2010年諾貝爾化學獎-打造複雜有機分子

今年諾貝爾化學獎由美國德拉瓦大學的Richard Heck、美國普渡大學的岸根英一、北海道大學的鈴木章三人同得,三位學者研究鈀催化的交叉耦合,發現了更新的、更有效的方式連接碳原子,並藉此合成複雜的有機分子,可以應用在改善藥品和電子工業的生產。

瑞典皇家科學院表示,這三位學者在有機合成領域的貢獻廣泛應用於製藥、電子工業和先進材料,可以使人類造出複雜的有機分子。

From:SciScape

Richard F. Heck目前在美國德拉瓦大學擔任化學教授,現年79歲,以發現「赫克反應」著名;根岸英一為日籍學者,現年75歲,目前為美國普渡大學的教授,以發現「根岸反應」聞名;鈴木章是日本北海道大學榮譽教授,現年80歲,為日本著名的化學家以發現「鈴木反應」聞名。

鈴木和根岸成為日本第17位和第18位諾貝爾獎得主。日本的諾貝爾化學獎得主繼前年的下村脩之後共達七名。

瑞典皇家科學院諾貝爾頒獎委員會表示,鈀催化的交叉偶聯是今天的化學家所擁有的最為先進的工具之一。這種化學工具極大地提高了化學家們創造先進化學物質的可能性,例如,創造和天然分子本身一樣複雜程度的有機分子。

為了創造複雜的有機化學物質,有機化學家需要能夠將碳原子聯接在一起。不過,碳是穩定的,碳原子之間並不能夠輕易發生反應。因此,科學家們將碳原子聯系在一起的初始方法就是基於使碳更為活躍的技術。這樣的方法在創造簡單的有機分子時起有不錯的成效,但是在對更為復雜的分子進行合成時,有機化學家會在他們的試管裡得到了太多並不需要的副產品。

鈀催化的交叉偶聯解決了這一問題,為有機化學家們提供了一個更為精確和更為有效的工具。在赫克反應、根岸反應和鈴木反應中,碳原子遇到了鈀原子,它們之間的接近啟動了化學反應。

鈀催化的交叉偶聯被用於各種研究工作,也被用於制藥等商業生產、制造供電子產業使用的分子。

Richard F. Heck(1937 -)於1931年生於美國麻薩諸塞州春田市。1952年和1954年,分別在加州大學洛杉磯分校取得理學學士和博士學位,指導教授是化學家Saul Winstein。完成博士後之後,他前往蘇黎世聯邦理工學院,不久後又回到加州大學洛杉磯分校。1957年,他開始在位於威爾明頓的赫克力士公司(Hercules)工作。在那裡期間,他的研究屢出成果,使得他在1971年進入德拉瓦州大學的化學與生物化學系就職。他在德拉瓦大學一直工作到1989年退休。

Heck對現今稱為赫克反應〔Heck reaction,亦稱溝呂木-赫克反應(Mizoroki-Heck Reactions)〕的研究,始於他20世紀60年代晚期,對芳基汞化合物與烯烴在鈀催化下的偶聯反應的研究。

赫克反應是由一個不飽和鹵代烴(或三氟甲磺酸酯)和一個烯烴在強鹼和鈀催化下生成取代烯烴的一個反應。原料鹵代烴或三氟甲磺酸酯中的R基可以是芳基、苄基或乙烯基。烯烴的雙鍵碳必須連有氫,且烯烴通常為缺電子烯烴,如丙烯酸酯或丙烯腈。鈀催化劑可以是四(三苯基膦)合鈀(0)、氯化鈀(II)或乙酸鈀(II)。鹼可以是三乙胺、碳酸鉀或乙酸鈉。

當時,Heck將研究發現刊登在《美國化學會刊》(Journal of the American Chemical Society)上,發表了連號的七篇論文章,這些論文的作者卻只有他一位。

70年代早期,日本化學家溝呂木勉和Heck各自報導了使用毒性較低的芳鹵作為偶聯底物的反應。Heck在此發現後,不斷對反應條件進行研究,試圖優化反應,將其發展為有機合成中有實際且重要用途的合成方法。

