zhengqf08的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zhengqf08

博文

有机化学——突破与展望

已有 13361 次阅读 2013-11-21 11:06 |系统分类:科研笔记| 化学进展, 人类进步, 未来化学, 能源环保, 有机化学突破

有机化学——突破与展望*[1]

 

郑庆飞

中国科学院上海有机化学研究所[i]

 

从二十世纪五十年代到二十一世纪的第二个十年

大概半个世纪以前,两本有机化学相关书籍相继出版。第一本名为《Perspectives in Organic Chemistry》,出版于1956年,即Robert Robinson爵士70岁诞辰之际(中译本《有机化学展望》,1959年,科学出版社);二十二年之后,另一本书横空出世,与之前那本有着相同的主题,叫做《Further Perspectives in Organic Chemistry》(1978)(中译本《有机化学的再度展望》1984年,科学出版社),该书包含了纪念已故的Robert Robinson爵士主题讨论会上所有的演讲内容。这两本书均与伟大的有机化学家Robinson爵士有关,并记录了当时有机化学研究的进展。如今我们生活在一个新的世纪,一个飞速变化着的世界之中,有机化学研究也在过去,特别是过去二十年中取得了巨大进展。在第二次世界大战之后,我们经历了一段特别长久和稳定的和平时期,在此期间,化学研究得到了平稳的发展。正因为有了这样一个相对良好的经济环境,化学家们的工作也得到了更好的支持;并且,与其他学科的彼此交融也为有机化学的研究提供了新的动力。同时有机化学的蓬勃发展,也促进了许多全新分支学科的出现,例如化学生物学、有机小分子催化、超分子化学、绿色化学与可持续化学、组合化学以及流动化学等。

上个世纪末,哈佛大学化学系被重新命名为“化学与化学生物学系”,这标志着化学生物学——一个化学与生命科学交叉学科的诞生。许多新的期刊也应运而生,例如《Nature Chemical Biology》、《ChemBioChem》、《Chemical Biology》、《BMC Chemical Biology》、《Chemical Biology and Drug Design》、《Chemistry and Biology》等。它们都秉承着共同的目标——为科研工作者介绍最新的化学生物学进展。化学生物学如今已成为一门独立的学科,以解决化学与生命科学交叉领域的问题。化学生物学家们相信,“他们正站在一个令人激动的时代的门阶上”。

绿色化学和可持续化学同样是一门崭新的学科,同时也有一些与之相关的新杂志问世。16年前,美国设立了“总统绿色化学奖”,这也体现了绿色化学的重要性。Paul T. Anastas1998年在其著作《Green Chemistry, Theory and Practice》中首次提出了“绿色化学”这一概念,并由此定义了这个新的学科。绿色化学中也包含了一些新的研究领域,例如离子液体化学、氟相化学和水相有机合成化学等。

超分子化学和有机小分子催化是另外两个有机化学新分支学科。有机小分子催化确实可谓本世纪的化学重头戏之一,在上个世纪,我们常常说有两种策略可以用于不对称催化领域,即金属催化不对称反应和酶催化不对称反应。而如今,则应该再加一个策略,那就是有机小分子催化。

正如我们所见,在过去并不算太长的时间里,有机化学得到了极大的发展,同时许多相关新学科也如雨后春笋般涌现出来。如今,有机化学已经成为一个成熟且富有活力的学科。我们将仅从几个方面来回顾一下过去几十年中有机化学研究领域所取得的令人激动的进展,虽然这仅仅是冰山一角,但是足以展示出有机化学的魅力和无限前景。

天然产物的全合成与化学生物学

天然产物的全合成长期以来一直被视为有机化学研究中的一个主要方向,同时全合成研究中取得的一些重要进展又常常被视为有机化学领域的里程碑。Friedrich Wöhler由无机化合物合成了尿素,逾越了当时被认为“泾渭分明”的有机化学和无机化学鸿沟,这被看做是全合成的最早典例。此后,维生素B12、海葵毒素、短裸甲藻毒素A和许多其他化合物的全合成均被视为里程碑式的工作。由Robert WoodwardAlbert Eschenmoser领衔完成的维生素B12全合成,不仅优美地实现了一个自然界中结构复杂的含钴化合物的合成,还在研究过程中意外发现了有机化学中极为重要的“Woodward–Hoffmann定律”,阐明了分子轨道对称性的守恒。

