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【2021諾貝爾化學獎】更高效率且環保的化學合成——「不對稱有機催化劑」

PanSci_96
・2021/10/06 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2021年諾貝爾化學獎得主於10月6日揭曉!由德國學者李斯特(Benjamin List)和美國學者麥克米倫(David MacMillan)共同獲獎;他們的獲獎原因是推動了「不對稱有機催化劑」(asymmetric organocatalysis)的發展;諾貝爾委員會指出,他們開發出的有機催化劑不但對藥物研究產生巨大影響,也使化學合成的過程更加環保。

催化劑與不對稱催化

在日常生活當中,催化劑的應用極為常見:藥品、塑料、香水和香料,據估世界上35%的GDP是與某種化學催化有關。在2000年以前發現的所有催化劑,不是金屬就是酵素(也被稱為「酶」)。尤其是金屬,因為它們在化學反應發生時能暫時容納或是提供電子的特性,使得金屬成為很好的催化劑。

但金屬催化劑也有些問題:其一是有些對氧氣和水特別敏感,需要在無水無氧的環境操作,且部分價格相當昂貴,這在工業化製程當中很難實現;另一個是許多金屬催化劑是重金屬,對環境有害。第二種催化劑是與人體生理反應息息相關的「酵素」,所有生物體內成千上萬種的反應都與此有關,它們通常是由數百種氨基酸構成的巨大分子。

李斯特(Benjamin List)和麥克米倫(David MacMillan)在 2000 年時,各自在有機小分子(small organic molecules)的基礎上開發了第三種催化劑:不對稱有機催化劑。有機催化劑的應用在2000年後迅速擴展,主因是它們能夠驅動不對稱催化(asymmetric catalysis)。

有一種異構物,兩者在結構上就像你的兩隻手,長得很像但不能疊合,這種異構物稱為「對應異構物」。為了區分兩者,我們會用「左/右手性」、「左/右掌性」或「左/右旋光性」來描述結構上的差異。

掌性示意。圖 / Wikipedia

對應異構物結構上的差異,也會影響到它的性質,例如:人體只能吸收右旋光性維他命 C (附註:市面上的左旋 C 並不是光左旋,而是左型右旋維他命 C)。而人工合成維他命 C 的時候,通常不可能全部變成右旋光性維他命 C,造成原物料的浪費。

在構建分子時,經常會出現兩種不同的分子可以形成的情況,就像人類的左右手一樣,是彼此的鏡像,但化學家通常只需要其中一種,尤其是在生產藥品時。

2001 年諾貝爾化學獎頒給了「不對稱催化劑」,這種催化劑可以讓化學反應的產物,多數變為某種對應異構物,以上述為例,若在人工合成維他命 C 的化學反應中,加入非對稱催化劑,能夠有效的生產右旋光性維他命 C,減少浪費。

催化,能不能再更簡單一點?

班傑明.李斯特 (Benjamin List) 在研究*催化性抗體的時候,開始思考酵素的工作原理。酵素是由氨基酸所構成,有些還含有有助於推動化學反應的金屬,但重點是:許多酵素是在沒有金屬的情況下催化化學反應的,且反應是由酵素中一個或少數幾個氨基酸所驅動的。這讓 Benjamin 在想,氨基酸一定得要是酵素的一部分才能催化化學反應嗎?單個氨基酸、或是類似的簡單分子,可以勝任這些工作嗎?

  • 催化性抗體:具有加速化學反應特性的抗體,以酵素反應過程中受質的過度態類似物為抗原。

Benjamin 知道,早在 25 年前、1970 年代就有人在研究以脯氨酸 (proline) 用做催化劑,但卻沒有人繼續研究下去,Benjamin 認為可能是其效果不甚理想。因此在不抱任何的期待下,Benjamin 測試了是否能夠催化讓兩個碳原子結合的羥醛反應 (aldol reaction) 。這個簡單的嘗試,卻有令人驚訝的結果:它相當的有效。

透過實驗,Benjamin 不僅證明脯氨酸是一種有效的催化劑,也證明了這種氨基酸可以驅動不對稱催化。與最開始研究脯氨酸作為催化劑的研究人員不同,Benjamin 了解它可能具有的巨大潛力,與金屬和酶相比,分子簡單、更容易合成且環保的脯氨酸,對化學家來說夢寐以求的工具。當他在 2002 年 2 月發表時,Benjamin 認為有機分子的不對稱催化是一個在未來會很有潛力的新概念。

