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    2005年諾貝爾化學獎──分子之舞

    2005年諾貝爾化學獎──分子之舞
    林冠銘 中山大學化學系
    梁蘭昌 中山大學化學系



    碳是一個相當特別的元素,它可以和碳或其他元素,例如氫、氧、氮等,產生很穩定的鍵結,而形成長鏈狀或環狀結構的分子,這類以碳為基礎所組成的分子統稱為「有機物質」。除了金屬製品以外,人們日常生活中所用的物品大都是有機物,舉例來說,衣服、燃油、藥物、塑膠製品等等,不勝枚舉。在科技發達的今日,有效率地使碳-碳之間產生鍵結以製造出人類所需的各種物品,一直是學界與業界研究的熱門課題。

    在諾貝爾獎的歷史舞台上,有關「碳-碳鍵化學」的議題對我們並不陌生。例如,1950 年代的齊格勒(Karl Ziegler)及納塔(Giulio Natta)兩位化學家,發現以金屬觸媒催化烯類化合物的聚合反應,藉由有效率的碳-碳鍵生成反應,使得塑膠製品得以低成本地大量生產。另外,諾里斯(William S. Knowles)、野依良治(Ryoji Noyori)及夏普利斯(K. Barry Sharpless)三位化學家藉由不對稱催化反應,針對碳-碳雙鍵進行氧化或氫化,不僅對有機合成的發展有很大的幫助,同時也為開發治療心臟疾病和帕金森氏症的藥物鋪平道路。這些化學家都因卓越的貢獻,而分別於 1963 年及 2001 年榮獲諾貝爾化學獎的桂冠。2005 年「催化碳-碳鍵生成反應」再度登上諾貝爾獎舞臺,並向全世界展現一段有趣且重要的分子之舞。

    2005 年 10 月 5 日瑞典皇家科學院公布,由法國科學家蕭文(Yves Chauvin)、美國科學家葛拉布茲(Robert H. Grubbs)和美國科學家施洛克(Richard R. Schrock)共享諾貝爾化學獎的殊榮,以表彰他們「發展烯烴複分解」以及「發明實用的金屬催化劑」在有機合成反應中的革命性貢獻。

    其中,最年長的是蕭文,生於 1930 年,現任法國杜佩特羅研究院院長。1971 年他提出一套嶄新的理論來解釋烯烴複分解的反應機構,並提出何種金屬錯合物適合做為催化劑。蕭文的理論一提出,立即獲得學界熱烈的迴響,化學家們開始試著循他的概念發展有效的催化劑。另外兩位得獎的美國化學家利用各自合成的高效率催化劑,催化烯烴複分解反應,在 1990 年代確定了蕭文理論的正確性。

    現年60歲的施洛克生於 1945 年,1971 年取得哈佛大學化學博士學位,現任美國麻省理工學院化學系教授,是美國國家科學學院及美國藝術與科學學院的院士。他成名甚早,是第一個合成出金屬亞烷基錯合物的化學家,當時他還不到 30 歲,是位天才型的研究者。1990 年,他首度證實金屬亞烷基錯合物可以作為高效率催化烯烴複分解的催化劑,為蕭文的理論提供強有力的證據。

    另一位得獎者葛拉布茲,生於 1942 年,1968 年在美國哥倫比亞大學獲得化學博士學位,現任加州理工學院化學系的教授,也是美國國家科學學院的院士。他在施洛克發表了金屬亞烷基催化劑後的第二年,也發表了新的催化劑,因其具有在空氣中穩定且應用廣泛的優點,和施洛克的催化劑相比互有千秋。由於三位科學家的傑出貢獻,使得藥物與塑膠材料的發展有長足的進步,為人類帶來更文明的生活。