海葵毒素的全合成曾经被认为是全合成的珠朗玛峰,这源于它2860 DA的巨大分子量和多达64个的立体异构中心。这在过去看来千真万确,不过从分子复杂性角度看,这个分子却还并非最复杂。相比之下,短裸甲藻毒素A的结构则更为复杂,它有许多并环结构,从五元环到九元环均有分布,这些多环结构导致了复杂的立体化学。

在过去几十年里被合成的众多重要天然产物中,这些分子只是具有代表性的几个例子。在某种程度上,这些分子的全合成可以帮助我们回答“能否合成”的提问。不过,随着全合成研究的飞速进展,这个问题将不复存在了。紧接着,又出现了第二个问题,即“为什么要合成”。北京大学杨震所云“天然产物已证明是验证新型药物侯选品的有利资源”是一个回答,Christopher T. Walsh Michael A. Fischbach最近也阐述了“为何研究天然产物依然具有意义”的问题,他们提出了四个观点:(1)对天然产物的研究会不断促进有机合成化学和分析化学的发展;(2)天然产物仍旧还是人类医药方面的主要来源;(3)天然产物为生命科学的研究提供了新的视角和研究切入点;(4)更多结构新颖的天然产物还在逐步被发现。此外,Alexander Todd也曾经提出有机化学家应该把更多注意力放在天然产物功能的研究上。为了关心功能性,便催生了“多样性导向合成”(DOS)、转向性全合成(DTS)和功能导向合成(FOS)等概念。尽管“能否合成”已经不再是一个人们关心的焦点问题,但“能否有效合成”依然是个具有挑战性的问题。随着有机合成方法学的发展,如何将其以最佳组合的形式应用在全合成研究中,也是大家所感兴趣的一个话题。Samuel Danishefsky曾经提到,只有合成方法学的不断发展才能为全合成研究提供新的契机。

Scott Snyder曾富有新意地提出了三点引人深思的现状:(1)大型制药公司对于新型天然产物分离工作的投入资金和热情不高;(2)各种相关经费的申请愈发困难;(3)被分离得到的天然产物结构也越来越复杂。制药公司中研发投资的衰减可能是全球经济危机的一个侧面反映。随着天然产物研究中累累硕果的出现,我们相信制药公司将会重新提高他们对于天然产物的兴趣。Elias Corey开发的ET-743Yondelis®)和 Yoshito Kishi 开发的E7389Eribulin®)是两个最近批准临床应用的抗癌药物(活性均在亚纳摩尔级别),这也将重塑人们对天然产物研究的信心。Scott Snyder还同时指出了传统中医药的丰富历史。屠呦呦作为青蒿素抗疟活性的发现者,被授予拉斯克-狄贝基临床医学研究奖,正是对Scott Snyder观点的有力证实。传统中医药学是全世界的财富,但中西方语言的障碍难免影响一些中医药研究成果无法在世界范围内传播。可喜的是,随着更多英文版相关著作的问世,这样的现状也在逐步得到改善。

当化学家们渐渐开始关心机体生理功能的时候,他们就逐步走近了化学生物学。利用结构生物学、分子结构模拟来针对靶点进行药物设计,是一个同时结合化学和生物学的研究领域。药用天然产物的生物合成及其代谢通路改造,也同样是一个化学与生物学的交叉研究领域;尽管生物合成已经具有悠久的历史,然而后基因组时代为现代生物合成带来了一个全新面貌:如今,一种微生物的全基因组序列可以在非常短的时间内被测定得到,价格也完全可以接受。1891i种生物的全基因组序列已经被测得,而与此同时11446i生物的全基因组测序工作也将提上日程。这些日益丰富的基因组信息可以指导我们对代谢通路及其改造有一个更为深刻的认识,甚至完全有可能人工创造出一个全新的生物合成通路。在这个意义上来说,合成生物学将是今后一个重要的发展方向,特别是在微生物领域。基因组测序、基因功能分析、基因扫描、基因挖掘等技术的日益完善,将帮助我们更深地理解以至在分子水平上重新建立新的生物合成通路。

