士学位。随后，他进入瑞士苏黎世联邦工学院进行博士后阶段的学习，后又进入美国特拉华大学工作并于1989年退休。
根岸英一（又译为根岸荣一），日本人，1935年出生于中国长春，1958年从东京大学毕业后进入帝人公司。1963年在美国宾夕法尼亚大学获得博士学位，现任美国珀杜大学教授。
铃木章，日本人，1930年出生，1959年在北海道大学获得博士学位。美国珀杜大学留学回国后，铃木章于1973年就任北海道大学工学系教授，现为北海道大学名誉教授。
赫克、根岸和铃木现年分别79岁、75岁和80岁，虽然因同一课题获同一奖项，却不曾共事或合作。
美国化学学会主席约瑟夫·弗朗西斯科接受采访时称，三人多年来都进行着同一领域的研究，本次获奖“可以说是三人打了个平手”。