碳原子的“親密接觸”

美國科學家理查德·海克和日本科學家根岸英一、鈴木彰因在“有機合成領域鈀催化的交叉偶聯反應”上的杰出貢獻而獲得2010年度諾貝爾化學獎。

“鈀催化的交叉偶聯反應”聽起來似乎過于專業，暫且讓我們溫習一下中學化學知識：比如根據鈉原子的核外電子排布圖，它的最外層有1個電子，非常容易失去這一個，變成Na⁺，從而達到“8電子穩定結構”；而氯原子最外層有7個電子，非常容易得到另外一個電子，變成Cl^-，同樣形成“8電子穩定結構”。于是，Na⁺與CI^-便輕易地結合成了氯化鈉。反觀碳原子，它的最外層不多不少有4個電子，無論是“拋棄”還是“搶奪”電子的“熱情”都不是很高，這使得碳原子與其他原子之間不太容易發生反應，讓碳原子彼此之間親密接觸，即形成碳一碳鍵更是難上加難。

怎么讓這些懶洋洋的碳原子活躍起來，好將它們湊在一起?100多年前人們已經想到辦法，法國科學家格林尼亞發明了一種試劑，利用鎂原子強行塞給碳原子兩個電子，使碳原子變得活潑起來。這是一項非常重要的成果，使格林尼亞獲得了1912年的諾貝爾化學獎，這類試劑也被統稱為“格氏試劑”。但是這樣的方法在合成復雜大分子的時候有很大局限：人們不能控制活躍的碳原子的行為，反應會產生一些無用的副產物。在制造大分子的過程中，副產物生成得非常多，反應效率低下。

用鈀作為催化劑可以解決這個問題。鈀原子就像“媒人”一樣，把不同的碳原子吸引到自己身邊，使碳原子之間的距離變得很近，容易結合，也就是“偶聯”，而鈀原子本身不參與結合。這樣的反應不需要把碳原子激活到很活躍的程度，副產物比較少，更加精確而高效。

此次三位獲獎者的貢獻在于，20世紀60年代末至70年代初，理查德·赫克研究出了后來被稱為“赫克反應”的方法，利用烯烴類有機小分子在鈀催化作用下合成大分子；1977年，根岸英一用鋅原子將碳原子運送到鈀原子上，實現“根岸反應”；兩年后，鈴木彰用硼元素取代鋅，實現類似的效果，并且毒性更低，適宜規模化生產，這就是“鈴木反應”。

科學家之所以癡迷于讓碳原子親密接觸，執著于為碳原子牽線搭橋，那是因為，碳元素是地球生命的基礎；有機分子都有著碳原子搭成的“骨架”，因而碳原子之間的結合是有機化學合成的核心。憑借“鈀催化的交叉偶聯”這一神奇“利器”，化學家們能隨心所欲地復制甚至創造和自然本身一樣復雜的碳基分子。比如，科學家從一種深海海綿中發現一種抗癌物質discodermolide，其對癌細胞的殺傷力比現時最常用的抗癌藥物之一紫杉醇高80倍，怎奈天然物質十分罕見，幸好有了“鈀催化交叉偶聯反應”這一研究成果，現在科學家已能夠人工制造出discodermolide這種超級抗癌藥；科學家還可以利用這一反應對現有藥物加以改造，比如讓現有的抗生素萬古霉素的分子可以殺滅未來出現的“超級細菌”；此外，利用這一反應合成的一些有機材料能夠發光，可用于制造只有幾毫米厚、像塑料薄膜一樣的顯示器……

據不完全統計，目前全球25％的合成藥品都是由前面提到的三種反應中的一種實現的，由此可見，他們幾人的研究成果對制藥業乃至整個有機合成領域有重要及深遠的影響。他們的獲獎實在是名至實歸、當之無愧的。另外值得一提的是，最近的一項研究稱，將實現把鈀原子粘附到了石墨烯上用以催化“鈴木反應”。看來，親密接觸起來的不僅是碳原子，還有今年的諾貝爾化學獎和物理獎。 (文章代碼：102106)

【責任編輯】龐云