除蛋白质和核酸之外,糖类化合物被认为是三大基本生物大分子之一。糖类不仅仅是生物体中的结构维持分子和能量储存分子,还在细胞信号转导过程中扮演重要角色。尽管糖类化合物的化学式非常简单,即碳的水合物Cn(H2O)n,但其化学合成过程是非常复杂的。虽然我们早已经可以通过常规的固相合成仪来合成多肽和核酸,但是对于寡聚糖的自动化合成只是最近才刚刚出现的,并且仍然具有很大的局限性。这大概可以用Hans Paulsen曾写作过的一篇论文来加以解释,他在1982年的论文中写道:“值得强调的是,每一种寡糖的合成都存在自身的特征性问题。这些问题的解决需要非常系统的研究和足够的知识与经验,目前还没有针对所有寡聚糖合成的统一反应条件。”通过糖化学家们的系统研究,在本世纪已取得了两个重要的突破。其中一个突破是,一类作为植物抗毒素诱导因子的十二聚支链β-葡聚糖,已经可以由自动合成仪合成;另一个突破则是一锅法串联糖基化反应。Chi-Huey Wong建立了一个计算机数据库,收集了各种不同保护基糖类分子的相对反应活性,从而可以用于一锅法串联糖基化反应中的反应底物选择。利用这个方法,已可以合成一些六糖和十二糖。Wong还曾指出人体内超过90%的蛋白质都被认为是具有糖基化修饰的,因此糖蛋白的化学合成在构效关系(SAR)的研究中将会起到重要的作用。除此之外,糖类化合物的合成还与疫苗研究息息相关。由此可见,在未来的几十年中,糖化学的研究一定还会为我们带来更多的惊喜。

我国科研工作者于1965年完成了结晶牛胰岛素的全合成,这是当时中国一个重大的科学事件。胰岛素是那时唯一结构已被确定的蛋白质(由著名化学家,两次诺贝尔化学奖得主 Frederick Sanger完成),其中包含51个氨基酸残基和两个二硫键。牛胰岛素是首个人工合成的蛋白质,在这背后我国科研工作者投入了大量的时间和努力。此后,Robert Merrifield发明了多肽固相合成仪,而Stephen Kent发明了无须保护基的高效肽段偶联法,这两项重要的发现使得蛋白质化学合成迎来了新纪元。值得一提的是,在报道牛胰岛素全合成的文章中用了很大篇幅才将全部工作参与者的名字列举完毕;而于2011年发表的一篇文章中,报道了具有203个氨基酸残基的HIV-1蛋白酶共价二聚体,该文章的作者却仅有两个人,由此可见这五十年来蛋白质合成化学翻天覆地的变化。

化学合成在生命科学、药物研发等前沿领域均起着至关重要的作用。随着蛋白质组学和结构生物学的发展,70209余种i蛋白质的晶体结构已被阐明。越来越多的复杂蛋白结构为有机化学家带来了更大的挑战,尽管Stephen Kent发明的非保护化学偶联法(NCL法)在过去20年中已取得了重大突破,但仍还存在很大的限制,如果想合成更多复杂结构的蛋白质,特别是结合固相多肽合成中Fmoc保护基的应用,更为高效的方法还有待开发。清华大学的刘磊教授在解决NCL法中半胱氨酸限制性问题中取得了重要的突破,他最近的一篇论文报道了利用肽末端酰肼化的方法进行化学偶联,这是对NCL法一个有效的补充。随着研究的不断进展,未来关于NCL的改进方法可能会层出不穷。

目前的一个大趋势就是合成化学不断地与其他学科相互促进、融和,从而延生出更多交叉学科。从这一点来看,合成化学需要非常高的科学创造力和洞察力,用以探索合成化学无限的前景和可能性。2001年,Barry Sharpless提出一个富有哲学意味的化学概念——“点击化学”,强调了化学反应正向着高反应速率、高选择性、高官能团和反应条件耐受性的方向发展,从而实现不同反应组分快速、定量的化学反应。作为目前合成化学的前沿之一,“点击化学”为生命科学和材料科学的发展注入了新的活力,已被广泛应用于新药品和新材料的研发,在分子生物学、化学生物学等研究领域也同样有着重要的意义,例如可用于修饰多肽、核苷酸、天然产物和药物分子等,在糖生物化学和其他生物大分子的研究中也有着广阔的应用前景。近期,两篇关于点击化学的重要论文值得一提,其中一篇论文,Carolyn Bertozzi开发了一类无需铜离子催化的AAC反应(叠氮-炔基环加成反应),从而避免了铜离子在生物体系中的毒副作用,而另一篇文章中C. J. Hawker则报道了利用机械-化学的方法实现了点击化学的逆反应。