讓不對稱催化劑投入量產

而大衛麥克米倫(David MacMilan)為了能夠讓不對稱催化劑用在大規模工業生產,開始改良非對稱催化劑,由於在金屬的不對稱催化劑上沒有進展,他決定改變方向,嘗試以簡單的有機分子作為不對稱催化劑。

左圖為原本的金屬催化劑,銅原子是相對脆弱的部分,這使催化劑容易變質,增加使用上的難度。右圖為麥克米倫的有機分子催化劑。麥克米倫為了解決金屬催化劑中,金屬原子在結構中相對脆弱的問題,他決定開發一種沒有金屬原子的催化劑,後稱為「有機分子催化劑」。

透過有機催化劑驅動的化學反應,可讓研究人員更有效率的建構新藥物,甚至是太陽能電池中可捕獲光的分子。透過這些應用,有機催化劑為人類帶來極大的貢獻。而在李斯特與麥克米倫發現有機分子催化劑之後,也持續設計出了大量廉價且穩定的有機催化劑,讓不同的化學反應使用。

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PanSci_96
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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1644字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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燕麥奶為什麼這麼好喝?如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的?——解析燕麥奶的加工原理
Evelyn 食品技師_96
・2022/09/25 ・3649字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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你喝過燕麥奶了嗎?相信很多人第一時間都會想到 Oatly,它原先流行於歐美咖啡界,後來因全球興起植物性飲食,加上具有健康、永續等訴求,使得燕麥奶的風潮也迅速吹進臺灣來。

燕麥奶背後代表的健康與永續等訴求,讓風潮在這幾年間快速傳開。 圖/GIPHY

現在知名連鎖咖啡店星巴克與 Cama 的燕麥奶拿鐵皆使用 Oatly 製作;路易莎與 85 度 c 則採用愛之味研發的咖啡師燕麥奶;後來連鎖超商的現煮咖啡也紛紛跟進,如今「燕麥奶拿鐵」已成為咖啡廳菜單上必喝的飲品之一。

但是你有沒有想過,充滿膳食纖維的燕麥,做成飲料感覺應該是口感稠厚,並且有顆粒和渣渣感,然而這個新型態的植物飲品燕麥奶,喝起來卻有如牛奶一般,具有微甜、絲滑的口感,到底是如何辦到的呢?

燕麥有多營養?內含 β-葡聚醣幫助保健

那麼就先從「燕麥」這個原料開始談起。

燕麥(Avena sativa L.),因其果實外穎先端芒尖分叉如燕尾狀而得名,為溫帶地區一年生的作物[1]

燕麥果實外穎先端芒尖分叉如燕尾狀。圖 / 參考資料 1

燕麥穀粒結構一般可簡單分成胚芽(germ)、胚乳(endosperm)及麩皮(bran)三個部分,胚乳主要成分是碳水化合物與蛋白質,也是製造成燕麥奶最主要的來源;纖維主要存在於麩皮;而礦物質及維生素多存在於胚芽及麩皮中[2]

燕麥營養價值高,為蛋白質和膳食纖維的良好來源,其蛋白質含量約為 15-20%,燕麥球蛋白(avenalin)是最主要的蛋白質(約佔 70-80%),在穀類中被視為優良蛋白質的來源之一[3]

而 β-葡聚醣( β-glucan)是燕麥最具保健功效的水溶性膳食纖維,在遇水後會膨脹,形成人體無法吸收的膠狀體。故可延緩食物消化吸收的速度,延長飽足感,也具有降低血液中的低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein-cholesterol ; LDL-C)與血糖含量等益處[4]

燕麥穀粒結構。 圖 / 參考資料 3

改善燕麥糊化後變稠的關鍵——酵素水解

燕麥的主要由澱粉組成,具有高溶脹(high-swelling)的特性,在加熱過程中會快速吸水膨潤,於攝氏 44.7-73.7 度間(糊化溫度)糊化產生高黏稠性米白色漿體,甚至可達到如凝膠狀態的稠度[2]

