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现代有机合成之父-罗伯特·伯恩斯·伍德沃德

发布者:admin时间:2017-09-20浏览量: 189

他是20 世纪在有机合成化学实验和理论上,取得划时代成果的有机化学家,许多人因为他极其精巧的技术和举世闻名的成就称他为“现代有机合成之父”。他在26 岁时就在试管内合成了奎宁,之后他在哈佛的实验室内先后陆续合成了叶绿素、马钱子碱、胆甾醇、麦角酸、利血平等至少24 种极难合成的有机化合物。他就是20 世纪著名的“合成”大师-罗伯特·伯恩斯·伍德沃德(Robot·Burns·Woodward)教授。
 
 
 
神童​
伍德沃德1917 年4 月10 日生于美国马萨诸塞州的波士顿。伍德沃德从小即醉心于化学,小学、初中时就已经开始自学化学。在他上高中前,就已经把路德威·哥特曼(Ludwig Gattermann)编写的一本学校普遍使用的有机化学实验教材里的大部分实验,都想办法做了一遍。20 世纪早期,德国在全球的科学技术成就颇高,掌握着很多世界前沿的科学技术。年仅11 岁的伍德沃德深知德国强大的科学研究实力,就找到了驻波士顿的德国领事馆总领事,并通过他取得一些发表在德国期刊上的论文。1933 年,素有“神童”之称的伍德沃德以优异的成绩考入美国著名大学麻省理工学院,当时在班里年纪最小的他从入学就被寄予厚望,但他却在次年因忽视其他课程的学习导致成绩不好而被校方开除。戏剧性的是,麻省理工于1935 年再次录取了伍德沃德,这次学校为了培养他,专门为他单独安排了许多课程。伍德沃德不负众望,于1936 年成功获得麻省理工学院理学学士学位。伍德沃德获学士学位后,只用了一年的时间便直接攻取博士学位。当他学完博士的所有课程,通过论文答辩并获得博士学位的时候,他的很多同学甚至连学士学位都还没有拿到。从学士到博士,普通人往往需要6 年左右的时间,而伍德沃德只用了一年,这个速度不仅在他同龄人中极为罕见,就是在麻省理工学院的历史上也是绝无仅有的。获博士学位以后,伍德沃德在哈佛大学执教,1950 年被聘为教授。他的教学风格以严谨著称,并在教学中十分重视化学演示实验,以重点训练学生的实验技巧。经过他培养的学生,许多人后来都成为了化学界的知名人士,这其中就包括获得1981 年诺贝尔化学奖的美国化学家霍夫曼(R.Hoffmann)。
 
 
 
​有机合成和诺贝尔奖 
在20 世纪初,有机化学总体上还是一门实验学科,没人认为复杂的分子还可以被人工合成出来。伍德沃德通过合成奎宁毒素给大家展示了这样一个事实:有机合成可以成为一门理论学科,利用反应和结构的知识可以帮助实现复杂的有机合成。奎宁的人工合成是伍德沃德一生所完成的无数极其复杂而精妙的合成里的首例,但这也仅仅是一个开端。从1940 年开始,伍德沃德合成了许多复杂的天然产物分子,包括奎宁,胆固醇,可的松,马钱子碱,麦角酸,利血平,叶绿素和头孢氨素等。通过这些分子的合成,伍德沃德开创了有机合成的一个新纪元,这通常被人们称为“伍德沃德时代”。他向世人展示了只要仔细地运用物理有机化学的原理,以及精细的策划,天然产物可以通过人工的方法合成出来。世界大战期间,伍德沃德提出了青霉素正确的β-内酰胺结构,纠正了罗伯特·罗宾逊提出的塞唑啉-恶唑结构,而后者是当时有机界的权威。伍德沃德的同事、诺贝尔奖获得者德里克·巴顿评论道:“最牛的结构式鉴定当属土霉素无疑。这个问题工业价值很大,引得众多天才化学家们纷纷投入这项工作中来。研究数据繁多而无头绪,很多东西实验上没有问题,但却得不到正确的结果。伍德沃德拿了张卡片,罗列出各个研究数据,静思良久,便推出了土霉素的正确结构。这在当时是无人能及的。”伍德沃德再一次通过实例告诉人们,结合理性思辨与理论知识以及对化学精准的直觉,他可以做到常人难以做到的事情。他对世界科学界的贡献是有目共睹的,于是他在1965 年摘得了诺贝尔化学奖的桂冠,这个奖既是对他有机合成工作的肯定,也是对他后来工作的激励。
 
