2005年諾貝爾化學獎

 

蔡蘊明譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的參考資料:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2005/info.html

若要參考更深入的說明請見:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2005/adv.html

 

 

 

        今年的諾貝爾化學獎由三位化學家所共同獲得,他們是法國的Yves Chauvin,以及兩位美國的學者Robert H. GrubbsRichard R. Schrock,得獎的原因在表彰他們發展歧化(metathesis)反應在有機合成上的運用所造成的卓越貢獻。得獎者的成就已經在化學工業上成為一項重要的方法,並在合成化合物上開啟了新的機會而將使工業上製造藥物、塑膠以及其它材料的生產更為方便,這些物質的價格會因此降低而且減少對環境的衝擊。

 

歧化 一個更換伴侶的舞蹈

什麼是歧化?

        在化學的反應中,原子之間的鍵結會斷裂而新的鍵結會生成。今年諾貝爾化學獎的焦點是稱為“歧化”的反應,這個名詞具有“改變位置”的意義。如圖1所示,在烯﹝一種含有碳-碳雙鍵的化合物﹞的歧化反應中,形成雙鍵的兩個碳會與另外一組雙鍵的兩個碳交換伴侶,形成另一個新的組合。在所示的反應中,一個丙烯的分子將其中的一個CH2基團與另一分子的丙烯中之CH3CH交換,結果就產生了丁烯及乙烯。這個反應需要使用一個催化劑﹝催化劑是一個能使反應加速進行但卻不會成為產物的一部份的分子﹞才會發生。

 

 

1.  兩個丙烯藉著催化劑的幫助進行烯的歧化反應,產生兩個新的烯化物即丁烯和乙烯。

 

        其實化學家早就知道可以透過這種反應來製造新的化合物,只是他們並不瞭解催化劑在這個反應中扮演的角色為何。Yves Chauvin提出的反應機制在對這個反應的認知上跨出了一大步,因為他解釋了催化劑是如何的運作。此時,研究者獲得了一個新的挑戰機會,那就是如何的去創造一個新的且更有效的催化劑。緊接著,Robert H. GrubbsRichard R. Schrock的基礎研究進場,由於他們的貢獻,才有今日那些非常有用的催化劑可供使用。

 

有機化合物 豐富的多樣性

        碳元素能與碳元素以及其它的元素如氫、氧、氯和硫形成很強的鍵結,碳原子能以單鍵、雙鍵或三鍵的方式與其它的原子結合,可得到直鏈或分岔的結構,又可生成具有各種型態和大小的環狀結構。這個領域的化學稱為有機化學,因為在地球上生命的存在都是基於碳的這種多樣性。

        眾多的有機化合物中,目前其實只有一小部份被研究過,但即使如此,我們現在已經可以得到各種新的藥物、材料、塗料等等,這是幾年前所無法想像的。

 

有機合成

        所謂的有機合成就是將不同的化合物以特定的方式反應而製造出其它的化合物;透過有機合成,我們可以從已知的化合物原料製造出新的化合物。許多的工業必需利用有機合成,例如製藥和生技的工業,以及纖維和特用化學品的工業。在圖2中,一個在癌症的研究中所需的化合物A需要用另一個化合物B來合成,而B又需要從別的分子來合成。在化合物B的結構中具有一個由碳原子所組成的長鏈,其中有一個碳原子被氧原子取代。在合成化合物A時,這個長鏈被轉變成了一個大環的結構,這個環狀的結構正是抗癌的活性所必需。

        為了製造這個大環,催化性的歧化反應正好派上用場,而其使用的催化劑正是這次的諾貝爾獎得主之一所開發出來的。由化合物B的結構中之長鏈兩端的雙鍵﹝圖中圈出的部分﹞,透過歧化反應可以製造出兩個新的雙鍵,其中一個雙鍵用在結合長鏈的兩端而形成大環,而另一個雙鍵則存在於另一個副產物乙烯當中。如果要用別的方法來形成這個大環,將需要非常複雜而冗長的步驟。

 

2.  運用一個Grubbs催化劑進行的合成。在此透過歧化反應將化合物B中的長鏈結合成化合物A中的大環。化合物A被用在癌症的研究上,其中環狀的結構正是抗癌的活性所必需。

 

 

歧化反應是如何發現的

        歧化反應的發現可回朔至1950年代,正如同許多有機化學反應的發現一般,它源自於工業界,有好些個專利描述了催化性的烯聚合反應,其中的一篇專利是由美國杜邦公司的H. S. Eleuterio1957年所提出的,它描述了得到不飽和的碳鏈﹝鏈上具有許多雙鍵﹞的方法;在此之前,由乙烯聚合成聚乙烯只會得到飽和的碳鏈﹝鏈上不具雙鍵﹞。這個出人意外的發現造成了深遠的影響。