這樣不但限制燕麥的添加比例,也增加製造過程中的操作與清洗難度。為了讓它保持流動性,有一道「酵素水解」的程序(酵素又稱為酶),可將澱粉分解成小分子以提升流動性,在加工過程中就能夠順利流動[2]

延伸閱讀:烘焙系動畫利用米做麵包——淺談米的科學與應用

而燕麥因澱粉含量高,需使用澱粉酶(amylase)進行水解,一般廣泛應用於澱粉水解的酵素有兩種,為 α-澱粉酶與 β-澱粉酶。

α-澱粉酶(α-amylase)是一種內切型葡萄糖苷酶,可任意切斷 α-1,4 糖苷鍵(glycosidic bond),生成大小不一的分子,包括直鏈和支鏈寡糖、麥芽糖、葡萄糖及糊精等產物,因反應完後產物黏度會急劇下降,故又稱「澱粉液化酶」。

β-澱粉酶(β-amylase為外切型葡萄糖苷酶,從澱粉的非還原端逐次以一分子麥芽糖為單位,切斷 α-1,4 糖苷鍵,產物為麥芽糖、少量糊精或葡萄糖,因此又稱「澱粉糖化酶」[5]

另外有研究指出,燕麥在水解過程中若單一使用 α-澱粉酶或 β-澱粉酶,無法使燕麥水解液兼具黏度降低與產生麥芽糖的優點,兩者混合使用的效果最佳[2]

微甜又絲滑的燕麥奶是怎麼來的?

既然澱粉酶是製造燕麥奶的關鍵,那到底是如何加工的?

首先,將燕麥加水浸泡軟化,研磨成燕麥漿,接著升溫至澱粉酶適合的作用溫度,加入澱粉酶進行水解。燕麥漿會從濃稠狀逐漸轉變為流動狀,並產生許多麥芽糖或少量葡萄糖等,甜度也會因此而提高。

水解結束後,將燕麥漿加熱至攝氏 90 度以上使澱粉酶失去活性(即蛋白質變性),然後進行過濾,去除無法水解的纖維和殘渣,獲得澄清的米白色液體,為燕麥水解液[2]

再將燕麥水解液與水、植物油、食鹽、磷酸鹽類或是其他營養成分混合,例如:可添加碳酸鈣,彌補燕麥奶缺乏鈣質的缺點;添加膠體以提升飲品穩定性;或是添加香料來增添風味。

將上述原料混合後進行均質(homogenization)[注 1],形成質地穩定的飲品,這樣就完成微甜(來自麥芽糖或葡萄糖等)又絲滑(來自植物油)的燕麥奶,即可進行殺菌、包裝來販售囉!

如此一來,我們熟悉的好喝燕麥奶就完成了。 圖/envato.elements

β-葡聚醣不見後,燕麥奶又為什麼能打成奶泡?

然而這樣的加工方式有個遺憾的缺點,那就是在後段進行過濾去除殘渣時,容易造成 β-葡聚醣損失。

因 β-葡聚醣大部分存在於大粒徑的殘渣中(麩皮),這些殘渣多為不溶性膳食纖維,故不會被澱粉酶水解[2],所以若想要補充 β-葡聚醣,建議直接沖泡燕麥片來食用會較容易達到保健的效果。

此外,燕麥奶之所以能打成綿密的奶泡,是因為燕麥含有的「蛋白質」具有起泡性。

燕麥奶打入空氣後,蛋白質展開,吸附到氣體與液體之界面處包住氣泡,蛋白質的疏水端隨之移動到氣泡內,親水端則移到氣泡外,與液體相互作用形成液體膜層,氣泡就被這個膜保留住,形成綿密的奶泡。

而起泡性會受到 pH 值、離子強度和糖質種類的影響,一般而言,添加鹼性材料可增加泡沫體積;添加糖質可增加泡沫安定性[5]

故一般市售燕麥奶均會添加磷酸鹽類(鹼性材料);糖質來自燕麥水解液本身的產物,即麥芽糖或葡萄糖等,就不需再額外添加。

燕麥奶本身含有的蛋白質,與添加磷酸鹽類,都可以幫助燕麥奶打出綿密的奶泡。(本圖僅供示範,請勿浪費食物!) 圖/GIPHY

為什麼燕麥奶的成份表沒有標出「酵素」?

