打開綠色化學之門：烯烴復分解反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)——2022年諾貝爾化學獎瑞典皇家科學院10月5日宣布，將2022年諾貝爾化學獎授予三位有機化學家——法國學者伊夫·肖萬（YvesChauvin）和美國學者理查德·施羅克（Richard）、羅伯特·格拉布（Robert），以表彰他們在烯烴復分解反應(yīng)研究方面做出的貢獻。烯烴復分解反應(yīng)是有機化學中最重要也是最有用的反應(yīng)之一，在當今世界已被廣泛應(yīng)用于化學工業(yè)，尤其是在制藥業(yè)和塑料工業(yè)中。

肖萬生于1930年，從事有機物合成轉(zhuǎn)換方面的研究長達30年之久，目前在法國石油研究所擔任名譽所長的職務(wù)。

施羅克1945年出生于美國印第安納州伯爾尼市，1977年畢業(yè)于美國加利福尼亞大學河濱分校，1971年在哈佛大學取得博士學位，曾在英國劍橋大學從事一年博士后研究。他1975年起在麻省理工學院任教，1980年成為該學院化學系教授，迄今已發(fā)表400多篇學術(shù)論文。

格拉布1942年出生于美國肯塔基州凱爾弗特市，1965年在美國佛羅里達大學化學系獲碩士學位，1968年獲哥倫比亞大學博士學位。他于1969～1978年在密歇根州立大學擔任助理教授、副教授，1978年起在加州理工學院擔任化學系教授至今。格拉布自大學畢業(yè)起就在美國《全國科學院學報》和《美國化學學會雜志》等權(quán)威刊物上發(fā)表許多篇論文。讓原子交換“舞伴”碳（C12）是地球生命的核心元素，地球上的所有有機物質(zhì)都含有它。碳元素通常以單質(zhì)、化合物和晶體態(tài)即“富勒烯”（巴基球）的形式存在。碳原子能以不同的方式與多種原子連接，形成小到幾個原子、大到上百萬個原子的分子。這種獨特的多樣性奠定了生命的基礎(chǔ)，它也是與人類生命密切相關(guān)的學科——有機化學的核心。地球上的所有生命都是以這些碳化合物為基礎(chǔ)形成的。原子之間的聯(lián)系稱為鍵，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。碳原子可形成長的鍵條和鏈環(huán)，將氫和氧等原子纏繞固定在一起，形成雙原子化學分子，又稱為雙重束縛。有著碳－碳雙鍵的鏈狀有機分子稱為烯烴。在烯烴分子里，兩個碳原子就像雙人舞的舞伴一樣，拉著雙手在跳舞。今年諾貝爾化學獎的三位獲得者，獲獎的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性能更優(yōu)的物質(zhì)。這個比喻在英文即為“換位”（matathesis）。在換位反應(yīng)中，雙原子分子可以在碳原子的作用下斷裂，從而使原來的原子組改變位置。然而，換位過程需要靠某些特殊化學催化劑的幫助才能完成。這種換位合成法就是烯烴復分解反應(yīng)，被諾貝爾化學獎評委會主席佩爾·阿爾伯格幽默地比喻為“交換舞伴的舞蹈”。這位主席在宣布化學獎獲得者儀式上親自走向講臺，邀請身邊的皇家科學院的兩位男教授和兩位女工作人員一起，在會場中央為大家表演了烯烴復分解反應(yīng)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(zhuǎn)換為兩對男女舞伴。這種對“有機合成中復分解方法”的形象解讀，引起了在場人士的愜意笑聲。化學反應(yīng)有四種基本類型：化合、分解、置換、復分解。復分解反應(yīng)就是兩種化合物互相交換成分而生成另外兩種化學物的反應(yīng)。以詞義來看，“復分解”即指“易位”。復分解反應(yīng)中，借助特殊的催化劑，碳原子形成的舊的束縛不斷被打破，新的束縛不斷形成，各種元素易位，重新組合，從而形成新的有機物。因此，復分解反應(yīng)可以被看作一場交換舞伴的舞蹈?；瘜W鍵的斷裂與形成是化學研究領(lǐng)域中最基本的問題，研究碳－碳鍵斷裂與形成的規(guī)律是有機化學中需要解決的核心問題之一，而三位獲獎?wù)哒窃谶@個最基本的、核心的方面做出了貢獻。20世紀50年代，人們首次發(fā)現(xiàn)，在金屬化合物的催化作用下，烯烴里的碳－碳雙鍵會被拆散、重組，形成新的分子，這種過程被命名為烯烴復分解反應(yīng)。然而，當時沒有人知道這種金屬催化劑的分子結(jié)構(gòu)，也不知道它是怎樣起作用的。為了破譯這個對人類生活有重大價值和用途的化學之謎，人們提出了許多假說，但大多沒有被世界化學界所認同。1970年，法國學者伊夫·肖萬破譯了這個人類的“有機化學之謎”。