化学是一个中心学科;合成在化学中处于核心地位

Ryoji Noyori曾提出:“化学是一门中心学科,而有机合成又在在化学学科中扮演着重要角色”。Ronald Breslow则认为:化学作为一门“中心的、有用的、创造性的”科学,在人类的生活、生产中越来越不可或缺,在改善生命质量、提高人类健康水平、促进其他学科发展、解决整体社会问题等各个方面均发挥着重要的作用。上个世纪,与有机合成相关的物质和材料已被证明在决定生活质量方面具有关键作用。尽管化学合成现在已经达到一个相当高的水平,但依然有着巨大的进步空间。在本世纪中,合成化学与材料科学、生命科学等其他领域的交叉融合是其发展的一个必然趋势。如今环境问题日益严重,合成化学更应该追求“绿色”发展。在这样的环境中,原子利用经济性、E-因子、资源的3R原则(节约、回收和再利用)必须在工业合成过程中得到重视。在“绿色化学与可持续化学”理念的指导下,许多绿色环保的化学反应也应运而生,例如交叉脱氢偶联反应、水相有机反应等。与其他学科不同的是,合成化学最卓越的特征是其强大的创造力。合成化学家不仅能够实现自然世界中已有物质的合成,还完全可以创造新物质并预测它们的特性与功能。正是因为能够不断创造具有新结构和新功能的物质,并用于人类的生产生活,合成化学将始终处于核心地位,并占据化学科学的前沿阵地。通过与其他学科的交叉整合,越来越多的新型交叉学科将应运而生,这也会为合成化学提供更多的机遇与发展空间。研究目标的多样化、化学过程的复杂化以及对于新物质结构、功能日益增多的需求,新的化学方法和理论不断被开发出来,这更加为合成化学提供了广阔的发展空间。另外,合成化学的发展也为阐释构效关系提供了便利,并可用于合成结构多样性的并具有优良性能的新物质。合成化学为我们铺平了一条康庄大道,其高度的合成创造性为我们提供了无限的可能性。

2010年诺贝尔化学奖被授予给Richard Heck Ei-ichi NegishiAkira Suzuki,他们对已广泛应用于有机合成中的钯催化交叉偶联反应做出了卓越的贡献。这些反应是现代有机合成化学中用于形成C-C键最重要的方法之一。这些方法对新型药物和材料的开发有着重要的影响,并也已广泛应用于农药、医药和有机材料的工业生产中。同时,金属催化的C-H键活化与官能团化也是一个最为基础却又最富有挑战性的问题之一,这是用以拓展分子复杂性的有效方式之一,并且正在飞速地发展着,而该研究领域也被视为化学界的“圣杯”之一。过渡金属催化的C-H键活化与官能团化反应可以实现烃类化合物的衍生化,并且可以快速构筑新的立体中心和官能团,从而得到具有特殊化学功能的分子(包括药物前体、农药以及精细化学品等)以实现分子多样性的拓展。对于分子初步和进一步的官能团衍生化来说,金属配合物起到了关键的作用。未来的研究可能主要集中在以下三点上:(1)发现新的金属配合物反应活性;(2)开发新型反应模式,实现高效率的C-H官能团化(包括化学选择性,区域选择性以及对映选择性)(3)发现新的成本-效益过程。

2001年诺贝尔化学奖被授予给William S. Knowles Ryoji NoyoriBarry Sharpless,他们在不对称催化领域做出了卓越的贡献。此后十年中,不对称催化的研究经历了迅疾的发展。化学家们开发了众多的新型手性催化剂和不对称反应。而过渡金属催化的不对称转化仍然是这一领域的主流研究内容。相对于已经比较成熟的不对称氢化和不对称氧化反应,在过去十年中不对称催化的C-C键与C-杂原子键形成取得了相当大的进展,但依然存在许多挑战有待解决,例如选择性、反应活性和适用性等。除了金属催化的不对称反应之外,从本世纪初开始有机小分子催化也成为了研究热点和最令人瞩目的领域之一。许多新兴的概念已开始应用于新催化剂和新反应的设计,例如烯胺催化、亚胺催化、胺催化、氢键介导催化、单电子分子轨道 (SOMO)活化、酮催化、相转移催化、亲核催化、碱催化、协同多元催化、多组分串联催化。值得一提的是,有机小分子催化的方法可以通过“一锅法多组分反应”的方式高效、方便地实现分子多样性的拓展,这在药物研发以及药物生产工艺提高等方面均具有重大意义。最近有两个与有机小分子催化相关的实例被报道,其中之一是用于达菲(磷酸奥塞米韦) 的合成——它是一种神经氨酸酶抑制剂,可以用于治疗人类流行性感冒。Yujiro Hayashi使用β-硝基丙烯酸酯作为迈克尔加成受体,通过三个“一锅法”操作(共九步)实现了目标分子的合成;另一个类似的策略则由马大为提出,他选择从(Z)-2-硝基乙烯胺出发,并且仅用了四步就完成了实验(其中三步在一锅之中)。有机小分子催化在这两个例子中均得到了恰到好处的使用。新型活化模式的研究、对活化机制的理解以及新型高催化效率的有机小分子催化剂的开发,是未来有机小分子催化领域的三个发展趋势。金属配合物催化与有机小分子催化的结合也是未来的一个发展方向之一。