不過,仔細看市面上燕麥奶的成份標示,似乎都沒有標出「酵素」或「澱粉酶」等字樣,依《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》,酵素屬於食品添加物[注 2],不是應該要標示出來嗎?

因為法規特別規定,食品添加物若在食品加工製造使用,在終產品完成前,經過中和、去除或以其他方法使其失去活性,對終產品無功能者,得免予標示[注 3]

上述分享了這麼多燕麥奶的小知識,是因為隨著友善環境與健康意識的抬頭,植物基產品已成為現代人的食尚新選擇,而「燕麥奶」便是新型態植物基飲品的最佳代表。

燕麥奶不但能打發出綿密細緻的奶泡,適合搭配咖啡或茶,最近還發展出更多元的料理方式,像是製作成燕麥奶吐司、燕麥奶甜點,甚至還能入菜,做成燉飯或是燕麥奶火鍋等,提供素食者更多友善低負擔的美味餐點[8]

相信未來會有愈來愈多人來一同響應這股蔬食趨勢,甚至成為新的飲食型態。

相信未來會有愈來愈多人喜歡上這股新形態的飲食風潮。  圖/GIPHY

註解

1. 均質(homogenization),利用高壓所產生的剪切力,將大小不一的脂肪球撞碎成大小均一且細小的脂肪球,使脂肪球能均勻散佈在水中,形成穩定且均勻飲品,才不會產生油水分離的現象。

2. 酵素在《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》中,被歸於第 (十七) 其他類別的食品添加物[6]

3. 食品安全衛生管理法施行細則第九條第二項指出,食品添加物若對終產品無功能者,得免標示之[7]

參考資料

1. 莊溪,2000。燕麥。認識植物。

2. 陳愉婷,2020。燕麥應用於植物性飲品之研究開發。食品工業 52:07,49-54。

3. Chu, Y. and Blatner, D. J. 2016. The Whole Grain Picture: Sharing the Science Behind Oats. International Journal of Food Science and Nutrition 1: 6 1-10.

4. Deswal, A., Deora, N. S. and Mishra, H. N. 2013. Optimization of Enzymatic Production Process of Oat Milk Using Response Surface Methodology. Food and Bioprocess Technology 10.1007/s11947-013-1144-2

5. 顏國欽,2020。最新食品化學。臺中市:華格那出版有限公司。

6. 食品藥物管理署,2022。食品添加物使用範圍及限量暨規格標準。衛生福利部。

7. 食品藥物管理署,2017。食品安全衛生管理法施行細則。衛生福利部。
8. 經濟日報 新聞部編輯中心,2021。台灣首發「燕麥奶入菜」 美味復「蔬」計劃正式啟動。聯合報系。

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Evelyn 食品技師_96
16 篇文章 ・ 13 位粉絲
一名食品技師兼研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確知識!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁喔!https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421

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【2005 諾貝爾化學獎】歧化 – 一個更換伴侶的舞蹈
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/09/13 ・5122字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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今年的諾貝爾化學獎由三位化學家所共同獲得,他們是法國的 Yves Chauvin,以及兩位美國的學者 Robert H. Grubbs 及 Richard R. Schrock,得獎的原因在表彰他們發展歧化(metathesis)反應在有機合成上的運用所造成的卓越貢獻。得獎者的成就已經在化學工業上成為一項重要的方法,並在合成化合物上開啟了新的機會而將使工業上製造藥物、塑膠以及其它材料的生產更為方便,這些物質的價格會因此降低而且減少對環境的衝擊。

歧化 — 一個更換伴侶的舞蹈

什麼是歧化?

在化學的反應中,原子之間的鍵結會斷裂而新的鍵結會生成。今年諾貝爾化學獎的焦點是稱為"歧化"的反應,這個名詞具有"改變位置"的意義。如(圖1)所示,在烯(一種含有碳-碳雙鍵的化合物)的歧化反應中,形成雙鍵的兩個碳會與另外一組雙鍵的兩個碳交換伴侶,形成另一個新的組合。在所示的反應中,一個丙烯的分子將其中的一個 CH2 基團與另一分子的丙烯中之 CH3CH 交換,結果就產生了丁烯及乙烯。這個反應需要使用一個催化劑(催化劑是一個能使反應加速進行但卻不會成為產物的一部份的分子)才會發生。