    在探討烯烴複分解反應之前,得先了解催化劑的意義。在反應中,催化劑藉由改變反應途徑,降低反應所需克服的能量障礙,以達到節省反應時間及操作成本的目的。2005 年的三位諾貝爾獎得主的主要貢獻,就是發展出一套高效率的催化劑,促使合成化學家有效地改變合成策略,使得原本需要眾多繁瑣步驟的反應能一步完成,而達到高效率低成本的目的。

    何謂「烯烴複分解」(olefin metathesis)反應?當兩個碳原子之間是以雙鍵鍵結就稱為「烯」類(olefin),例如乙烯(CH2 = CH2)。而 metathesis 是由希臘字衍生而來的複合字,可把它拆解成兩部分來解釋其意義,「meta」是指「改變」的意思,「thesis」則是「位置」的意思;因此 metathesis 就是改變位置的意思。換句話說,就是兩個物體的其中某一部分產生了互換(置換)。而所謂的烯烴複分解反應,是指在一個可逆反應中,利用金屬亞烷基錯合物的催化作用,可使某一烯類分子 A = B 中的 A 原子團和另一個烯類分子 A = B 中的 B 原子團進行交換,產生兩個新的烯類分子 A = A 和 B = B。

    早在 1950 年代,化工學者就已經觀察到烯烴複分解反應,但是經過將近 20 年的研究,科學家還是無法得知它的確切反應機制,當時的科學家甚至戲稱這個反應是鍊金術的一支!直到 1971 年,蕭文提出一套全新的假設解釋烯烴複分解的反應機制。

    在蕭文提出這套理論之後,不僅完整且合理地解釋所有的實驗結果,也為未來的研究之路給了一個明確的方向。對當時的化學家來說,蕭文理論的發表就像定出菜單一樣,他們開始按照這個菜單去嘗試,只要能合成出穩定的金屬亞烷基錯合物做為催化劑,便有機會使烯烴複分解反應成為有機合成技術中極為重要的一環。從此以後,這類研究一直相當活躍,不曾間斷。

    經過多年的研究,蕭文的反應機制雖已被學界廣泛接受,但是穩定的催化劑卻一直無法研發成功。1974 年,施洛克合成出第一個穩定的金屬亞烷基錯合物 [Ta(CH2C(CH3)3)3(= CHC(CH3)3)],一舉成名,但因為穩定性太好,以至於無法催化烯烴複分解反應。直到 1980 年,施洛克及其研究團隊在麻省理工學院發表了第一個可以有效催化順-2-戊烯(cis-2-pentene)置換反應的催化劑 [TaCl(P(CH3)3)(OC(CH3)3)2(= CHC(CH3)3)]。

    也由於這個成功的例子,顯示了有效催化劑應該具備的條件,以致能在 1990 年成功地發展出一系列鉬(Mo)、鎢(W)的金屬亞烷基錯合物。這些催化劑對烯類置換反應具有高度催化活性,已被廣泛使用,並且可由化學藥廠購得,廣為其他化學家所採用。其中以鉬為中心金屬的亞烷基錯合物,具有出色的催化活性,化學界為了表彰施洛克傑出的成就便以「施洛克催化劑」為名,從此聞名於世。

    施洛克催化劑發表後第二年的春天(1992 年),加州理工學院的葛拉布茲及其團隊發表了新的催化劑,替烯烴複分解反應帶來另一項重大的突破。葛拉布茲發展了一個全新的以釕(Ru)為中心金屬的金屬亞烷基錯合物 [RuCl2(PR3)(= CH-CH = CPh2)],其中 R 代表苯基(Ph),且發現若把 R 換成環己烷基可增加催化活性。這類催化劑不僅能催化烯類的複分解,在空氣中也有較好的穩定性,且可在以水及醇類為溶劑的條件下反應,使其在應用上更為廣泛,也因為操作更為簡便,普遍受到化學家的喜愛。

    1995年,葛拉布茲團隊發展出另一以釕為中心金屬的亞烷基錯合物 [Ru(= CHPh)Cl2(PR3)2],其中 R 代表苯基或環己烷基(Cy),著名的第一代葛拉布茲催化劑就此誕生。持續的研究工作,使得反應性更優秀的新一代催化劑也在 1999 年問世。