 
 
​维生素B12
如今我们能够轻易的以极其低廉的价格买到维生素B12,但是在几十年前,人工尚不能合成B12 的时候,这种极为重要的药物,只能从动物的内脏中经人工提炼,所以价格极为昂贵,供不应求。缺乏维生素B12 会导致神经功能的损伤、精神抑郁、睡眠质量不好、记忆力下降等, 因而当时对于维生素B12 缺乏的人群来说日子过得异常艰难。维生素B12 的结构极为复杂,伍德沃德经研究发现,它有181 个原子,在空间呈魔毡状分布,性质极为脆弱,受强酸、强碱、高温的作用都会分解,这就给人工合成造成了极大的困难。伍德沃德设计了一个拼接式合成方案,即先合成维生素B12 的各个局部,然后再把它们对接起来。这种方法后来成了合成所有有机大分子普遍采用的方法。合成维生素B12 的过程中,不仅存在一个创立新的合成技术的问题,还遇到了一个传统化学理论不能解释的有机理论问题。为此,伍德沃德参照了日本化学家福井谦一提出的“边界电子论”,和他的学生兼助手霍夫曼一起,提出了分子轨道对称守恒原理。这一理论用对称性简单直观地解释了许多有机化学过程,如电环合反应过程、环加成反应过程等。该原理指出,反应物分子外层轨道对称一致时,反应就易进行,这叫“对称性允许”;反应物分子外层轨道对称性不一致时,反应就不易进行,这叫“对称性禁阻”。分子轨道理论的创立,使霍夫曼和福井谦一共同获得了1981 年诺贝尔化学奖。因为当时,伍德沃德已去世两年,而诺贝尔奖又不授予已去世的科学家,所以学术界认为,如果伍德沃德还健在的话,他必是获奖人之一,那样,他将成为少数两次获得诺贝尔奖金的科学家之一。伍德沃德合成维生素B12 时,共做了近千个复杂的有机合成实验,历时11 年,终于在他谢世前几年实现了完成了复杂的维生素B12 的合成工作。在有机合成过程中,伍德沃德以惊人的毅力夜以继日地工作,例如在合成番木鳖碱、喹宁碱等复杂物质时,需要长时间的守护和观察、记录,那时,伍德沃德每天只睡4 个小时,其他时间均在实验室工作。
 
 
 
​大师
“大师”,不仅仅是在某个领域造诣深厚的人,更是以身体力行影响别人并对社会有益的人。伍德沃德不仅在有机合成领域成绩斐然,他还和他的同事在多年的实验室工作期间研发出了一些化学仪器,而且他还发现了众所周知的“伍氏规则”。利用这个规则,科学家可以预算烷基或羰基取代的共轭二烯或三烯等的紫外吸收峰,所得的结果与实验数据非常吻合,其准确度一般可达2 纳米-3 纳米误差范围之内。在红外光谱的使用方面,他通过对青霉素结构的测定,开辟了一个非常重要的β-内酰胺的研究领域,在医学和化学上占有重要的地位。另外,他根据使用仪器分析的体会,纠正了当时许多化学家把红外光谱仅用于测定纯有机物的习惯,认为这样做不仅限制了这个方法的使用范围,并且降低了这个方法的威力。他号召化学家应将这个方法运用于反应进行时混合物的测定,这不但可以提供产物的结构,还可以为反应的进行及机理研究提供重要的线索。伍德沃德谦虚和善,不计名利,善于与人合作,一旦出了成果,发表论文时,他总喜欢把合作者的名字署在前边,也有时干脆不署名,对他的这一高尚品质,学术界和他共过事的人都众口称赞。伍德沃德对化学教育尽心竭力,他一生共培养研究生、进修生500 多人,他的学生已遍布世界各地。伍德沃德在总结他的工作时说:“之所以能取得一些成绩,是因为有幸和世界上众多能干又热心的化学家合作。”1979 年6 月8 日,伍德沃德积劳成疾,与世长辞,终年62 岁。他在辞世前还在他的学生和助手面前,念念不忘许多需要进一步研究的复杂有机物的合成工作,也许对于他来说,有机合成已经不仅仅是一份工作,更是他生命的一部分。
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