(圖1)兩個丙烯藉著催化劑的幫助進行烯的歧化反應,產生兩個新的烯化物即丁烯和乙烯。

其實化學家早就知道可以透過這種反應來製造新的化合物,只是他們並不瞭解催化劑在這個反應中扮演的角色為何。Yves Chauvin 提出的反應機制在對這個反應的認知上跨出了一大步,因為他解釋了催化劑是如何的運作。此時,研究者獲得了一個新的挑戰機會,那就是如何的去創造一個新的且更有效的催化劑。緊接著,Robert H. Grubbs 及 Richard R. Schrock 的基礎研究進場,由於他們的貢獻,才有今日那些非常有用的催化劑可供使用。

有機化合物 — 豐富的多樣性

碳元素能與碳元素以及其它的元素如氫、氧、氯和硫形成很強的鍵結,碳原子能以單鍵、雙鍵或三鍵的方式與其它的原子結合,可得到直鏈或分岔的結構,又可生成具有各種型態和大小的環狀結構。這個領域的化學稱為有機化學,因為在地球上生命的存在都是基於碳的這種多樣性。

眾多的有機化合物中,目前其實只有一小部份被研究過,但即使如此,我們現在已經可以得到各種新的藥物、材料、塗料等等,這是幾年前所無法想像的。

有機合成

所謂的有機合成就是將不同的化合物以特定的方式反應而製造出其它的化合物;透過有機合成,我們可以從已知的化合物原料製造出新的化合物。許多的工業必需利用有機合成,例如製藥和生技的工業,以及纖維和特用化學品的工業。在(圖2)中,一個在癌症的研究中所需的化合物 A 需要用另一個化合物 B 來合成,而 B 又需要從別的分子來合成。在化合物 B 的結構中具有一個由碳原子所組成的長鏈,其中有一個碳原子被氧原子取代。在合成化合物 A 時,這個長鏈被轉變成了一個大環的結構,這個環狀的結構正是抗癌的活性所必需。

為了製造這個大環,催化性的歧化反應正好派上用場,而其使用的催化劑正是這次的諾貝爾獎得主之一所開發出來的。由化合物 B 的結構中之長鏈兩端的雙鍵(圖中圈出的部分),透過歧化反應可以製造出兩個新的雙鍵,其中一個雙鍵用在結合長鏈的兩端而形成大環,而另一個雙鍵則存在於另一個副產物乙烯當中。如果要用別的方法來形成這個大環,將需要非常複雜而冗長的步驟。

(圖2) 運用一個 Grubbs 催化劑進行的合成。在此透過歧化反應將化合物 B 中的長鏈結合成化合物 A 中的大環。化合物 A 被用在癌症的研究上,其中環狀的結構正是抗癌的活性所必需。

歧化反應是如何發現的

歧化反應的發現可回朔至 1950 年代,正如同許多有機化學反應的發現一般,它源自於工業界,有好些個專利描述了催化性的烯聚合反應,其中的一篇專利是由美國杜邦公司的 H. S. Eleuterio 在 1957 年所提出的,它描述了得到不飽和的碳鏈(鏈上具有許多雙鍵)的方法;在此之前,由乙烯聚合成聚乙烯只會得到飽和的碳鏈(鏈上不具雙鍵)。這個出人意外的發現造成了深遠的影響。

在同年,另一份專利顯示,當使用一個由三異丁基鋁(triisobutyl aluminum)與氧化鉬(molybdenum oxide)依附在氧化鋁上的催化系統時,丙烯可轉變成丁烯及乙烯,這個在(圖1)所示的反應被稱為菲利浦公司的三烯製程(Phillips triolefin process)。這兩個專利都成功的在工業界中使用。

在許多年之後,這兩個發現的關聯性才被固特異輪胎及橡膠公司的 N. Calderon 發現,他指出,在上述的兩種製程中所發生的是同一種型態的反應,並稱之為烯的歧化反應(olefin metathesis),只不過在分子的層次,其中的催化劑之結構及其運作的機制在當時仍屬未知,因而由此所啟動之精采的催化劑獵捕行動,只能在黑暗中透過隨意擲擊四處碰觸的方式盲目的摸索。

