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“Making Things Happen”——紀(jì)念伍德沃德

2021-07-09 00:30 作者:查冇此人  | 我要投稿

1979年7月8日,一代合成大師羅伯特·伯恩斯·伍德沃德辭世,享年62歲,今天是他去世42周年紀(jì)念日。

伍德沃德從小醉心于化學(xué),在上高中前已經(jīng)自學(xué)了不少,并且將一本有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都做了一遍。另外,他還想方設(shè)法獲取了大量的文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀。據(jù)他在一次科普講座中所述,他在文獻(xiàn)堆中發(fā)現(xiàn)了的迪爾斯-阿爾德反應(yīng)(D-A反應(yīng),1950年二人因此獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))的原始文獻(xiàn),這更讓他對(duì)有機(jī)合成著迷,在后來的工作中對(duì)D-A反應(yīng)進(jìn)行了大量使用和研究。

1933年他被麻省理工錄取,次年即因嚴(yán)重偏科被校方開除。但天才的人生中,挫折往往預(yù)示著潮涌。1935年他再次被麻省理工錄取,次年即獲得學(xué)士學(xué)位,再過一年拿到了博士學(xué)位,彼時(shí)1933年一起入學(xué)的同學(xué)還沒畢業(yè)。很快,他加入哈佛大學(xué)開始了研究。

在那個(gè)時(shí)代,有機(jī)合成還是一門“實(shí)驗(yàn)科學(xué)”。從1821年維勒首次人工合成尿素,拉開有機(jī)合成時(shí)代的序幕后,直到1901年維爾施泰特通過十多步反應(yīng)合成托品酮,才進(jìn)入通過多步反應(yīng)合成較復(fù)雜的天然分子的新時(shí)代。彼時(shí)的有機(jī)合成頗有些走一步看一步的意味,有限的表征手段也限制了它的發(fā)展,盡管天然產(chǎn)物分子不斷被攻克,但更多的分子被認(rèn)為是不可能被合成的。


托品酮的首次合成(1901)

曙光于1944年降臨??鼘?,又名金雞納霜,是一種抗瘧藥物,在二戰(zhàn)時(shí)期被大量需求。但金雞納樹的產(chǎn)地東南亞被日軍占據(jù),奎寧藥材短缺。那一年,伍德沃德完成了奎寧的全合成工作,標(biāo)志著有機(jī)合成進(jìn)入新時(shí)代。盡管路線復(fù)雜不適合工業(yè)化,但這給當(dāng)時(shí)的有機(jī)化學(xué)家們打了一劑強(qiáng)心針,復(fù)雜天然產(chǎn)物的全合成是可以實(shí)現(xiàn)的!

奎寧(1944)

有機(jī)合成進(jìn)入了“大航海時(shí)代”,伍德沃德無疑是領(lǐng)航者。20世紀(jì)40年代,類固醇激素如可的松已經(jīng)廣泛應(yīng)用,同時(shí)膽固醇等甾類化合物也備受關(guān)注。1951年,伍德沃德完成了膽固醇和可的松的全合成,讓復(fù)雜人類激素及其衍生物的合成成為可能,1954年他又完成了士的寧、麥角酸、羊毛甾烯醇等甾類化合物的合成。

但這些讓化學(xué)家們?yōu)橹d狂的工作,不過是伍德沃德傳奇人生中的一筆。50年代,利血平作為鎮(zhèn)靜劑在精神疾病中被廣泛應(yīng)用,但其天然來源蛇根木被印度政府封鎖。利血平與奎寧和膽固醇又有不同,它的手性中心很多,但幾十種構(gòu)象中只有一個(gè)是有效的。“下一位挑戰(zhàn)者,是來自哈佛大學(xué)的伍德沃德!”由于利血平在藥物方面的大量需求,在眾多藥企的幫助下,僅用了兩年,伍德沃德便完成了利血平的全合成,合成效率不輸天然提取。

利血平(1956)

利血平的合成剛結(jié)束,伍德沃德又將目光投向葉綠素,它是光合作用中的重要一環(huán),是一種二氫卟吩類化合物。很快,1960年他便完成了葉綠素a的全合成。但葉綠素a只是一個(gè)前奏,伍德沃德即將迎來生涯最大的挑戰(zhàn),也是有機(jī)合成的里程碑——維生素B12的合成。

維生素B12又名鈷胺素,是一種含鈷和咕啉環(huán)的復(fù)雜天然產(chǎn)物。不敢說自然中沒有比它更復(fù)雜的分子,但僅僅看一眼它的結(jié)構(gòu)就已經(jīng)令人頭皮發(fā)麻。1920年代,美國(guó)醫(yī)生惠普爾首次發(fā)現(xiàn)動(dòng)物肝臟可以治療惡性貧血,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)是維生素B12的作用,他憑借此成果獲得1934年的諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1956年,英國(guó)晶體學(xué)家霍奇金通過X射線晶體衍射確定了維生素B12的結(jié)構(gòu),憑借此獲得了1964年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。維生素B12,集兩項(xiàng)諾獎(jiǎng)與彼時(shí)對(duì)生化物質(zhì)及其結(jié)構(gòu)的研究的巔峰,無疑是有機(jī)合成皇冠上最亮的一顆明珠。