        在同年,另一份專利顯示,當使用一個由三異丁基鋁(triisobutyl aluminum)與氧化鉬(molybdenum oxide)依附在氧化鋁上的催化系統時,丙烯可轉變成丁烯及乙烯,這個在圖1所示的反應被稱為菲利浦公司的三烯製程(Phillips triolefin process)。這兩個專利都成功的在工業界中使用。

        在許多年之後,這兩個發現的關聯性才被固特異輪胎及橡膠公司的N. Calderon發現,他指出,在上述的兩種製程中所發生的是同一種型態的反應,並稱之為烯的歧化反應(olefin metathesis),只不過在分子的層次,其中的催化劑之結構及其運作的機制在當時仍屬未知,因而由此所啟動之精采的催化劑獵捕行動,只能在黑暗中透過隨意擲擊四處碰觸的方式盲目的摸索。

 

Chauvin的機制

        越來越多的化學家開始注意到到歧化反應可能提供給有機合成的高度潛力,不過可能沒有人料想到它會成為如此的重要。雖然有許多的研究者提出各種歧化反應如何發生的可能機制,但真正的突破要等到1970Yves Chauvin所發表的一份研究報告,他和他的學生Jean-Louis Herrison指出其中的催化劑是一個金屬碳烯(metal carbene),這種化合物具有一個金屬與碳形成的雙鍵。在之後的文獻中,金屬碳烯也被稱為金屬亞烷基(metal alkylidine)。在更早些年E. O. Fisher1973年諾貝爾化學獎﹞也發現過一些其它的金屬碳烯。Chauvin也提出了一個嶄新的機制來解釋這個金屬化合物在反應中扮演何種功能。他們所進行的一些新的實驗結果完全符合這個新機制的運作,而無法用之前所提出的各種機制來解釋。在圖3a中,一個金屬亞甲基做為催化劑,造成兩個雙鍵上的亞烷基之交換,導致兩個新的雙鍵生成﹝圖中金屬M上所用的中括號代表金屬除了與碳之間有一個雙鍵之外其上還有其它的基團﹞

 

3.  (a) 由金屬亞甲基做為催化劑的烯歧化反應。產物是兩個新的烯化物:乙烯及一個含有兩個R基團的烯化物,這兩個R基團分別接在雙鍵的兩個碳上,曲折線代表它們可以在雙鍵的同邊或反邊。  (b) Chauvin提出的烯歧化反應機制。在這個催化的循環中,會生成一個含有三個碳和一個金屬的四元環。

 

        3b所示為此反應的機制,在反應的第一階段,金屬亞甲基與一個烯形成一個四元環,這個環含有一個金屬和三個碳,相互以單鍵結合。在下一個階段,其中的兩個單鍵斷裂並形成一個新的烯﹝即乙烯﹞和一個新的金屬亞烷基。在第三步驟,這個新的金屬亞烷基又與原先的烯結合成一個新的四元環。在最後的步驟中,這個含有金屬的四元環裂解產生歧化的產物並同時重新得回原先的金屬亞甲基,這個重新得回的金屬亞甲基又繼續投入另一個歧化反應的循環當中。這個反應的最終結果就是兩個烯的分子交換了它們的亞烷基,也就是進行了歧化反應﹝圖3a﹞。Chauvin的機制一舉解釋了所有早先文獻中的結果,他的機制也得到了Robert H. GrubbsThomas J. Katz以及Richard R. Schrock等研究團隊的實驗之強烈支持,現已廣為大家所接受。

 

4.  一個有趣的歧化之舞。

 

上面所描述的Chauvin機制可以視為一種舞蹈﹝圖4﹞,其中催化劑與烯這兩組在舞蹈中交換舞伴。金屬和他的舞伴雙手相牽,當碰到烯隊時這兩組人馬結合成一個圈圈跳舞,隔了一會兒,他們與原先的同伴鬆手然後與新的伴侶湊成一對共舞。現在新形成的金屬隊又開始尋找新的烯隊,再次組成圈圈跳舞,換句話說,金屬隊成為一個分歧化的媒介者。

 

研發新的催化劑

        到此時更多的化學家開始體認到,如果能找到更有效而可靠的催化劑,將可以使得這個反應在有機合成上成為一個極為重要的方法。早先所使用的催化劑結構並不明確,對空氣及濕氣極為敏感,穩定度很差而只能短暫的存在。一個好的催化劑必須是穩定的,並具有確定的結構,其化學活性要能針對需要而做調整,此外它們必須具有選擇性,也就是說只會與雙鍵反應而不會作用到分子上的其它部位。Chauvin的研究結果顯示了有效率的催化劑可以如何的建立,但問題是在所有結構很明確的已知金屬亞烷基中,沒有一個可以成功的運用在烯的歧化反應上。雖然有好些位化學家在研發歧化反應的催化劑及其運用,並且也有重要的貢獻,不過,在此研究領域中關鍵性的進展則出自於Robert H. GrubbsRichard R. Schrock的團隊。