Chauvin 的機制

越來越多的化學家開始注意到到歧化反應可能提供給有機合成的高度潛力,不過可能沒有人料想到它會成為如此的重要。雖然有許多的研究者提出各種歧化反應如何發生的可能機制,但真正的突破要等到 1970 年 Yves Chauvin 所發表的一份研究報告,他和他的學生 Jean-Louis Herrison 指出其中的催化劑是一個金屬碳烯(metal carbene),這種化合物具有一個金屬與碳形成的雙鍵。在之後的文獻中,金屬碳烯也被稱為金屬亞烷基(metal alkylidine)。在更早些年 E. O. Fisher(1973年諾貝爾化學獎)也發現過一些其它的金屬碳烯。Chauvin 也提出了一個嶄新的機制來解釋這個金屬化合物在反應中扮演何種功能。他們所進行的一些新的實驗結果完全符合這個新機制的運作,而無法用之前所提出的各種機制來解釋。在(圖3)(a )中,一個金屬亞甲基做為催化劑,造成兩個雙鍵上的亞烷基之交換,導致兩個新的雙鍵生成(圖中金屬 M 上所用的中括號代表金屬除了與碳之間有一個雙鍵之外其上還有其它的基團)。

(圖3) (a)由金屬亞甲基做為催化劑的烯歧化反應。產物是兩個新的烯化物:乙烯及一個含有兩個 R’ 基團的烯化物,這兩個 R’ 基團分別接在雙鍵的兩個碳上,曲折線代表它們可以在雙鍵的同邊或反邊。 (b)Chauvin 提出的烯歧化反應機制。在這個催化的循環中,會生成一個含有三個碳和一個金屬的四元環。

(圖3)(b)所示為此反應的機制,在反應的第一階段,金屬亞甲基與一個烯形成一個四元環,這個環含有一個金屬和三個碳,相互以單鍵結合。在下一個階段,其中的兩個單鍵斷裂並形成一個新的烯(即乙烯)和一個新的金屬亞烷基。在第三步驟,這個新的金屬亞烷基又與原先的烯結合成一個新的四元環。在最後的步驟中,這個含有金屬的四元環裂解產生歧化的產物並同時重新得回原先的金屬亞甲基,這個重新得回的金屬亞甲基又繼續投入另一個歧化反應的循環當中。這個反應的最終結果就是兩個烯的分子交換了它們的亞烷基,也就是進行了歧化反應(圖3)(a)。Chauvin 的機制一舉解釋了所有早先文獻中的結果,他的機制也得到了 Robert H. Grubbs、Thomas J. Katz 以及 Richard R. Schrock 等研究團隊的實驗之強烈支持,現已廣為大家所接受。

(圖4)一個有趣的歧化之舞。

上面所描述的 Chauvin 機制可以視為一種舞蹈(圖4),其中催化劑與烯這兩組在舞蹈中交換舞伴。金屬和他的舞伴雙手相牽,當碰到烯隊時這兩組人馬結合成一個圈圈跳舞,隔了一會兒,他們與原先的同伴鬆手然後與新的伴侶湊成一對共舞。現在新形成的金屬隊又開始尋找新的烯隊,再次組成圈圈跳舞,換句話說,金屬隊成為一個分歧化的媒介者。

研發新的催化劑

到此時更多的化學家開始體認到,如果能找到更有效而可靠的催化劑,將可以使得這個反應在有機合成上成為一個極為重要的方法。早先所使用的催化劑結構並不明確,對空氣及濕氣極為敏感,穩定度很差而只能短暫的存在。一個好的催化劑必須是穩定的,並具有確定的結構,其化學活性要能針對需要而做調整,此外它們必須具有選擇性,也就是說只會與雙鍵反應而不會作用到分子上的其它部位。Chauvin 的研究結果顯示了有效率的催化劑可以如何的建立,但問題是在所有結構很明確的已知金屬亞烷基中,沒有一個可以成功的運用在烯的歧化反應上。雖然有好些位化學家在研發歧化反應的催化劑及其運用,並且也有重要的貢獻,不過,在此研究領域中關鍵性的進展則出自於 Robert H. Grubbs 及 Richard R. Schrock 的團隊。

