有机化学获得的诺贝尔奖

 回顾诺贝尔奖颁奖一个多世纪以来，化学奖授予给有机合成方法学的一共有5次。在我们今天看来，它们都是在有机合成上具有划时代意义的，是经典中的经典的！它们分别是1912年格林尼亚的格氏试剂；1950年Diels-Alder反应；1979年的Witting反应；2001年的不对称催化和去年的烯烃复分解反应。我们可以发现，这五次奖都是有关构筑C-C键的合成方法学。这并不惊奇，因为有机合成的实质也是如何高效、简易、原子经济性地建立分子的碳骨架。

早在1901年，格林尼亚在他攻读博士期间就制备出了格式试剂。后来被证明是最有效最方便的构筑C-C单键的方法，应用格式反应，可以得到各式各样的醇，醇作为新的反应活性点，可以使分子继续向下衍生。到他1935年逝世时，全世界发表的有关格氏试剂的论文竟达到了六千多篇，如果算到现在，那真是无可计数了。可见格林尼亚对于有机合成发展的贡献之大。他所开拓的研究范围之广，也是有机化学研究中罕见的。

1950年的Diels-Alder双烯合成，在制备环状化合物方面，具有极高的效率和不可替代的地位。Diels-Alder反应很奇特，它是一个协同的反应，也就是说反应中没有碳正离子、碳负离子或自由基等中间体的生成，一改当时认为有机反应都是经由碳正离子、碳负离子或自由基中间体来完成的。这在探索有机反应机理方面具有划时代的意义。

我们可以想一想其他生成环状化合物的方法，与之比较。其实生成这种只有碳的环的反应并不多，大部分成环反应在环上都留有杂原子，比如氧或氮等。我们还熟悉一种成环反应，就是进行醛醇缩合来关环，鲁滨孙增环反应。但这个反应肯定会在分子中留下一些活性基团，如果你不想要这些活性基团，还要想办法去掉它们。D-A反应就不同，环上的取代基是否留存不取决于这一步。鲁滨孙反应就不行，假如没有羰基就不可能进行反应。

Witting反应和烯烃复分解反应很象。Witting反应的底物是C-O双键，烯烃复分解是C-C双键，Witting反应的试剂是膦叶立德，烯烃复分解反应的是金属卡宾。有一点不同是膦叶立德是作为试剂的，是化学剂量的，而金属卡宾是作为催化剂的，是催化量的。还有一点相同的是产物相同，都是烯烃。

01年的诺贝尔化学奖是有关不对称催化的。前两位William和Noyori的贡献是在不对称氢化，后一位Sharpless的贡献是在烯烃的不对称环氧化方面。这方面大家都很熟悉了，我就不多讲了。

2005年诺贝尔化学奖分别授予给Yves Chauvin, France；Richard R. Schroch, MIT, USA；Robert H. Grubbs, California Institute of Technology, USA。他们的主要贡献是阐明了作为构建有机化合物分子C-C键的一种重要反应——烯烃复分解反应的机理并发展出一系列用于此反应的高效过渡金属催化剂。

化学键的断裂与形成是化学研究领域中最基本的问题，研究碳-碳键的断裂与形成规律是有机化学中需要解决的核心问题之一，碳－碳双键和三键的键能与碳－碳单键相比要高得多，因此要切断前者并使其按照希望的方式重新结合，则需要更高的能量，所以寻找适当的催化剂实现上述转化，成为化学家近半个世纪的挑战课题。烯烃复分解反应，是指在金属催化下的碳－碳重键的切断并重新结合的过程。 Metathesis来之希腊语，meta意为交换，thesis意为位置。所以烯烃复分解又称为烯烃易位反应。

按照反应过程中分子骨架的变化，可以分为五种情况:交叉复分解反应、关环复分解、非环二烯复分解聚合、开环复分解聚合、炔烃与烯烃复分解以及开环交叉复分解。由此可以看出，烯烃复分解反应在高分子材料化学、有机合成化学等方面具有重要意义。

关于金属催化的烯烃分子的切断与重组，即烯烃复分解反应的研究，可以追溯到20世纪50年代中期。那时著名的Ziegler（1963年诺贝尔化学奖得主）在研究乙烯的聚合时发现了这一反应类型，而且在一系列的专利里也有报道，但当时还没有人能说清楚机理。

这就是著名的Ziegler，在高分子工业上做出巨大的贡献，因此他和Nata一起获得了1963年诺贝尔化学奖。

在早期的文献里，可以看到这些试图解释烯烃复分解到底是怎样发生的机理。起初，人们怀疑是否交换了烷基基团。后来有人做同位素实验，证实了确实是交换了烷基，但是怎么交换的，金属在这里起什么作用还是没有弄清楚。图示的这些中间体后来被证明是不正确的。

