碳耦合器获奖

开创了钯催化交叉偶联反应的三位有机化学巨匠共同获得了今年的诺贝尔奖。西蒙·哈灵顿紧随其后

当2010年诺贝尔化学奖于10月6日宣布时，几乎没有人感到惊讶。因为这从来不是理查德·赫克、根岸英一和铃木明会不会获奖的问题，而是什么时候获奖的问题。三位获奖者被授予科学界最负盛名的奖项，用评委的话来说，他们创造了“试管中的伟大艺术”。在这个过程中，他们彻底改变了碳原子间形成化学键的过程——这是合成有机化学的本质，也是无数对医学、农业和电子学有价值的化合物的大门。

三位获奖者独立开发了钯催化的交叉偶联反应。这种连接有机分子的方法在以前是不可能的，特别是在反应条件温和、钯具有高度选择性和立体化学控制的情况下。这些偶联反应现在在世界各地的研究实验室和工业过程中被常规地进行，以组装复杂分子的组成部分。

Jan-Erling B?瑞典斯德哥尔摩大学有机化学教授、诺贝尔奖委员会成员ckvall说:“重要的是要强调他们的发现对学术和工业研究以及精细化学品生产(包括药品、农业化学品和高科技材料)的重大意义，这些都有利于社会。”很少有反应能像钯催化的交叉偶联反应那样提高有机合成的效率。这些反应改变了合成科学的实践，它们被用于制造复杂分子，既能产生天然产物，也能产生生物活性化合物。”

这项技术的发展是一个很好的例子，说明善于探究和凭直觉的人如何利用现有的科学知识，并将其应用于新问题，从而产生惊人的结果。

求知欲强

1968年，赫克在美国特拉华州的赫拉克勒斯化学公司(Hercules chemical company)工作，他开始研究钯化合物的用途，这些化合物以前曾被合成过，但其化学性质相对较少受到关注。赫克说:“文献中有一些关于有机钯化合物的报道，但没有人仔细研究过它们的化学性质。必威体育 红利账户从他在菲律宾的家里“我突然想到，他们也许能做些有用的事情。”

赫克证明，原位生成的甲基和苯基卤化钯可以在室温下添加到烯烃中。例如，苯氯化钯可以加入乙烯，一旦钯被消除，就会产生苯乙烯。这一发现导致了一种前所未有的反应的设计，即烯烃的芳基化或烷基化。在早期反应中，有机钯化合物是由有机汞和钯盐以化学计量量生成的。一个关键的进展是，通过使用氯化亚铜对钯进行再氧化，使其可用于后续循环，从而在钯中呈现催化反应。四年后，赫克在纽瓦克的特拉华大学(University of Delaware)对系统进行了改进，使有机卤化物和零价钯生成有机钯复合物。这样，在钯催化剂的存在下，卤代芳烃与烯烃发生反应，烯烃的芳基化就成为可能，这成为了以赫克的名字命名的反应的标准方案。

在Heck反应中，Pd(0)催化剂经历了有机卤化物的氧化加成-本质上是将Pd插入碳-卤素键并形成有机钯种。在此过程中，钯由Pd(0)氧化为Pd(II)。然后烯烃与钯相协调，使两个碳相耦合——卤化物和烯烃各一个——靠近。卤化物伙伴的含碳部分从Pd中心迁移到烯烃的一个碳上，而钯则转移到烯烃的另一个碳上——这种迁移插入导致了新的碳-碳键。然后钯从邻近的碳原子中夺取一个氢原子，重新形成C=C双键，新形成的分子被释放出来。卤化氢的还原消除使钯处于原来的零价状态，为另一个反应循环做准备。

“结果很快就出来了，”赫克回忆道。“这种反应也适用于其他金属，但效果不太好。”用钯，效果更好。赫克立刻明白了这项工作的意义。“当时我意识到，这是一种有用的方法，因为你无法用其他方法轻松完成这些事情。当然，钯是昂贵的，他担心这种反应可能难以与传统的有机化学竞争。但事实证明，你不需要太多的钯，这就解决了问题，使它变得可行。