“协同催化”这个概念已经成为一个发展成熟并得到普遍认可的催化策略,这发源于自然界中酶催化过程赋予我们的灵感。学用自然界中酶催化原理,如何构筑新的催化体系用于模拟甚至超过酶学反应,这是化学家们所面临的最大挑战之一。目前“协同催化”已经在几个最重要、最基础的化学过程中取得了较大的突破,包括不对称催化、聚合反应、氢气活化和制备等领域。我们完全可以期待“协同催化”这个概念在未来会继续激发有机化学工作者的创造能力,也将会为设计新型化学催化过程提供指导思想。“系统催化”(类似于“系统生物学”),其研究核心旨在设计独立而互不干扰的催化循环,从而完成若干平行、连续的反应。这些反应过程及催化循环的兼容性和协同性在“系统催化”中显得至关重要。一些近期报道的实例明确地指出,这些催化过程具有高度的复杂性,同时也具有合作性、协同性以及系统性。Alan GoldmanMaurice Brookhart使用一种具有钳式配体的铱络合物(主要用于脱氢和氢化反应)和含钼Schrock卡宾(用于烯烃复分解反应)的催化组合,实现了将己烷向更多碳数烃类转化的反应。Robert Grubbs则通过使用一种三元催化剂体系,将端烯转化为伯醇。这样的一个三元催化体系包含了钯催化氧化、酸催化水解以及钌催化还原反应。这其实是一种形式上的端烯反马氏水化反应,正类似于Herbert Brown开发的化学计量的硼氢化反应过程。David Milstein利用与其他金属—配体相结合的钌催化体系,开发了一种温和条件下将CO2还原为甲醇的反应。

在过去的几十年中,有机氟化学也受到了极大的重视,这正是因为氟元素在生物学和高级材料科学中无可替代的重要性。对于含氟有机化合物结构多样性的日益需求,激发了人们对于发展含氟化合物合成方法的动力,正是这些新方法的不断问世,才使得各种高度复杂的含氟化合物合成得以实现。这些方法学涵盖C-F键的生成、三氟甲基化、二氟甲基化和单氟甲基化反应等。这些新试剂、新反应的开发以及对多种转化机制的新认识,都可谓是氟化学研究领域的亮点。有机氟化学的不对称合成、过渡金属有机氟化学以及氟烷基化反应都将是备受瞩目的研究领域。仅2011年一年内,在顶级期刊中关于氟有机化学的报道就超过20篇,其中涉及到各种新型催剂和新反应的开发,我们必须得承认,这个数量是非常惊人的。这些文章多数都与金属有机化学相关,作者们也多次提到了“Pd-CF3键的异常稳定性”,因此通过常规的还原消除方法形成芳基-CF3键是十分困难的。Vladimir GrushinStephen Buchwald各自独立地解决了这一难题,他们都使用了大位阻配体来促进还原消除这一过程。余金权和Melanie Sanford则分别使用了Pd(II)/Pd(IV)催化的氧化诱导芳基-CF3键形成反应来实现这一过程。Melanie Sanford最近又报告了一项关于室温下芳烃三氟甲基化机理的研究。氟化学未来发展的挑战之一就是更多新颖、完善的有机合成方法学还有待开发,通过这些方法学可以在分子中引入各种含氟官能团,在拓展分子多样性的同时还能获得更多具有特种性能的含氟材料。显而易见的是,金属有机化学将在这些方法学的研究过程中起到举足轻重的作用。

超分子化学,即超越分子水平的化学,已经成为化学研究中最重要、最有活力的研究前沿之一,这个概念是由诺贝尔化学奖得主Jean-Marie Lehn1973年首次提出的。人们对于“超分子化学”这一概念的灵感最早可能源自生物大分子,例如蛋白质、脂类以及它们的相互作用。然而,它也具有高度的学科交叉性,因此它不仅吸引了化学家,也吸引了生物学家、环境科学家、工程学家、物理学家、理论学家、数学家,甚至很多其他领域的研究者也都为之着迷。事实上,在过去的20年中,超分子化学已经得到了极大的发展。1987年诺贝尔化学奖颁发给Donald CramJean-Marie LehnCharles Pedersen,他们开发并使用了多种高选择性和结构特异性的分子相互作用体系,这大大促进了超分子化学的发展。超分子化学的概念、原理、方法学和材料都不仅仅局限于化学领域,在生命科学、医药学、材料科学和催化领域均有广泛的应用。超分子聚合物、主客体识别、大环配体化学、有机—无机骨架复合材料以及通过非共价相互作用实现的自组装过程均是超分子化学研究领域的热点问题。相信在未来的研究过程中,超分子化学家们一定还会进一步地将之与其他学科相互促进融合,并同时从其他学科的研究成果中获得更多的灵感。

