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诺贝尔化学奖

钯催化交叉偶联反应——试管中的伟大艺术

 

当地时间10月6日11时45分，诺贝尔化学奖在瑞典科学院隆重揭晓，这是继生理学或医学奖、物理学奖之后第三个揭晓的奖项。美国化学家理查德·赫克（Richard F. Heck）、日本化学家根岸荣一（Ei-ichi Negishi）和铃木章（Suzuki Akira）因在有机合成领域中钯催化交叉偶联反应方面的卓越贡献，共同获得今年的诺贝尔化学奖，三人将一起分享约146万美元的奖金。

诺贝尔奖评审委员会给予三人的研究以高度评价，将钯催化交叉偶联反应称为“迄今最精湛的化学技术之一”，它使得化学家能够更为高效和精准地合成复杂的有机物，这项技术现在已广泛应用于药物、农用化学品、石油工业以及材料的合成领域，并称赞“科学家们在实验室中的非凡创造赋予化学这个传统学科以艺术的价值”，这是“试管中的伟大艺术”。

 

获奖的喜悦

当得知获得诺贝尔奖，三位获奖人都非常高兴。据赫克教授所在的特拉华大学同日发表的声明称，赫克接到通知他获奖的电话时，正在菲律宾，他开始感到很惊喜但随即恢复平静，因为他的研究早已被公认应该获得很高的荣誉，诺贝尔奖也是意料之中的事。不过，赫克仍然表示获得诺贝尔奖是“一个非常完美的结局”。

相比赫克的淡然，根岸荣一则是非常激动，在珀杜大学为他举办的新闻发布会上，他喜极而泣，并对恩师布朗教授和妻子致以深深的感激。“如果说，我从未想过获得诺贝尔奖，那肯定在撒谎”，根岸自年轻时就一直把诺贝尔奖看作一个“现实的梦想”，虽然他深知诺贝尔奖的获奖几率很小，甚至几乎不能报以希望，但仍然是包括他在内的众多科学家梦寐以求的目标。

铃木章在记者招待会上，回答了近一个小时的记者提问。他描述说，接到电话时是当地时间下午六点，电话刚接通就断了一下，彷佛有种预感似的，他对妻子讲“该不会有什么不可思议的事情发生了吧？”话音未落，电话铃声再起，通知他获得了诺贝尔奖。铃木章和根岸荣一都曾师从布朗教授，虽然布朗教授曾评价“铃木和根岸定能成为诺贝尔奖获选人”，但他自己从未想过会得奖。

布朗教授曾教导他“不要去做那些叠箱子似的重复研究，要去做那些从未有人去做过的研究，要去做那些能记入教科书的研究。”这对他产生了深深的影响。高兴之余，他还不忘居安思危，深忧日本化学学界的现状。“现在有志于理科的高中生和初中生越来越少，这是非常让人心痛的事情，希望今后能让年轻人提高这方面的兴趣。”

 

为碳原子“做媒”

钯催化交叉偶联反应，咋一听这个反应名称，很多人都有不知所云之感，简单说来就是在金属催化剂钯的催化下，有机物之间形成碳碳键的反应。从高中化学课本中，我们知道有机物被定义为含碳的化合物。但一些简单的含碳化合物如CO₂、CO、H₂CO₃、碳酸盐、金属碳化物、氰化物、硫氰化物等除外。我们身边的很多物质都属于有机物的范畴，比如组成生物的各种大分子——糖、蛋白质和脂肪，再比如石油、化纤、生物信息素、塑料、有机农药等等。这些物质的共同特征就是都含有碳元素，碳元素彼此以共价键相连成碳链，构成了有机物的“骨架”，其他元素如氢、卤素等则构成“骨架”上的“血肉”。

复杂有机物的合成，就是将包含较短碳链分子的简单有机物合成为拥有更长碳链分子的复杂有机物，结果是碳链的长度变长了，有机物分子也更大了，这个过程中最关键的环节就是碳-碳键的形成。

