变形的分子

英国化学家、诺贝尔奖得主德里克·巴顿出生于1918年。同年，他朝着发现这项技术迈出了重要的一步，这项技术在他最著名的成就中发挥了关键作用。彼得·梅达沃谈到另一位诺贝尔奖得主詹姆斯·沃森时说，他的成功不仅仅是因为他非常聪明，还因为他足够幸运，在正确的时间发现了一些重要的事情。在巴顿的案例中也是如此，一位杰出的科学家面临着一个重大问题，而此时解决这个问题的方法正在变得可行。

人与方法融合的故事涉及到影响我们所有人的问题。天然类固醇化合物对我们身体的正常工作是必不可少的，基于类固醇的药物可以治愈或减轻许多疾病——尽管长期使用类固醇(例如激素替代疗法，或提高运动成绩)会带来健康风险。胆固醇是类固醇家族的近亲，在生命过程中起着至关重要的作用，因此对数百万人来说，监测血液中的胆固醇水平是日常工作。

但是，尽管许多化学家(包括几位诺贝尔奖得主)对类固醇研究做出了杰出贡献，巴顿的工作改变了它。他的百年诞辰为我们提供了一个反思他的遗产的机会。

椅子和船

德里克·巴顿是肯特郡一位木工和木材商人的儿子。1935年父亲去世后，他辍学支持家族企业，但两年后他进入当地一所技术学院，并于1938年获得大学入学资格。在伦敦帝国理工学院，他在两年内获得了学士学位，并于1942年完成了博士学位。由于医学原因免除了兵役，他在帝国理工大学和伯明翰的Albright and Wilson化学公司从事与战争有关的项目。1944年，他与珍妮·威尔金斯结婚。他们育有一子，1969年婚姻破裂。

巴顿于1945年回到帝国理工学院担任助理讲师，并从事三萜化合物——自然存在的多环碳氢化合物的研究。它们的分子结构经常表现出立体异构，巴顿在研究这一著名现象的同时，也涉及到当时相对晦涩的构象分析。

1948年，巴顿获得了ICI研究奖学金，这使他能够将研究范围扩大到类固醇化合物。越来越多的人认识到它们的医疗用途——例如，用可的松治疗关节炎——使类固醇成为热门话题。然而，从天然来源提取它们并将其提纯到医学上可接受的标准被证明是困难的，而合成它们则是有问题的。巴顿的工作对类固醇合成产生了有价值的改进，但要理解其重要性，我们需要回顾他所使用的技术的早期历史。

光学异构现象是由雅各布·范特霍夫和约瑟夫·勒贝尔在19世纪70年代早期研究的。他们的研究表明，当一个碳原子形成四个单键时，它们指向正四面体的四角，使相邻键之间的夹角约为109°。1885年，德国化学家阿道夫·冯·拜耳(Adolf von bayyer)认为，这个角度在环状碳氢化合物分子中是不可持续的，因此必须承受一定程度的结构应变，表现为异常的生成热。

然而，拜耳的结论建立在环己烷这样的碳环分子是平面的假设上。1890年，一位年轻的德国化学家赫尔曼·萨克森(Hermann Sachse)提出，拜耳预测的环己烷环在弯曲或弯曲时的应变将会减轻。萨克森提出了两种这样的形状，后来被称为“椅子”形和“船”形。(两种中间形式——“扭船”(twist-boat)和“半椅子”(half-chair)——后来被发现。)

萨克森于1893年去世，享年31岁。他的建议一直被忽视，直到德国海德堡的化学教授恩斯特·莫尔(Ernst Mohr)在1918年(德里克·巴顿出生的那一年)重新提出了这个建议。摩尔认为，萨克森预测的不同形式的环己烷仍然没有被发现，因为碳碳单键的旋转使得它们的形状很容易互换。换句话说，环己烷分子就像一把伞，可以打开和关闭，而不会断开它的肋骨。

摩尔预测了十氢化萘-两个熔融环己烷环的分子式₁₀H₁₈-可以以不同的形状存在，不容易相互转换。一个有用的类比可能是一把合上的伞和一把被大风吹翻的伞。1925年，沃尔特Hückel成功分离出了两种形式的十氢化萘，莫尔的说法得到了证实。随后又发现了第三个。

构象的困惑

1929年，英国化学家沃尔特·诺曼·霍沃斯(Walter Norman Haworth)——后来因对糖的研究而获得诺贝尔奖——引入了“构象”(conformation)一词，以表示分子原子可能的三维排列方式。如果这种形状可以在不破坏任何化学键的情况下改变，那么所得到的形式现在被称为构象异构体，或构象体。霍沃斯和他的同事们发现了糖家族中的几个分子，它们可能具有不同的构象，但更仔细地研究它们所需的物理技术并不容易获得。

在20世纪30年代，这种情况开始发生变化。挪威化学家Odd Hassel首先尝试用x射线衍射来探测环己烷的三维结构，但没有成功。然而，在1938年，他开始使用电子衍射，并在1943年证实了环己烷的椅状和船状结构的存在——这一成就使他与巴顿共同获得了诺贝尔奖。

与此同时，美国国家标准局的化学家贺拉斯•伊斯贝尔从另一个角度抨击了这一主题。Isbell表明，由于关键取代基相对位置的变化，一些环状分子在不同构象时表现出显著不同的化学性质——“邻基效应”。