直到1971年，Y. Chauvin和他的学生发表论文，说明在此过程中，真正起催化作用的是金属卡宾，并不是金属本身。金属卡宾是金属和碳以双键相连接的化合物。在图中，金属卡宾作为催化剂，把两个端烯烃复分解化为非端位烯烃（E和Z的混合物）和乙烯。乙烯的去除使反应进行到底。如图，金属甲烯反复地和底物烯烃反应，形成一个金属杂化的环丁烷，然后这个中间体裂开，产生一分子乙烯和另一个金属卡宾。生成的乙烯中两个碳分别来自催化剂和一分子底物烯烃。然后新生成的金属卡宾与另一个底物烯烃反应形成四元环中间体，然后此中间体又分解生成产物和金属甲烯。这一机理有着实验基础，而且很难用其他机理解释这些实验现象。这一机理被包括其他两位获奖者在内的化学家们广泛地认同。

在发现烯烃复分解以后的20多年里，所发展的催化剂均为多组分催化剂，如MoO3/ SiO2,Re2O7/Al2O3,WCl6/Bu4Sn等。但是，由于这些催化体系通常需要苛刻的反应条件和很强的路易斯酸性条件，使得反应对底物容许的功能基团有很大的限制。这些问题促使人们去进一步认识和理解反应进行的机制。20世纪70年代初期，Chauvin提出的烯烃与金属卡宾通过［2+2］环加成形成金属杂环丁烷中间体的相互转化过程后，在试图合成金属杂环丁烷化合物的过程中，导致了在20世纪70年代末、80年代初的烯烃复分解反应单组分均相催化剂的发现，如钨和钼的卡宾络合物，特别是Schrock催化剂用于催化烯烃的复分解反应，都取得了比以往的催化体系更容易引发、更高的反应活性和更温和的反应条件，更重要的是单组分催化剂的发现使得人们深入地研究催化剂的结构－性能关系成为可能，从而为发现新一代的、性能更优秀的催化剂奠定了基础。

20世纪90年代以前的催化剂，以过渡金属（如钛、钨、钼等）卡宾络合物为主，尽管取得了一些成功，但这些催化剂大都对氧和水非常敏感，对含有羰基和羟基的底物也不适用，这样就限制了它们的广泛应用。一个突破性的进展是1992年美国加州理工学院的Robert Grubbs发现了钌卡宾络合物，并成功应用于降冰片烯的开环聚台反应，克服了其他催化剂对功能基团容许范围小的缺点，该催化剂不但对空气稳定，甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以保持催化活性。在此基础上，于1996年Grubbs对原催化剂作了改进，该催化剂不但具有比原催化剂更高的活性和相似的稳定性，而且更容易合成，成为应用最为广泛的烯烃复分解催化剂。由于Grubbs催化剂的诞生，使得过去许多有机合成化学家束手无策的复杂分子的合成变得轻而易举。烯烃的开环复分解聚合反应已经成功应用于一些特殊功能高分子材料，如亲水性高分子、高分子液晶等的合成。关环复分解反应在许多复杂药物、天然产物以及生理活性化合物合成过程中，表现出了特殊的优越性和高效率

那么为什么要用金属钌呢？我们知道，在任何催化系统下，无论底物还是溶剂中的功能基团（包括氧和水）都有可能干涉催化剂的催化过程。它们能竞争性地和中心金属结合致使催化剂失活，或者干脆就直接和金属中心反应来破坏主反应。这样，提高一个反应的反应性的关键问题就是发展一些催化剂，使它们一开始直接就和烯烃结合。这样通过考察一些过渡金属与底物的结合能力或结合的优先次序，制成如图所示的表。很明显，钌与烯烃的结合能力最好。这样，钌卡宾络合物作为催化剂，不但对空气稳定，甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以保持催化活性 ，克服了其他催化剂对功能基团容许范围小的缺点 。

最近，Grubbs通过系统地对催化剂结构－性能关系进行研究，发现催化剂的活性与其膦配体的解离有关，认为催化循环过程中经过一个高活性的单膦中间体，根据这一设计理念，提出了以比膦配体具有更强给电子能力和更高稳定性的Ｎ-杂环卡宾配体代替其中一个膦配体，于1999年发展了第二代Grubbs催化剂。第二代Grubbs催化剂除了具有第一代催化剂的优点以外，更重要的是其催化活性比第一代催化剂提高了两个数量级，在开环复分解聚合反应中，催化剂用量可以降低至百万分之一，在关环复分解反应中，催化剂用量也仅为万分之五，同时选择性更高，对底物的适应范围更加广泛，催化剂的成本也更低。下图是一个害虫信息素的合成，用的就是第二代Grubbs催化剂。很巧的是在自然界这种信息素的E/Z构型为82:18，而应用第二代Grubbs催化剂催化得到的产物的E/Z的比率恰好也是82:18。

经过近半个世纪的努力，金属卡宾催化的烯烃复分解反应已经发展成为标准的合成方法并得到广泛应用，Grubbs催化剂的反应活性以及对反应底物的适用性己经和传统的碳－碳键形成方法（如Diels-Alder反应、Wittig反应，曾分别获得诺贝尔化学奖）相媲美。从其发展历程可以看出，每一次研究的突破，无不归因于长期坚恃不懈的基础研究积累，从而不断地创新，广泛的应用前景是其能成为一个热点领域的根本动力。