赫克反應自發現開始,其在有機合成中的重要性便迅速增長。1982年,Heck在期刊《有機反應》(Organic Reactions)上僅用45頁,便可總結當時赫克反應的應用實例。但是到2002年,發表在《有機反應》期刊上,僅與分子內赫克反應相關的文章,就已達377頁。現今,赫克反應是有機合成中構建碳-碳鍵的常用方法之一。對於該反應,文獻中有多篇評論論文。

赫克反應成為其他日後發現的眾多鈀催化偶聯反應的基礎,這些反應包括芳鹵與烷基硼酸間的鈴木-宮浦偶聯反應(Suzuki-Miyaura coupling)、使用有機錫的施蒂勒偶聯反應(Stille coupling)、使用有機鎂的熊田偶聯反應(Kumada-Corriu coupling)、使用矽烷的檜山偶聯反應(Hiyama coupling)、利用有機鋅的根岸偶聯反應(Negishi coupling),以及以醇和胺為底物的反應等。這些鈀催化的偶聯反應是目前有機合成和工業生產中常用的合成方法。

曾被赫克研究的一個以炔烴為底物的偶聯反應,1975年被日本化學家薗頭健吉研究,後者在反應液中加入亞銅鹽以改進反應產率,取得較好的成果。這一偶聯反應現稱為薗頭偶聯反應(Sonogashira coupling),亦是有機合成重要技術之一。將熒光染劑與DNA鹼基偶聯時用到的就是該反應,而且是自動DNA定序和人類基因體定序時不可或缺的。

除發現鹵代烴可通過與鈀(0)氧化加成而活化外,Heck也是首位對π-烯丙金屬絡合物進行結構分析和首位解釋烯烴氫甲醯化機理的化學家。氫甲醯化反應現在用於製取各類醇、醛,每年產量價值高達七千億台幣。

Heck在1989年從德拉瓦州大學退休後,仍為那裡的化學與生物化學系名譽教授。德拉瓦州大學自2004年起,也把一個講席以Heck的名字命名。2006年,Heck榮獲Herbert C. Brown創新合成方法研究獎(Herbert C. Brown Award for Creative Research in Synthetic Methods)。

鈴木章(1930 -)是日本化學家,在北海道大學名譽教授。北海道鵡川町出生。

苫小牧高等學校(現在的北海道苫小牧東高等學校)畢業後,他畢業於北海道大學理學部,1959開始在北海道大學攻讀化學博士學位,於1960年取得理學博士學位,1961開始擔任北海道大學工學部助教授,1973年升任北海道大學工程部教授。他在北海道大學的理學部和工學部各服務了兩年半和32年半。

他發現鈴木-宮浦反應(Suzuki-Miyaura reaction),是一個較新的有機偶聯反應,零價鈀配合物催化下,芳基或烯基硼酸或硼酸酯與氯、溴、碘代芳烴或烯烴發生交叉偶聯。該反應由鈴木章在1979年首先報導,在有機合成中的用途很廣,具強的底物適應性及官能團容忍性,常用於合成多烯烴、苯乙烯和聯苯的衍生物,從而應用於眾多天然產物、有機材料的合成中。

鈴木章在1994年開始成為北海道大學退休名譽教授、岡山理科大學教授、倉敷藝術科學大學教授,在2002年退休。

根岸英一(1935 – )是日本化學家。目前是美國普渡大學教授。 根岸英一於1935年出生於中國吉林省長春市。他於 1958年畢業於東京大學工學部應用化學系。1963年在美國賓州大學取得博士學位,1966年在美國普渡大學擔任博士後研究員。1968年開始在美國普渡大學擔任助理教授。1972年開始雪城大學擔任助理教授。1979年升任教授。1979年回到美國普渡大學任教。

根岸英一發現根岸偶聯反應(Negishi coupling)。反應中,有機鋅試劑(organozinc compound)與鹵代烴在鎳或鈀的配合物的催化下發生偶聯,生成一根新的碳-碳鍵。

根岸偶聯反應在最近應用在多個合成中,包括從2-溴吡啶合成2,2′-聯吡啶(所用的催化劑為四(三苯基膦)合鈀(0)(tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0)),從鄰甲苯基氯化鋅和鄰位取代的碘苯〔仍以四(三苯基膦)合鈀(0)作催化劑)合成聯苯衍生物,以及從1-癸炔與(Z)-1-碘-1-己烯合成5,7-十六碳二烯。

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