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重组分子舞翩跹
  文章来源:科学时报 10月10日 发布时间:2005-10-10 【字号: 小  中  大   


    方形舞是由四个男女构成一个方形的一种舞蹈。三位科学家设计出一系列全新催化剂,让它们像舞蹈设计者一样控制分子“跳方形舞”,并交换“舞伴”,以形成全新的分子。这种重组分子的方法也称为换位合成法,新方法的发现为化学家提供了千载难逢的机会,他们得以合成了从药品、农产品到信息素和高分子的各种物质。

    法国科学家伊夫·肖万在24年前第一次描述了换位合成法的机制。今天,他清楚地记得这个想法突然出现的时刻,但诺贝尔奖带给他的焦虑超过了欢快,他无法处理当天的混乱局面,记者拥进他的家,电话铃声不断,他说:“诺贝尔奖只是一个名声,我不习惯。”

    美国科学家理查德·施罗克在1990年首次合成了指挥分子换位的催化剂,诺贝尔奖让他感到万分惊喜,他说自己还很年轻,要充分发挥诺贝尔奖带来的机会,向公众介绍科学并为化学的未来呼吁。

    美国科学家罗伯特·格拉布在1992年设计出更为普遍适用的催化剂,在获诺贝尔奖的当天,他被邀请到教堂发表演讲,晚上11:30才回到家中,他说:“我精疲力竭,我需要喝一点酒,今天晚上好好睡一觉。”

    清楚记得那一刻

    碳是地球生命的基本要素,碳原子以不同方式与多种原子连接,形成多种分子,从而形成了生命的多样性。许多化学家都在致力于控制和操纵以碳为基础的有机分子,因为这种反应能将塑料变成石油,但这种反应需要在高温、高压下将碳原子间的化学键打破,再让它们重新组合。

    20世纪50年代,美国杜邦公司的化学家发现,当他们将金属钼等加入乙烯或丙烯等有机化合物时,会造成反应物的改变,他们将这种反应称为“换位反应”,意思是分子的部件交换了位置。但这是怎么产生的呢?一切都像是炼金术而不是科学,全球范围内的化学家们开始竞相研究这个谜题。

    最令人吃惊的是这种金属分子能将两个碳原子间的双键打破。格拉布说:“碳-碳双键是所有分子中最强的联接键,能够将它们分开又让它们结合在一起,实在让有机化学家惊奇不已。”

    肖万解开了这个谜。1971年,他和学生发表了一篇论文,提出一种碳与金属的化合物在这种反应中扮演了催化剂的角色,它切断了连接两个碳原子的双键中一个,然后让分子部件重组,形成新分子。他说,这个过程就像两对分子在跳舞,并在跳舞的过程中交换舞伴。

    肖万还清楚地记得发现的那一刻。他说:“那是一个星期天的下午,我在自己的家里,天气不好,突然间,我发现了这个过程,它是如此的简单。这样的事情在其他科学家身上也发生过很多次。当你正处在休眠状态时,一个伟大的想法出现了。”

    肖万说:“自己的研究只是打开了一扇窗口,主要的研究都是施罗克和格拉布做的。”

    “化学的尊贵地位正在消退”

    10月5日清晨5:30,施罗克教授在家中喝咖啡时得知获奖的消息。他说:“人们说,如果电话铃在清晨5:30响起,一定有特别的事情发生。这件事发生在我身上了。”“这一时刻美妙极了,我到达了事业的顶峰。”

    施罗克现在是麻省理工学院的化学家。他从20世纪70年代开始此项研究,他发现两种金属分子钨和钼是换位反应中最好的催化剂。化学家们这时也意识到换位反应可广泛应用于有机合成中。施罗克的工作在1990年出现了突破,他和他的合作者报告说:一种钼催化剂能非常有效地重组碳-碳双键。

    施罗克在10月5日召开的新闻发布会上说:“我们研制的催化剂能将碳-碳双键的其中一半切开,再形成新的碳-碳双键。”

    然而,施罗克的催化剂在空气或潮湿的环境中不稳定,因为这些金属的电子非常活跃,它们很容易与环境中的氧气或水反应,从而自行分解。

    两年后,加州理工学院的化学家格拉布解决了这个问题。格拉布也是从20世纪70年代开始从事换位反应研究的。1992年,他和同事用钌替换钼,钌的电子活性比钼要弱一些,催化剂因此稳定了。钌催化剂的工作速度没有钼催化剂快,但它们在空气和水中都是稳定的,而且与其它化合物结合还有广泛的用途,反应的条件也更容易。

    施罗克评价格拉布说:“他是一个真正理解我的工作并将之变得更加实用的人。”

    施罗克深感化学的尊贵地位正在消退,他决定将诺贝尔奖当成一个真正宣传科学的机会。他说:“格拉布和我都是做基础研究的,并不十分清楚到后来会发生什么事情。之后,我们才一步一步地意识到我们的基础研究将会导致一些真正的用途。这真的让我非常高兴,这也是诺贝尔奖的真正意义所在:努力工作,并让工作造福于社会和其它科学。因此,我将成为一名发言人,为了化学的未来。”当然,他还要继续努力做基础研究、发表论文。他说:“这是我的最爱。”

    格拉布说:“诺贝尔奖不会改变我的生活,我一直喜欢长久以来自己所做的事,我没有理由改变它。”

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