2005年諾貝爾化學獎:烯烴復分解

　　瑞典皇家科學院10月5日宣布，將2005年諾貝爾化學獎授予三位有機化學家——法國學者伊夫·肖萬（YvesChauvin）和美國學者理查德·施羅克（RichardR.Schroch）、羅伯特·格拉布（RobertH.Grubbs），以表彰他們在烯烴復分解反應研究方面做出的貢獻。烯烴復分解反應是有機化學中最重要也是最有用的反應之一，在當今世界已被廣泛應用于化學工業(yè)，尤其是在制藥業(yè)和塑料工業(yè)中。

　　肖萬生于1930年，從事有機物合成轉(zhuǎn)換方面的研究長達30年之久，目前在法國石油研究所擔任名譽所長的職務。

　　讓原子交換“舞伴”

　　碳（C12）是地球生命的核心元素，地球上的所有有機物質(zhì)都含有它。碳元素通常以單質(zhì)、化合物和晶體態(tài)即“富勒烯”（巴基球）的形式存在。碳原子能以不同的方式與多種原子連接，形成小到幾個原子、大到上百萬個原子的分子。這種獨特的多樣性奠定了生命的基礎，它也是與人類生命密切相關的學科——有機化學的核心。

　　地球上的所有生命都是以這些碳化合物為基礎形成的。原子之間的聯(lián)系稱為鍵，一個碳原子可以通過單鍵、雙鍵或三鍵方式與其他原子連接。碳原子可形成長的鍵條和鏈環(huán)，將氫和氧等原子纏繞固定在一起，形成雙原子化學分子，又稱為雙重束縛。有著碳－碳雙鍵的鏈狀有機分子稱為烯烴。在烯烴分子里，兩個碳原子就像雙人舞的舞伴一樣，拉著雙手在跳舞。今年諾貝爾化學獎的三位獲得者，獲獎的原因就是他們弄清了如何指揮烯烴分子交換“舞伴”，將分子部件重新組合成別的性能更優(yōu)的物質(zhì)。這個比喻在英文即為“換位”（matathesis）。在換位反應中，雙原子分子可以在碳原子的作用下斷裂，從而使原來的原子組改變位置。然而，換位過程需要靠某些特殊化學催化劑的幫助才能完成。這種換位合成法就是烯烴復分解反應，被諾貝爾化學獎評委會主席佩爾·阿爾伯格幽默地比喻為“交換舞伴的舞蹈”。這位主席在宣布化學獎獲得者儀式上親自走向講臺，邀請身邊的皇家科學院的兩位男教授和兩位女工作人員一起，在會場中央為大家表演了烯烴復分解反應的含義。最初兩位男士是一對舞伴，兩位女士是一對舞伴，在“加催化劑”的喊聲中，他們交叉換位，轉(zhuǎn)換為兩對男女舞伴。這種對“有機合成中復分解方法”的形象解讀，引起了在場人士的愜意笑聲。

　　1970年，法國學者伊夫·肖萬破譯了這個人類的“有機化學之謎”。斯年，肖萬和他的學生歷經(jīng)多年的艱苦攻研發(fā)表了一篇論文，闡明了復分解即換位反應的原理和反應中所需的金屬復合物催化劑，提出烯烴復分解反應中催化劑應當是金屬卡賓。卡賓為英文Carbon譯音，即“碳”的譯文。肖萬的論文還詳細解釋了催化劑擔當中間人、幫助烯烴分子“交換舞伴”的過程。斯時，這位有機化學大師開出了換位合成法的“處方”，為開發(fā)實際應用的催化劑奠定了理論基礎并指明了研究方向。

　　金屬卡賓是指一類有機分子，其中一個碳原子與一個金屬原子以雙鍵相連接，它們可以看作一對拉著雙手的舞伴。在與烯烴分子相遇后，兩對舞伴會暫時組合起來，手拉手跳起四人舞蹈。隨后它們“交換舞伴”，組合成兩個新分子，其中一個是新的烯烴分子，另一個是金屬原子和它的新舞伴。后者繼續(xù)尋找下一個烯烴分子，再次“交換舞伴”。

　　這個理論提出后，越來越多的化學家意識到，烯烴復分解反應在有機合成方面有著巨大的應用前景，但對催化劑的要求很高，找尋及開發(fā)絕非易事。到底含有什么金屬元素的卡賓化合物最理想呢？在開發(fā)實用的催化劑方面，做出最大貢獻的是2005年的另兩位諾貝爾化學獎獲得者。

　　1990年，理查德·施羅克成為世界上第一個生產(chǎn)出可有效用于換位合成法中的金屬化合物催化劑的科學家。斯年，施羅克和他的合作者報告說，金屬鉬的卡賓化合物可以作為非常有效的烯烴復分解催化劑。這個成果顯示，烯烴復分解法可以取代許多傳統(tǒng)的有機合成方法，并用于合成新型的有機分子。

　　1992年，羅伯特·格拉布發(fā)現(xiàn)了金屬釕的卡賓化合物也能作為換位合成法中的金屬化合物催化劑，這種催化劑在空氣中很穩(wěn)定，因此在實際生活中有多種用途。此后，格拉布又對釕催化劑作了改進，使這種“格拉布催化劑”成為第一種化學工業(yè)普遍使用的烯烴復分解催化劑，并成為檢驗新型催化劑性能的標準。

　　諾貝爾化學獎評委會在授予這三位科學家諾貝爾化學獎的文告中肯言道：烯烴復分解反應即換位合成法是“研究碳原子之間的化學聯(lián)系是如何建立和分解的，是一種產(chǎn)生化學反應的關鍵方法。簡言之，是在有機合成復分解方面的發(fā)現(xiàn)，即闡明化學鍵在碳原子間是如何形成的，使他們最終戴上了2005年諾貝爾化學獎的桂冠。