从合成化学的角度来说,催化是一个使反应过程更为“绿色”的有效方法。开发高效、高选择性、高原子经济性的催化反应,能够使得化学转化过程更为简约、更节省能源,也更为环保。若想达到这样一个理想的终极目标,不仅许多技术问题有待改进,更有很多基础化学的研究工作有待开展。对于化学反应过程及其内在机制的进一步理解,将有助于我们设计更有效的化学反应并理解其为何能进行又是如何进行的。计算化学在化学反应机制的研究中起到重要作用,并给有机化学的发展也带来了巨大影响。计算化学在化学研究领域中具有指导性的角色,通过计算化学与实验化学的相结合,我们可以更有目的性地设计新的催化剂和新反应。最近Matthew Sigman结合立体效应和电子效应,开发了一种三维自由能相关算法,用于设计和优化不对称酮基炔丙基化反应中的配体。我们可以期待计算化学将成为二十一世纪绝大多数有机合成化学实验室中不可或缺的手段之一。因此,chemistry(化学)一词可以巧妙地被余志祥等拆成“chem is try”(化学即尝试),而这样的尝试则可以通过计算和实验相结合的方式来完成,有机化学的研究也将如此。在过去的十年中,已报道了大量有机反应机制的研究成果,这些成功的实例主要集中在钯催化的C-C键和C-N键形成反应以及空气氧化的反应等。通过实验方法可以有效地研究反应机理,主要手段包括动力学研究、反应中间体分离、利用X射线衍射进行结构测定或利用原位谱学方法研究立体效应与电子效应对可能中间体的影响,以及溶剂效应和盐效应对于反应过程的影响等。通过逐步地对与反应机理的认识,我们可以去发现和设计更好的化学过程。

化学——满足人类急迫的需求

我们经常保留这样一个观点:“化学是一门中心的、有用的并且富有创造力的科学。”身为化学家的我们,有责任承担起为社会造福的义务。Richard Smalley曾经提及10点人类发展所面临的迫切需求,而其中排名第一的就是能源问题。太阳能是最为重要的一种可再生能源。太阳能转化材料的设计、合成及应用是有机化学最为感兴趣的研究热点之一,而在有机光伏器件以及本体异质结(BHJ)聚合物太阳能电池的研究领域已经取得了相当大的进展。BHJ聚合物太阳能电池是一类新理念,在过去的二十年中才开始逐渐进入人们的视野。Ching Tang在该领域中做出了开创性的贡献;Alan Heeger及其合作者们也在《Science》杂志中发表了相关论文,并被视为是这一新兴领域的里程碑式工作。而有机化学在BHJ聚合物太阳能电池的研发过程中起到了不可或缺的作用:在构筑给体聚合物的过程中使用了金属催化偶联反应;富勒烯的衍生物被用于制造受体原件;通过计算化学预测给体—受体交界面的激子离解;扩大吸收光谱范围以便与太阳光相匹配;利用活性聚合来制备嵌段聚合物等等。当然,若想成功研制实用、大面积、高能量转换效率(PCE)、稳定而又低成本的BHJ设备,仅仅靠有机化学家的工作是不够的,这还需要高分子科学家、物理学家、电子工程师和其他领域研究者的共同努力才能够实现。科研工作者们希望最终得以商业用途的BHJ太阳电池的功率转换效率可以达到10%,而截止到2010年已有功率转换效率达到了7.4%BHJ聚合物材料问世,这距离PCE 达到10%的最终目标已经只有一步之遥了。

有机π-共轭化合物目前已被广泛地应用于有机半导体和有机光伏材料中。此类化合物不仅在能源问题上起到重要作用,也是制备发光二极管(LED)和晶体管的重要材料之一。多种共轭有机分子可以用于作为光伏器件中的P型或n型半导体材料。关于有机π-共轭化合物的发展方向主要集中在以下三个方面:(1)开发在空气中稳定、具有高迁移率、可用溶液法加工的n型有机半导体材料;(2)构筑新型三维小分子;(3)开发含杂原子的共轭分子体系(除了S Se N B这些常用杂原子外,还可以使用Si甚至是金属原子)。这三个方向是有机化学家和材料科学家都感兴趣的挑战项目,并为我们提供了很大的想象、设计和合成的空间。