然而，碳并不是活泼的元素，在有机分子中碳原子与相邻原子之间的化学键往往非常稳定，不易发生反应。就像两位性格内向的情侣，很难走到一起，这时候就需要一位“媒人”的介入了，金属催化剂钯就此隆重登场。钯原子把不同的碳原子吸引到自己身边，使碳原子之间的距离变得很近，容易结合，也就是“偶联”。

例如，在卤代烃（R-X）和烯烃（R’H）的反应中，钯原子（Pd）先插入卤代烃的碳卤键之间，形成R-Pd-X的结构，然后卤素原子（-X）和烯烃中的烷基（R’-）发生交换，脱去卤代物分子，最后，卤代烃的碳原子和烷基的碳原子相连，形成新的化合物（R-R’），释放出来的催化剂钯投入下一个循环的反应中。这一过程不需要把碳原子激活到很活跃的程度，副产物比较少，因此更加精确而高效。

这个反应由美国化学家理查德·赫克发明，并以他的名字命名为赫克反应（Heck Reaction）。赫克1931年生于美国马萨诸塞州斯普林菲尔德。1954年，他在加州大学洛杉矶分校（UCLA）取得博士学位，现为美国特拉华大学名誉退休教授。1957年，他开始在赫克力士公司（Hercules）工作，从60年代晚期起，他开展了芳基汞化合物与烯烃在钯催化下偶联反应的研究，并且成果斐然。他将研究成果发表于《美国化学会刊》上，一连发了七篇以他为唯一作者的连号文章。

赫克反应迅速成为当时有机合成的重要手段，对当时的合成工业产生了极大的影响，即便在现在，赫克反应也是构建碳-碳键的常用方法之一。赫克的工作为后来发明的一系列钯催化反应奠定了基础。

 

两位日本科学家的贡献

自赫克反应发明之后，各方面都在尝试进行反应条件的优化，使之更适于工业生产的需要。其中具有代表性的就是根岸偶联反应（Negishi-coupling）和铃木反应（Suzuki-coupling）。

赫克反应的反应物使用烯烃和卤代烃，卤代物的脱去需要加入强碱，然后还需要很高的反应温度，一般要100℃以上；经过根岸的改进，使用反应活性更高的烷基锌试剂代替烯烃去和卤代烃发生反应，因为锌容易与卤素原子结合，所以使卤代物的脱去更容易了，因而反应可以在60℃左右甚至是室温下进行。同时根岸发现，一些比较便宜但是惰性的卤代烃，例如氯代烃也可以发生交叉偶联反应。

从1976年至1978年间，根岸将他的这些研究成果发表了10篇论文。

铃木的改进则是使用了硼酸试剂代替根岸反应中的锌试剂。这种试剂反应活性没有锌试剂高，对空气和水蒸气都很稳定，因而对实验环境的要求相对比较低。同时，铃木反应有很强的选择性，不同的卤素甚至不同位置的相同卤素的反应活性也可能有差别，这个反应优先选择反应活性高的卤素位发生反应，所以可以达到定向合成的目的，减少有机反应中的副产物。而且铃木反应毒性更低，适合进行大规模的生产。

 

理查德·赫克、根岸荣一和铃木章三人没有共事过，却分别在钯催化交叉偶联反应的研究中做出了重要的贡献，1972年赫克发明了钯催化下碳-碳键合成的赫克反应，1977年根岸在其基础上进行改进，使得反应条件大大降低，而铃木章再次优化，于1979年提出使用硼酸试剂的铃木反应，使得复杂有机物合成的大规模生产成为现实。他们的研究极大地发展了有机物的化工合成技术。从此，人类不再只能从自然界中提取天然的有机物，更可以在实验室中以智慧和创造力制造出新的更复杂的物质，科学和艺术竟如此相似。今年的诺贝尔化学奖，可谓名至实归。

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