斯年，肖萬和他的學生歷經(jīng)多年的艱苦攻研發(fā)表了一篇論文，闡明了復分解即換位反應(yīng)的原理和反應(yīng)中所需的金屬復合物催化劑，提出烯烴復分解反應(yīng)中催化劑應(yīng)當是金屬卡賓。卡賓為英文Carbon譯音，即“碳”的譯文。肖萬的論文還詳細解釋了催化劑擔當中間人、幫助烯烴分子“交換舞伴”的過程。斯時，這位有機化學大師開出了換位合成法的“處方”，為開發(fā)實際應(yīng)用的催化劑奠定了理論基礎(chǔ)并指明了研究方向。金屬卡賓是指一類有機分子，其中一個碳原子與一個金屬原子以雙鍵相連接，它們可以看作一對拉著雙手的舞伴。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。后者繼續(xù)尋找下一個烯烴分子，再次“交換舞伴”。這個理論提出后，越來越多的化學家意識到，烯烴復分解反應(yīng)在有機合成方面有著巨大的應(yīng)用前景，但對催化劑的要求很高，找尋及開發(fā)絕非易事。到底含有什么金屬元素的卡賓化合物最理想呢？在開發(fā)實用的催化劑方面，做出最大貢獻的是2022年的另兩位諾貝爾化學獎獲得者。1990年，理查德·施羅克成為世界上第一個生產(chǎn)出可有效用于換位合成法中的金屬化合物催化劑的科學家。斯年，施羅克和他的合作者報告說，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。這個成果顯示，烯烴復分解法可以取代許多傳統(tǒng)的有機合成方法，并用于合成新型的有機分子。1992年，羅伯特·格拉布發(fā)現(xiàn)了金屬釕的卡賓化合物也能作為換位合成法中的金屬化合物催化劑，這種催化劑在空氣中很穩(wěn)定，因此在實際生活中有多種用途。此后，格拉布又對釕催化劑作了改進，使這種“格拉布催化劑”成為第一種化學工業(yè)普遍使用的烯烴復分解催化劑，并成為檢驗新型催化劑性能的標準。諾貝爾化學獎評委會在授予這三位科學家諾貝爾化學獎的文告中肯言道：烯烴復分解反應(yīng)即換位合成法是“研究碳原子之間的化學聯(lián)系是如何建立和分解的，是一種產(chǎn)生化學反應(yīng)的關(guān)鍵方法。簡言之，是在有機合成復分解方面的發(fā)現(xiàn)，即闡明化學鍵在碳原子間是如何形成的，使他們最終戴上了2022年諾貝爾化學獎的桂冠。綠色化學的開端諾貝爾化學獎評委會文告中稱：換位合成法的發(fā)現(xiàn)，將為化學工業(yè)制造出更多新型的化學分子提供千載難逢的機會，例如可以制造出更多的新型藥物。只要我們能夠想到，沒有哪一種新的化學分子是不可以制造出來的。文告中又稱：獲獎?wù)咚l(fā)現(xiàn)的復分解方法已被廣泛應(yīng)用于化學工業(yè)，特別是生物制藥和生化領(lǐng)域，對最終攻克艾滋病等疾病也會有很大幫助。瑞典皇家科學院認為：烯烴復分解反應(yīng)是尋找治療人類主要疾病藥物的重要武器；獲獎?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)為研制治療老年癡呆病、唐氏綜合癥、艾滋病和癌癥的藥品奠定了基礎(chǔ)。烯烴復分解反應(yīng)是非常有用的化學反應(yīng)，在天然反應(yīng)的純合成、高分子化學以及多肽蛋白質(zhì)的合成等方面都有廣泛的用途。以獲獎?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，近年來學術(shù)界和工業(yè)界掀起了研究烯烴復分解反應(yīng)、設(shè)計合成新型有機物質(zhì)的熱潮。他們的研究成果在生產(chǎn)、生活領(lǐng)域有著極其廣泛的實際應(yīng)用，并推動了有機化學和高分子化學的發(fā)展，每天都在惠及人類。諾貝爾化學獎評委會主席阿爾伯格贊頌道：本次評獎結(jié)果再次表明，科學理論只有同工業(yè)結(jié)合，創(chuàng)造出改變?nèi)祟惿?、提高生命質(zhì)量的發(fā)明和創(chuàng)造后，才能成為有利于人類的科學理論。本次化學獎獲得者對化學工業(yè)、制藥工業(yè)、合成先進塑料材料以及未來“綠色醫(yī)學”的發(fā)展都起著革命性的推動作用。“綠色、高效”概括了2022年諾貝爾化學獎成就的特點。換位合成法在化學工業(yè)中每天都在應(yīng)用，主要用于研制新型藥物和合成先進的塑料材料。在三名獲獎?wù)叩呐ο?，換位合成法變得更加有效，反應(yīng)步驟比以前簡化了，不僅大大提高了化工生產(chǎn)中的產(chǎn)量和效率，還使所需要的資源也大大減少，材料浪費也少多了，所產(chǎn)生