但在開始之前,1965年,伍德沃德先領(lǐng)了個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)??鼘帯⒛懝檀?、可的松、利血平、葉綠素……每一項(xiàng)工作都足以讓一位有機(jī)化學(xué)家青史留名,但伍德沃德并不想這么早就停下腳步。他將諾獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)感言變成了一場(chǎng)學(xué)術(shù)講座,講述了他對(duì)頭孢霉素合成路線的設(shè)計(jì)。

伍德沃德的諾獎(jiǎng)演講(1965)

但即便天才如伍德沃德,獨(dú)自挑戰(zhàn)維生素B12也頗有難度。他獲悉蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的有機(jī)化學(xué)家艾申莫瑟也在挑戰(zhàn)維生素B12的合成,于是很快開始了全面合作,伍德沃德負(fù)責(zé)左半部分,艾申莫瑟負(fù)責(zé)右半部分。接下來,這場(chǎng)人類心智巔峰之一的挑戰(zhàn),變成了全球二十多個(gè)國(guó)家、一百多位科學(xué)家的攻關(guān)。上百步反應(yīng),十多年時(shí)間,阻擋不住豐碑的建立!1976年3月17日,兩個(gè)小組宣布完成了維生素B12的全合成。可以毫不夸張的說,從此以后,世界上再?zèng)]有人類合成不了的分子,人類之手既是上帝之手!

維生素B12

然而,天妒英才。

還記得前文提到的對(duì)伍德沃德影響深遠(yuǎn)的D-A反應(yīng)嗎?它是一種“周環(huán)反應(yīng)”。在維生素B12的合成研究中,伍德沃德與合作者霍夫曼對(duì)周環(huán)反應(yīng)的機(jī)理和產(chǎn)生立體化學(xué)的規(guī)則進(jìn)行了深入的研究,并提出了伍德沃德-霍夫曼規(guī)則,這是利用計(jì)算化學(xué)和分子軌道研究周環(huán)反應(yīng)的開端。1981年,霍夫曼和前線軌道理論的提出者福井謙一一同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),然而伍德沃德沒能站上領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái),他于1979年7月8日因突發(fā)心臟病在睡夢(mèng)中辭世。如果伍德沃德還活著,它無疑能夠第二次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

其實(shí),伍德沃德還錯(cuò)過了一次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1950年代早起,伍德沃德與英國(guó)化學(xué)家威爾金森共同提出了二茂鐵的“夾心結(jié)構(gòu)”,這被認(rèn)為是金屬有機(jī)化學(xué)的開端,威爾金森也因此獲得1973年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在伍德沃德去世前,他正在進(jìn)行抗生素紅霉素的全合成研究。在他逝世后,他曾經(jīng)的學(xué)生、日本化學(xué)家岸義人接替他完成了這項(xiàng)工作。值得一提的是,岸義人最知名的研究成果之一是巖沙??舅氐娜铣桑@也是公認(rèn)的除維生素B12外最復(fù)雜的分子之一。

巖沙??舅?/figcaption>

伍德沃德讓有機(jī)合成成為了一門藝術(shù),他的合成工作都充滿了美感,有時(shí)甚至給人一種天馬行空的感覺。但有機(jī)合成無疑是一門科學(xué),在伍德沃德逝世數(shù)年后,著名有機(jī)化學(xué)家科里提出了逆合成分析法,從此有機(jī)合成有了理論的指導(dǎo),不斷發(fā)展至今。

伍德沃德是最偉大的化學(xué)家之一,他開創(chuàng)了新的時(shí)代,但站在歷史的角度去看,伍德沃德生在一個(gè)科學(xué)大爆發(fā)的時(shí)代。整個(gè)20世紀(jì),僅僅是有機(jī)化學(xué)的發(fā)展,從糖類到萜類(1902、1910、1939化學(xué)獎(jiǎng)),從甾類到維生素(1928、1937、1938化學(xué)獎(jiǎng)),從格氏試劑到D-A反應(yīng)(1912、1950化學(xué)獎(jiǎng)),從有機(jī)合成的實(shí)踐到理論(1965、1981、1990化學(xué)獎(jiǎng))…….那是個(gè)偉大的時(shí)代,除了名留青史的科學(xué)家們,還有更多的研究者被遺忘著。

科學(xué)的迷人之處正在于此??茖W(xué)研究是需要天賦的,總會(huì)有天才引領(lǐng)著科學(xué)的發(fā)展甚至是爆炸性的突破,在天才的光環(huán)下,多少研究者的努力都顯得黯淡了。但科學(xué)研究還需要奮不顧身,古往今來無數(shù)的科研工作者,明知自己將默默的為科學(xué)奉獻(xiàn)自己的一生,仍愿意為科學(xué)的大樓添磚加瓦,寧愿成為不為人知的地基,所以他們的汗水永遠(yuǎn)散發(fā)光芒。

科學(xué)家們正在挑戰(zhàn)不可能,正在“Making Things Happen”!

“Making Things Happen”——紀(jì)念伍德沃德的評(píng)論 (共 條)

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