巴顿很快就意识到这些发现与他自己关于萜烯和类固醇的研究的相关性，这些萜烯和类固醇的多个碳原子环可以形成各种构象。他将立场总结如下:

这种“分子内充血”在他所研究的复杂结构中很常见。为了更好地理解其影响，巴顿设计了三维物理模型，更清楚地说明了不同构象异构体所带来的机遇和问题。他最早的成功之一是建立了二萜衍生物枞酸C的构象_20.H_30.O₂．

这是构象分析的关键一步。借助他的模型(加上物理测量的数据)，巴顿使关于萜类化合物和类固醇反应的大量令人困惑的信息变得连贯起来。他的研究还揭示了新的可能性，这些可能性在这些分子仅用二维图表示时是不明显的。

美国哈佛大学当时是类固醇研究的主要中心，1949年路易斯·菲泽邀请巴顿在那里呆一年。他的影响是巨大的。

在这次访问期间(以及后来的一些场合)，巴顿与未来的诺贝尔奖得主罗伯特·伍德沃德(Robert Woodward)合作，后者也对类固醇化学感兴趣，并与制药业有联系。他们的相互作用鼓励了这一领域的进一步重要发展。

在高峰期

1950年，巴顿突破性的文章“类固醇核的构象”出现了。只有四页长，发表在一家发行量很小的瑞士杂志上，Experientia尽管如此，它还是产生了巨大的影响力。巴顿对构象分析的应用在错综复杂的合成路线中开辟了捷径，显著提高了一些关键反应的收率。

特别值得注意的是Barton的证明，同一类固醇分子的不同构象可以以不同的速率与给定的试剂反应，这取决于分子中相关基团的可及性(或不可及性)。这对合成具有医学价值的类固醇化合物具有重要意义。

在哈佛毕业一年后，巴顿回到伦敦大学，在伯克贝克学院当读者(后来成为教授)。在那里，他继续研究类固醇和萜类化合物，同时探索有机化学的其他分支，包括生物碱的生物合成。1954年，他被选为英国皇家学会会员，1955年被任命为格拉斯哥大学化学教授。

在格拉斯哥大学，巴顿与x射线晶体学家合作，进一步研究有机分子的结构。这项技术最终取代了他开创的构象分析方法，正如他在诺贝尔奖演讲中指出的那样:

随着研究分子结构的其他物理方法——尤其是核磁共振波谱学——对构象分析的补充，巴顿的注意力转向了新的领域。在格拉斯哥，他研究光化学反应，在大学假期，他在马萨诸塞州剑桥市的医学与化学研究所继续这些研究，

1957年巴顿成为帝国理工学院有机化学教授后，他继续进行这些访问，导致他的剑桥小组在1960年发展出“巴顿反应”:将烷基亚硝酸盐光解生成亚硝基酒精。光化学过程在他合成醛固酮的过程中起了关键作用(C₂₁H₂₈O₅)，是控制人体电解质平衡的激素。

在此之前，世界上纯醛固酮的全部库存都是以毫克为单位计量的，但巴顿的方法使其产量大大增加。接着，他在合成生物学上重要的有机化合物方面又取得了几项重大进展。

避开退休

1969年巴顿获得诺贝尔化学奖，1972年他被授予英国爵士、法国Légion d’honneur和英国皇家学会皇家勋章。第二年，他成为了化学学会(RSC的前身之一)的主席，但并没有表现出退居科学界元老位置的热情。他继续在植物中生物碱的生物合成方面进行前沿研究，并在1975年(与斯图尔特·麦克康比)开发了一种程序，使用自由基作为中间体，增加了一些抗生素的活性。它通常被称为巴顿-麦康比反应，在有机合成中有许多其他应用。

由于被迫退休的迫近，巴顿于1978年离开帝国理工学院，成为位于巴黎西南20公里的伊韦特河畔吉夫的自然物质Chimie des Substances natururelles研究所所长。他能说一口流利的法语(1969年与法国人克里斯蒂安·科涅结婚)，在继续他的研究的同时，他舒适地定居在这个社区。他随后的出版物包括在有机合成中使用自由基，现在被称为巴顿酯的多功能试剂，以及维生素D和青霉素方面的工作。他还研究了将石化产品转化为精细化工原料的方法。的民族传记词典注:“在每一个案例中，巴顿都做出了重大贡献，这将是大多数其他有机化学家的巅峰。”

巴顿令人敬畏的智力、百科全书式的知识和对马虎工作的容忍往往会让学生(和同事)感到恐惧。但私下里，他的性格要温和得多，在科学之外有广泛的兴趣，他为自己以前的学生取得的成就感到高兴，并帮助他们发展事业。

为了避免再次退休，巴顿于1985年搬到了德州农工大学。1992年，克里斯蒂安去世，1993年，他与朱迪思·冯-洛因伯格·科布结婚，后者是他的遗孀。直到1998年去世，他还在继续讲课，担任工业顾问，并研究新的化学反应。在他60多岁的时候，他给自己定了一个目标，要在80岁生日之前发表一生总共1000篇研究论文。他提前完成了(并超额完成了)目标。

迈克·萨顿是英国纽卡斯尔的科学历史学家

进一步的阅读

D巴顿,理性与想象:有机化学思考，《世界科学》，1996年