    施洛克催化劑和葛拉布茲催化劑問世後,立即被廣泛地運用在有機分子、藥物、高分子的合成領域中。比較起來,施洛克催化劑具有較高的催化效率,葛拉布茲催化劑則是對反應條件有較佳的適應性,兩者效能各有所長、互有千秋,好比飛機的雙翼一般,缺一不可,迄今兩者仍是各個合成研究領域中重要的關鍵試劑之一。

    三位諾貝爾獎得主的重大貢獻,在於烯烴複分解反應理論的確立,以及高效率催化劑的研發,共同為人類文明生活帶來重大的變革。從施洛克催化劑問世至今不過16餘年,但這類催化劑在各個產業上的應用成效無不令人激賞。具體產出的商品種類繁多,例如除草劑、聚合物及燃油添加劑、藥物、特殊性質的塑料材料,甚至昆蟲費洛蒙等,都因為催化劑的有效開發而使合成的工作更經濟、更具效率。

    舉昆蟲費洛蒙作為烯烴複分解反應在日常生活中實際應用的例子;經由蚊蟲散播的西尼羅河病毒(West Nile Virus)是美國重大傳染病之一,於 1999 年在紐約首度發現後,不久就散布全美,每年都造成多人感染死亡。根據美國疾病管制局(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)統計,2005年總計有 3000 人感染,119 人死亡。如果我們能夠利用人工合成的昆蟲費洛蒙干擾病媒蚊的繁衍模式或周期,就可以有效控制其數量,進而抑制病毒的傳播。另一方面,費洛蒙不只能應用在傳染病防制,在農業病蟲害防制上也是一大主力。傳統合成費洛蒙相當昂貴且耗時,相當的不經濟;而在催化劑問世後,合成所需耗費的成本大為降低,合成效率也大為提升,每年產量甚至可高達二公噸。

    事實上,全世界大部分的疾病,例如細菌感染、C型肝炎、癌症、阿茲海默氏症、唐氏症、骨質疏鬆、風濕、發炎、各式纖維症、愛滋病和偏頭痛等,所需的治療藥劑都可能透過烯烴複分解反應而取得。對製藥工業來說,過去需要數個步驟才能合成的藥物,透過金屬亞烷基催化劑催化烯烴複分解反應,可大為簡化合成手續,同時可降低成本,提升產量及合成效率,並減少有害廢料的產生。如此不僅使得用藥成本降低,讓更多人能享受醫藥資源,並可避免藥物使用出現供不應求的狀況,這對人類文明的貢獻是相當重要的。

    另一方面,有別於傳統製藥操作過程所衍生的大量有害副產物,烯烴複分解催化反應的副產物是烯類,是石化工業的一個重要原料,可回收再利用,使得在科技文明發展的同時還可兼顧環境的保護,這對地球的環保是相當正面的。

    在材料工業方面,透過設計所得到的不同性質的催化劑,可以精準地控制高分子聚合物的結構,並把這材料應用在各種不同的產品製造上。例如利用烯烴複分解反應催化聚合而成的聚雙環戊二烯聚合樹脂,是相當好的防彈材料,1.5 英寸厚就可以擋住九毫米子彈的高速撞擊,而不會被穿透。另外,利用冰片烯(norbornene)進行開環複分解聚合反應,聚合而成的高分子共聚物是汽車保險桿常用的材料。

    其他諸如光碟片等具有記憶性的材質、非線性光學材料、LED 顯示器的發光材料等生活上相當熟悉的產品,都可應用這項技術研發而成,它的重要性自然不言可喻。因此,三位化學家不僅為學術研究開闢新的方向,同時也在製藥或材料產業上提供了更有效、更簡單且更乾淨的技術,實為一造福人類的綠色化學!


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