Schrock 的第一個實用的催化劑

Schrock 在 1970 年代初期開始研究新的金屬亞烷基錯合物,但是到底哪一種金屬最適合製造出最有效的催化劑呢?他嘗試了含有鉭(tantalum)、鎢及鉬的催化劑,逐漸的掌握了哪些金屬可以使用以及它們如何的運作。對 Schrock 而言,鎢及鉬很快的顯示出是最適當的金屬,雖然用這些金屬合成了一些催化劑,但對於在金屬上到底要放上什麼基團才能製造出穩定而活性又高的催化劑仍不確定。在 1990 年,Schrock 的團隊終於得到突破而發表了一系列活性又高而結構又很明確的含鉬之催化劑(圖5)。

(圖5)一個 Schrock 的含鉬催化劑。藉著選擇適當的基團接在金屬上可以得到極高的化學活性。在此 i-Pr 代表異丙基,Ph 代表苯基。

由於他的發現,化學家開始體認到烯的歧化反應可以普遍的運用在有機合成上,歧化反應越來越受到那些活躍的有機合成化學家們的注意,他們發現歧化反應可以取代許多傳統的合成方法,而在同時也提供了一種嶄新的方式來合成有機化合物。在(圖5)中所示的含鉬催化劑雖然對氧氣及濕氣是很敏感的,但只要透過適當的處理方式,不失為一個在有機合成上威力強大的工具。

一種由 Grubbs 所研發的通用催化劑

另一個突破則發生在 1992 年,Robert Grubbs 的研究團隊報導了他們所發現的一個含釕(ruthenium)的催化劑,它在空氣中是穩定的,表現出很高的化學選擇性,但是化學活性較 Schrock 的催化劑為低,這個新的催化劑可以在醇、水及有機酸的存在下催化歧化反應(參考圖2),在此之後 Grubbs 進一步的改進了他的催化劑,在(圖6)中所示的是幾個很有效而又容易合成的催化劑中的一個。

(圖6) 一個由 Grubbs 開發的含釕的催化劑。在此 Cy 代表環己基。

Grubbs 的催化劑已成為在普通的實驗室中,被普遍使用在歧化反應上,而且功能明確的催化劑。在(圖6)中所示的催化劑被稱為 Grubbs 催化劑,並成為一個被其它新的催化劑用來比對的標準。Grubbs 催化劑的通用性導致其後在有機合成上新的展望。Grubbs 對催化劑的設計是基於詳細的反應機制研究,他持續的開發以釕為基礎的催化劑,朝著製造合成上最具威力的催化劑而努力,這些合成包括了具有特殊性質的聚合物。

運用以及影響

這幾位諾貝爾獎得主所發展的合成方法,已經在學術研究上迅速的成為普遍使用的工具。為了製造新化合物所設計的工業製程,在這方面也有熱烈的發展,利用催化性的歧化反應可以縮短合成的步驟,得到更高的產率及更少的廢物,這導致更乾淨而對環境衝擊較小的製程。這種反應開啟了更多的機會去探索更多樣性的有機分子。除了他們之外,許多其他的研究者也提供了重要的貢獻,並持續的為了解決特定的問題例如合成複雜的天然物及其類似物,而開發新的歧化反應催化劑。

歧化反應在製藥工業、生技工業及食品工業上具有極大的商業潛力;新的催化劑亦可廣泛的運用在聚合物的合成上,雖然截至目前許多最有用的聚合物仍然是用傳統的方式來合成,但最近在聚合物合成的研究顯示,某些歧化反應催化劑在合成具有特殊性質的聚合物方面具有光明的前景。

雖然 Schrock 與 Grubbs 所發展的催化劑問世不過短短數年,但是他們所發展的應用性之深入的確是令人驚訝,這包括了昆蟲費洛蒙、除草劑、聚合物和燃料的添加劑、具有特殊性質的聚合物以及各種在藥物發展上很有潛力的各種分子之合成。有關一些可以對付各種人體疾病所發展的各種分子尤其值得一提,因為許多的研究者正投入於製造可能的藥物來治療各種狀況,例如細菌感染、C 型肝炎、癌症、阿茲海默症、唐氏症、骨質疏鬆、風濕、發炎、纖維症、HIV/AIDS、偏頭痛等等,歧化反應也因此成為一項重要的武器來尋找新的藥物以治療這世界上許多主要的疾病。

參考資料

蔡蘊明譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的參考資料:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2005/info.html

若要參考更深入的說明請見:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2005/adv.html

諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列