二氧化碳具有一定的温室气体特征并且在大气中逐步储蓄积累,它被视为目前地球环境恶化的元凶之一。据预测,在2030年以前,全世界范围内至少80-85%能源还将由含碳的化石燃料来提供。如今,对二氧化碳气体产生和排放的控制是科学界和工业世界共同面临的核心问题;许多处理方法也陆续地提出。在化学家看来,将二氧化碳在化学反应过程中转化为另一种化学品会是一种降低其排放量的方法,然而在这些途径中的有限使用却不能解决大气中二氧化碳已经千亿吨级集聚的问题。另外,值得注意的还有,通过化学品产生的二氧化碳仅占其总排放量的10%,而其余的90%均来源于能量获取过程(例如火力发电站等)。因此,如果能够开发一种可将二氧化碳转化为能量丰富产品(即燃料)的高效技术,那么大量的二氧化碳将有望被转化为有用的产品。这项技术的研发成功将会使化学品生产和能源生产工艺同时迈出重要的一步:甚至可能会实现接近零的碳排放水平。化学家们在将二氧化碳转化为有用产品的这一研究方向上付出了巨大的努力,而金属有机催化仍然在其中占有核心的地位。Kyoko Nozaki和他的合作者们最近报告了一例通过对二氧化碳氢化来制备甲酸的反应,他们通过使用一种具有钳式配体的铱络合物,使得该反应的转化数达到了惊人的3.5 × 106,这样的一个催化效率在均相催化反应中位列前三甲。甲酸是一种具有潜力的能源物质,并可能成为储氢材料。在这样的指导思想下,Matthias Beller报告了一类高效的甲酸脱氢反应,他使用Fe(BF4)2作为含铁催化剂,并配合使用了一种膦配体,该反应的催化效率也相当高,其转化数高达92000

众所周知,有机高分子材料对于人类生活的改善起到了重要作用。石油化学工业在规模生产的容量上已经超过了钢铁工业。二十世纪七十年代的经济繁荣很大程度上归功于聚烯烃的生产,而聚烯烃的大规模生产则又是由Ziegler-Natta催化剂催生而来的。由Kaminsky开发的茂金属催化剂一经问世便引起了巨大震动,这正是因为其极高的反应活性和为烯烃聚合物量身定做的性能。茂金属催化的特点是单中心的催化位点,可以通过修改茂金属催化剂中有机配体的部分来控制烯烃的聚合。由此可以联想到,通过对于金属中心的筛选和有机配体的置换,我们将得到具有不同特性的烯烃聚合催化体系。于是Maurice BrookhardtVernon Gibson各自独立开发了高效烯烃聚合催化剂,并将金属络合物的金属中心向后过渡金属(Ni Fe Co)转移,而能获得成功的原因主要源于大位阻配体的设计和运用。从此以后,对于催化烯烃聚合反应的研究风起云涌,迅速蔓延到学术界和工业机构,化学家们也开始寻找不含茂金属的烯烃聚合催化剂。而使用的金属也开始覆盖整个过渡金属周期:从前过渡金属到后过渡金属。利用后过渡金属的一个例子就是一类用于催化烯烃与含氧单体,如醇、酯的共聚的镍络合催化剂,它可以较好地耐受含氧官能团。Robert GrubbsMaurice Brookhart各自的工作还揭示了与前过渡金属相比后过渡金属具有更低的亲氧性和更高的杂原子耐受性。而管志彬则构想出了一个使用Pd-α-二亚胺络合物作为催化体系的新策略,用以控制聚合物的拓扑结构。他尝试调控聚合的链增长过程和链转移(链步移)过程,同时发现乙烯气体的压力可以控制这两个过程的竞争,从而实现从直链聚乙烯到超支链聚乙烯的拓扑结构转变。而关于前过渡金属催化的例子,Terunori Fujita及其在三井化学公司的同事们开发了一种使用前过渡金属的FI催化体系。随着各种特殊属性聚乙烯的合成、FI催化体系的使用以及在该领域中众多其他小组的研究成果,我们相信Fujita所说的“烯烃聚合新时代的大门”已经开始打开,更多的新型聚烯烃将迅速面世。虽然聚烯烃是世界上最常见的合成聚合物之一,它们的单体看上去也是最为简单的。甚至有些人认为对烯烃聚合进一步探究的空间已不太大。但是,最近却报道了不少新型聚烯烃的发现,其中之一就是陶氏化学公司提出的“嵌段烯烃共聚物”。以简单的烯烃为原料来合成嵌段烯烃共聚物曾长期以来被认为是一个难点。陶氏化学公司的研发者们通过使用一种精巧、复杂的链穿梭过程达成了这一目标。这些嵌段共聚物具有高熔点和低玻璃化转变温度,更可贵的是这类聚合物在高温下依然保持着优良的弹性。第二个例子是由Nova化学公司开发的一种名为SURPASS辛烯共聚物,这种聚合物有着良好的机械强度和可加工性,主要用于吹塑薄膜。第三个例子是Sanjay Rastogi2010年报告的一种具有超高分子量的聚乙烯(UHMWPE),是利用全氟代的FI催化剂在低温下制备得到的,通过表征发现其主链是非缠绕的而且在高达10000个的碳原子数中不存在支链。上海有机化学研究所的唐勇也于2010年报道了一类高线性(<1 branch/100000)的超高分子量聚乙烯,他们则是通过使用一种单中心的ZieglerNatta催化剂制备成功的。值得一提的是,以上两个实验室各自独立开发的UHMWPE材料都很容易进行加工处理,而这个特性必将大大拓展其应用范围。另外,唐勇团队开发的 [O-N X]三齿催化剂是一类多功能催化剂,在乙烯均聚反应、乙烯与α-烯烃共聚反应、乙烯与含官能团烯烃的共聚反应等方面均表现出色。此类催化剂的多功能性、热稳定性以及制备的简易性都将是其进入工业生产线的有利条件。

