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2005年10月5日，今年的諾貝爾化學獎塵埃落定。法國化學家伊夫·肖萬、美國化學家羅伯特·格拉布和理查德·施羅克三人分享了這一殊榮。

談及此次獲獎成果，中國科學院金屬有機化學國家重點實驗室主任麻生明研究員說：“化學界對這一研究的重要意義非常認可。我們的一些研究人員總是希望'大而全’，但是看看這次的獲獎成果，再看看上次(2001年)有機化學家的獲獎成果，就知道化學家一生有這樣一個'反應’就很了不起了。”

該實驗室的丁奎嶺研究員告訴記者：“2002年，我和戴立信院士合寫《中科院發展報告》中有關烯烴復分解反應的章節時，就曾提到格拉布催化劑的反應活性以及對反應底物的適用性，可與傳統的碳－碳鍵形成方法如Diels-Alder反應和Wittig反應相媲美，而這兩項研究都已經獲得諾貝爾獎，我們也曾暗示格拉布等人的研究有問鼎諾貝爾獎的實力，現在他們果然獲獎了。”

指揮烯烴分子“交換舞伴”

諾貝爾化學獎評委會主席佩爾·阿爾伯格將烯烴復分解反應描述為“交換舞伴的舞蹈”。授獎當天，在瑞典皇家科學院華麗的議事廳里，阿爾伯格和一位皇家科學院教授以及兩位女工作人員一起，用舞蹈向聽眾詮釋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，轉換為兩對男女舞伴。

“用互換舞伴來解釋這一獲獎的化學反應很形象。”麻生明告訴記者。今年諾貝爾化學獎的三位得主，獲獎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物質。

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，有著碳-碳雙鍵的鏈狀有機分子被稱為烯烴。丁奎嶺說，研究碳-碳鍵的斷裂與形成規律是有機化學中需要解決的核心問題之一。為了切斷碳-碳鍵并使其按照人們希望的方式重新結合，需要尋找合適的催化劑，這也是化學家面臨的挑戰課題。關于金屬催化的烯烴分子的切斷與重組，即烯烴復分解反應的研究，可以追溯到上世紀50年代中期。但是剛開始時，科學家們所研制的催化劑均為多組分催化劑，“這么做是因為當時的科學家實際上沒有認清反應的機理，不知道到底是哪種活性物質發揮了作用，只好使用多種混合物來進行催化。”這些催化體系還受到苛刻的反應條件等因素的限制，更加促使科學家們進一步認識和理解反應進行的機制。

20世紀70年代，法國石油研究所的伊夫·肖萬實現了理論上的突破。他闡明了烯烴與金屬卡賓通過〔2+2〕環加成形成金屬雜環丁烷中間體的相互轉化過程，這一機制后來被廣泛認同。金屬卡賓是指一類有機分子，其中有一個碳原子與一個金屬原子以雙鍵連接，如果用舞蹈的方式來簡單解釋，它們可被看作一對拉著雙手的舞伴。而在烯烴分子里，兩個碳原子也像雙人舞的舞伴一樣，拉著雙手在跳舞。金屬卡賓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。后者會繼續尋找下一個烯烴分子，再次“交換舞伴”。

尋找更優秀的催化劑

有了漂亮的理論，下一步的重點就是確定哪種金屬卡賓適合充當促成舞伴交換的“中間人”，理查德·施羅克和羅伯特·格拉布正是尋找優秀催化劑的“伯樂”。

1990年，在美國麻省理工學院工作的施羅克和合作者報告說，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。實踐也證明，鉬卡賓用于催化烯烴的復分解反應，取得了比以往的催化體系更容易引發的、更高的反應活性，反應條件也更溫和，同時為發現性能更優秀的催化劑奠定了基礎。

1992年，美國加州理工學院的格拉布發現了釕卡賓絡合物，并成功應用于降冰片烯的開環聚合反應，該催化劑克服了其他催化劑對功能基團容許范圍小的缺點，不但對空氣穩定，甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以保持催化活性。在此基礎上，1996年格拉布對原催化劑作了改進，使其成為應用最為廣泛的烯烴復分解催化劑。1999年，格拉布通過用氮卡賓配體代替膦配體，發展了第二代格拉布催化劑，其催化活性比第一代催化劑提高了兩個數量級。丁奎嶺說：“這點很重要，因為釕是貴金屬。”在開環復分解聚合反應中，催化劑用量可以降低至百萬分之一；在關環復分解反應中，催化劑用量也僅為萬分之五，同時選擇性更高，對底物的適應范圍更加廣泛，催化劑的成本也更低。

麻生明說：“如果沒有肖萬的理論，就沒有施羅克和格拉布的成果；但是如果沒有后者的工作，肖萬也得不到這個諾貝爾獎。這恰好體現了理論和實踐相輔相成的道理。”

獎勵來得理所應當

對于此次諾貝爾化學獎的歸屬，很多人表示是理所當然、水到渠成的事情，這不僅是因為這一科研成果本身非常重要，更重要的是它在生產生活領域有著極其廣泛的實際應用，每天都惠及人類。

諾貝爾獎的文告指出：烯烴的復分解反應是基礎科學對人類、社會和環境做出重要貢獻的例子。該方法現在被廣泛應用于化工業，主要用于研發藥品和先進塑料材料。通過肖萬、格拉布和施羅克等人的工作，復分解法變得更加有效，反應步驟比以前簡化，所需要的資源也大大減少；使用起來也更簡單，只需要在正常溫度和壓力下就可以完成；對環境的污染也大大降低，使人們向著“綠色化學”又邁進了一大步，大大減少了有害廢物對人們的危害。

丁奎嶺說，由于格拉布催化劑的誕生，使得過去許多令化學家束手無策的復雜分子的合成變得輕而易舉，如親水性高分子、高分子液晶、抗癌藥物、昆蟲信息素等的合成，用乙烯和丁烯來制備丙烯等。麻生明還告訴記者：“上次格拉布教授來我們所訪問，介紹了他做出的一種高分子材料，用子彈打也無法穿透，很適合做防彈材料。” 不過，麻生明認為，金屬卡賓絡合物催化的烯烴復分解反應還不是完全的綠色反應。就像做衣服時，如果能把所有的布料，包括邊角余料都用上，才算百分百的經濟；從原子的經濟性來講，很多烯烴復分解反應還沒有達到百分百綠色的程度。丁奎嶺認為只能說這種反應比較“符合綠色原則”，廢物很少。他還指出，烯烴復分解反應的研究還面臨不少挑戰，工業的大規模應用還很少，主要還是用在精細化工領域。

記者問及我國在該領域的研究水平，兩位專家都回答，我國這方面的研究還很薄弱。丁奎嶺說，《科學觀察》指出，從論文引用次數來看，這一領域在國際上是炙手可熱的科學前沿。但中科院文獻情報中心的統計表明，我國在該領域幾乎沒有大的課題和項目。“雖然也有科學家在使用這些催化劑進行天然氣產物和復雜分子的合成研究，但是據我所知，國內可能還沒有研究人員在致力于改進這種催化劑。”

標簽：左右化學論文