赫克一直在特拉华大学工作，直到1989年退休，现年79岁。谈到获得诺贝尔奖，他说，这让他觉得一切都是值得的。

在元素周期表中钓鱼

20世纪60年代初，根岸根志获得奖学金来到美国费城的宾夕法尼亚大学，并立即发现了有机合成的挫折。“为什么合成如此困难，即使你遵循食谱?”他记得自己问道。“有些合成是从一个复杂的化合物开始的，但最后大部分都被分解掉了——为什么我们要这么绕圈子呢?”这让我开始思考交叉耦合的新方法。”

根岸转到美国西拉斐特普渡大学赫伯特·布朗的实验室，开始研究使用有机金属和过渡金属催化剂的交叉耦合。“我想我们应该去钓鱼，用元素周期表做向导，”他说必威体育 红利账户．

已经有大量文献可以追溯到30多年前使用过渡金属进行一系列偶联反应。钴、镍和铁可以催化格氏试剂烷基卤化镁或芳基卤化镁与有机卤化物的C-C键形成反应。然而，这些反应对某些微妙的官能团不耐受，选择性相对较低，这让合成有机化学家有些头疼。

最终，根岸根志发现了有机铝和镍的组合，他说，这是一个顿悟的时刻。他说:“我很快意识到，这种反应将具有广泛的适用性。”1976年至1978年期间，根岸在美国雪城大学(Syracuse University)发表了几篇论文，描述了Pd或ni催化的各种有机金属的交叉耦合。他发现了许多具有高选择性和高产率的组合。今天，这些涉及锌、铝和锆的反应被称为根岸偶联。

75岁的根岸根志仍然活跃在普渡大学的HC布朗化学特聘教授的职位上，他说诺贝尔奖的授予不会促使他退休。他说，我的目标可能已经完成了一半。我希望至少再干几年。”

越来越温和

1979年，在日本北海道大学工作的铃木有了重大发现。在碱存在的情况下，有机硼化合物可与乙烯基和芳基卤化物交叉偶联，并以钯为催化剂。有机硼化合物的固有稳定性、温和的反应条件和广泛的官能团耐受性意味着这种反应在学术和工业环境中都变得非常实用。现年80岁的铃木于1994年退休，但仍是北海道大学的名誉教授。

铃木和根岸偶联以与Heck反应相同的方式开始，Pd(0)氧化添加到有机卤化物。第二偶联伙伴通过从相关有机金属试剂的跨金属化过程交付给钯。然后还原消除将两个伙伴结合在一起，形成新的C-C键并再生Pd(0)催化剂。

第四个钯催化交叉偶联的先驱是美国化学家约翰·斯蒂尔，许多人认为，如果他没有在1989年爱荷华州的一次飞机失事中丧生，他也会分享这一奖项。12年前，在美国柯林斯堡的科罗拉多州立大学，Stille发现钯可以催化有机卤化物与有机锡化合物的交叉偶联反应。“最终分享这一奖项的三位科学家完全应该获得这一荣誉，但我不禁认为，由于约翰·斯蒂尔的过早去世，委员会的决定在很多方面都更容易做出，”科罗拉多州立大学约翰·K·斯蒂尔化学讲座的现任主席托米斯拉夫·罗维斯说。“遗憾的是，我们永远不会知道本来会发生什么。”

为了说明钯催化交叉偶联反应的多样性和重要性，诺贝尔奖委员会引用了一些学术和工业合成的例子。其中包括抗癌药物紫杉醇(紫杉醇)的完全合成，赫克反应被用于在化合物的中心生成复杂的三环八元环。¹赫克反应也被用来合成吗啡的战略键。²

根岸偶联是实验室合成海洋抗病毒天然产物亨诺唑A的关键。^3.采用铃木偶联法制备抗病毒溴吲哚类生物碱dragmacidin F。⁴后两者是敏感官能团存在的特别好的例子，因此温和的反应条件是至关重要的。这些仅仅是钯催化交叉偶联的少数例子，钯催化交叉偶联已经并将继续用于数千种重要化合物的合成，从最复杂的天然产物到吨级工业中间体。