结束语:更好的化学,更好的生活

由于篇幅所限,我们无法将有机化学各个方面的进展面面俱到地评述。实际上还有很多我们没有提到的有机化学研究方向正在如火如荼地进行着,例如对于micro RNA的研究、利用可再生原料实现大宗化学品和精细化学品的生产、烯烃复分解反应的最新进展等等。当化学家们对物质的功能给予更多关注时,这些引人注目的功能就应该是用于服务社会的。对于材料科学来说,材料的物理性质(包括导电性能、半导体性能、超导性能、场效应、非线性光学性能、热致变色效应等等)就是最值得关注的话题。而对于生物学家来说,涉及到健康、医药、农药、各种临床诊断试剂和作物生产的问题都有待关注。作为一名化学家,我们则应该为化学的中心科学位置、实用性和创造性而自傲。

我们借用复旦大学杨玉良教授的一句话作为本文的结语:“更好的化学,更好的生活”。这句话戏仿了2010年上海世博会的口号:“更好的城市,更好的生活”。当然,不是每个城市都可以给予其市民更好的生活,只有不断进步的城市才有此能力。化学亦是如此,一次爆炸、一次火灾,或者一个河流污染事件都会降低化学在大众心中的可信度。因此,化学家和化学工程师在本世纪中负有重大的责任,我们要把化学工业彻彻底底地打造成一个绿色的产业。不可以再危及化工厂附近生活的人们,也更不能吓跑可能立志选择化学研究作为终身事业的学生。太阳能光电池固然是绿色能源,但生产太阳能光电池的过程仍然可能造成重大污染。就此而论,我们更应该从全局出发来考虑问题。

“更好的化学”是一种能够全面达到绿色环保标准的化学,是一种高产率、高选择性、高效率、零(或少)副产物、源于绿色可再生原料并具低能耗特征的化学。

在今天,有机化学在飞速发展的同时也仍然面临着种种严峻的考验。Ronald Breslow在也曾列出了诸多方面对化学的挑战。让我们努力作出更好的化学,为解决这些挑战、为满足人类各方面的需求而不懈奋斗。

 

 


[1]*本文编译自《Organic Chemistry – Breakthroughs and Perspectives(Wiley-VCH 2012年出版,丁奎岭、戴立信主编)一书中的导言,已分为上、下两章发表在《世界科学》杂志的10月和11月刊

 


[i]译者注:本文在原书中列有34篇文献,限于篇幅未能列出,但尽力列入人名或加入引号。

       部分数据统计结果截止至2011年,最近可能略有变动。

 



https://blog.sciencenet.cn/blog-586566-743523.html

上一篇:何谓“科学”?
下一篇:抗生素与我们的生活

7 左宋林 徐满才 梁洪泽 刘进平 林中祥 biofans shgrs

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-1-22 05:43

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部