 

Schrock的第一個實用的催化劑

        Schrock1970年代初期開始研究新的金屬亞烷基錯合物,但是到底哪一種金屬最適合製造出最有效的催化劑呢?他嘗試了含有鉭(tantalum)、鎢及鉬的催化劑,逐漸的掌握了哪些金屬可以使用以及它們如何的運作。對Schrock而言,鎢及鉬很快的顯示出是最適當的金屬,雖然用這些金屬合成了一些催化劑,但對於在金屬上到底要放上什麼基團才能製造出穩定而活性又高的催化劑仍不確定。在1990年,Schrock的團隊終於得到突破而發表了一系列活性又高而結構又很明確的含鉬之催化劑﹝圖5﹞。

 

5.  一個Schrock的含鉬催化劑。藉著選擇適當的基團接在金屬上可以得到極高的化學活性。在此i-Pr代表異丙基,Ph代表苯基。

 

        由於他的發現,化學家開始體認到烯的歧化反應可以普遍的運用在有機合成上,歧化反應越來越受到那些活躍的有機合成化學家們的注意,他們發現歧化反應可以取代許多傳統的合成方法,而在同時也提供了一種嶄新的方式來合成有機化合物。在圖5中所示的含鉬催化劑雖然對氧氣及濕氣是很敏感的,但只要透過適當的處理方式,不失為一個在有機合成上威力強大的工具。

 

一種由Grubbs所研發的通用催化劑

        另一個突破則發生在1992年,Robert Grubbs的研究團隊報導了他們所發現的一個含釕(ruthenium)的催化劑,它在空氣中是穩定的,表現出很高的化學選擇性,但是化學活性較Schrock的催化劑為低,這個新的催化劑可以在醇、水及有機酸的存在下催化歧化反應﹝參考圖2﹞,在此之後Grubbs進一步的改進了他的催化劑,在圖6中所示的是幾個很有效而又容易合成的催化劑中的一個。

 

6.  一個由Grubbs開發的含釕的催化劑。在此Cy代表環己基。

 

        Grubbs的催化劑已成為在普通的實驗室中,被普遍使用在歧化反應上,而且功能明確的催化劑。在圖6中所示的催化劑被稱為Grubbs催化劑,並成為一個被其它新的催化劑用來比對的標準。Grubbs催化劑的通用性導致其後在有機合成上新的展望。Grubbs對催化劑的設計是基於詳細的反應機制研究,他持續的開發以釕為基礎的催化劑,朝著製造合成上最具威力的催化劑而努力,這些合成包括了具有特殊性質的聚合物。

 

運用以及影響

        這幾位諾貝爾獎得主所發展的合成方法,已經在學術研究上迅速的成為普遍使用的工具。為了製造新化合物所設計的工業製程,在這方面也有熱烈的發展,利用催化性的歧化反應可以縮短合成的步驟,得到更高的產率及更少的廢物,這導致更乾淨而對環境衝擊較小的製程。這種反應開啟了更多的機會去探索更多樣性的有機分子。除了他們之外,許多其他的研究者也提供了重要的貢獻,並持續的為了解決特定的問題例如合成複雜的天然物及其類似物,而開發新的歧化反應催化劑。

        歧化反應在製藥工業、生技工業及食品工業上具有極大的商業潛力;新的催化劑亦可廣泛的運用在聚合物的合成上,雖然截至目前許多最有用的聚合物仍然是用傳統的方式來合成,但最近在聚合物合成的研究顯示,某些歧化反應催化劑在合成具有特殊性質的聚合物方面具有光明的前景。

        雖然SchrockGrubbs所發展的催化劑問世不過短短數年,但是他們所發展的應用性之深入的確是令人驚訝,這包括了昆蟲費洛蒙、除草劑、聚合物和燃料的添加劑、具有特殊性質的聚合物以及各種在藥物發展上很有潛力的各種分子之合成。有關一些可以對付各種人體疾病所發展的各種分子尤其值得一提,因為許多的研究者正投入於製造可能的藥物來治療各種狀況,例如細菌感染、C型肝炎、癌症、阿茲海默症、唐氏症、骨質疏鬆、風濕、發炎、纖維症、HIV/AIDS、偏頭痛等等,歧化反應也因此成為一項重要的武器來尋找新的藥物以治療這世界上許多主要的疾病。