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2010年諾貝爾化學獎-打造複雜有機分子

科景_96
・2011/02/10 ・2647字 ・閱讀時間約 5 分鐘

Original publish date:Oct 06, 2010

編輯 Gene 報導

 

今年諾貝爾化學獎由美國德拉瓦大學的Richard Heck、美國普渡大學的岸根英一、北海道大學的鈴木章三人同得,三位學者研究鈀催化的交叉耦合,發現了更新的、更有效的方式連接碳原子,並藉此合成複雜的有機分子,可以應用在改善藥品和電子工業的生產。

瑞典皇家科學院表示,這三位學者在有機合成領域的貢獻廣泛應用於製藥、電子工業和先進材料,可以使人類造出複雜的有機分子。

 

Richard F. Heck目前在美國德拉瓦大學擔任化學教授,現年79歲,以發現「赫克反應」著名;根岸英一為日籍學者,現年75歲,目前為美國普渡大學的教授,以發現「根岸反應」聞名;鈴木章是日本北海道大學榮譽教授,現年80歲,為日本著名的化學家以發現「鈴本反應」聞名。

鈴木和根岸成為日本第17位和第18位諾貝爾獎得主。日本的諾貝爾化學獎得主繼前年的下村脩之後共達七名。

 

瑞典皇家科學院諾貝爾頒獎委員會表示,鈀催化的交叉偶聯是今天的化學家所擁有的最為先進的工具之一。這種化學工具極大地提高了化學家們創造先進化學物質的可能性,例如,創造和天然分子本身一樣複雜程度的有機分子。

為了創造複雜的有機化學物質,有機化學家需要能夠將碳原子聯接在一起。不過,碳是穩定的,碳原子之間並不能夠輕易發生反應。因此,科學家們將碳原子聯系在一起的初始方法就是基於使碳更為活躍的技術。這樣的方法在創造簡單的有機分子時起有不錯的成效,但是在對更為復雜的分子進行合成時,有機化學家會在他們的試管裡得到了太多並不需要的副產品。

鈀催化的交叉偶聯解決了這一問題,為有機化學家們提供了一個更為精確和更為有效的工具。在赫克反應、根岸反應和鈴木反應中,碳原子遇到了鈀原子,它們之間的接近啟動了化學反應。

鈀催化的交叉偶聯被用於各種研究工作,也被用於制藥等商業生產、制造供電子產業使用的分子。

 

Richard F. Heck(1937 -)於1931年生於美國麻薩諸塞州春田市。1952年和1954年,分別在加州大學洛杉磯分校取得理學學士和博士學位,指導教授是化學家Saul Winstein。完成博士後之後,他前往蘇黎世聯邦理工學院,不久後又回到加州大學洛杉磯分校。1957年,他開始在位於威爾明頓的赫克力士公司(Hercules)工作。在那裡期間,他的研究屢出成果,使得他在1971年進入德拉瓦州大學的化學與生物化學系就職。他在德拉瓦大學一直工作到1989年退休。

Heck對現今稱為赫克反應〔Heck reaction,亦稱溝呂木-赫克反應(Mizoroki-Heck Reactions)〕的研究,始於他20世紀60年代晚期,對芳基汞化合物與烯烴在鈀催化下的偶聯反應的研究。

赫克反應是由一個不飽和鹵代烴(或三氟甲磺酸酯)和一個烯烴在強鹼和鈀催化下生成取代烯烴的一個反應。原料鹵代烴或三氟甲磺酸酯中的R基可以是芳基、苄基或乙烯基。烯烴的雙鍵碳必須連有氫,且烯烴通常為缺電子烯烴,如丙烯酸酯或丙烯腈。鈀催化劑可以是四(三苯基膦)合鈀(0)、氯化鈀(II)或乙酸鈀(II)。鹼可以是三乙胺、碳酸鉀或乙酸鈉。

當時,Heck將研究發現刊登在《美國化學會刊》(Journal of the American Chemical Society)上,發表了連號的七篇論文章,這些論文的作者卻只有他一位。

70年代早期,日本化學家溝呂木勉和Heck各自報導了使用毒性較低的芳鹵作為偶聯底物的反應。Heck在此發現後,不斷對反應條件進行研究,試圖優化反應,將其發展為有機合成中有實際且重要用途的合成方法。

赫克反應自發現開始,其在有機合成中的重要性便迅速增長。1982年,Heck在期刊《有機反應》(Organic Reactions)上僅用45頁,便可總結當時赫克反應的應用實例。但是到2002年,發表在《有機反應》期刊上,僅與分子內赫克反應相關的文章,就已達377頁。現今,赫克反應是有機合成中構建碳-碳鍵的常用方法之一。對於該反應,文獻中有多篇評論論文。

赫克反應成為其他日後發現的眾多鈀催化偶聯反應的基礎,這些反應包括芳鹵與烷基硼酸間的鈴木-宮浦偶聯反應(Suzuki-Miyaura coupling)、使用有機錫的施蒂勒偶聯反應(Stille coupling)、使用有機鎂的熊田偶聯反應(Kumada-Corriu coupling)、使用矽烷的檜山偶聯反應(Hiyama coupling)、利用有機鋅的根岸偶聯反應(Negishi coupling),以及以醇和胺為底物的反應等。這些鈀催化的偶聯反應是目前有機合成和工業生產中常用的合成方法。

曾被赫克研究的一個以炔烴為底物的偶聯反應,1975年被日本化學家薗頭健吉研究,後者在反應液中加入亞銅鹽以改進反應產率,取得較好的成果。這一偶聯反應現稱為薗頭偶聯反應(Sonogashira coupling),亦是有機合成重要技術之一。將熒光染劑與DNA鹼基偶聯時用到的就是該反應,而且是自動DNA定序和人類基因體定序時不可或缺的。

除發現鹵代烴可通過與鈀(0)氧化加成而活化外,Heck也是首位對π-烯丙金屬絡合物進行結構分析和首位解釋烯烴氫甲醯化機理的化學家。氫甲醯化反應現在用於製取各類醇、醛,每年產量價值高達七千億台幣。

Heck在1989年從德拉瓦州大學退休後,仍為那裡的化學與生物化學系名譽教授。德拉瓦州大學自2004年起,也把一個講席以Heck的名字命名。2006年,Heck榮獲Herbert C. Brown創新合成方法研究獎(Herbert C. Brown Award for Creative Research in Synthetic Methods)。

 

鈴木章(1930 -)是日本化學家,在北海道大學名譽教授。北海道鵡川町出生。

苫小牧高等學校(現在的北海道苫小牧東高等學校)畢業後,他畢業於北海道大學理學部,1959開始在北海道大學攻讀化學博士學位,於1960年取得理學博士學位,1961開始擔任北海道大學工學部助教授,1973年升任北海道大學工程部教授。他在北海道大學的理學部和工學部各服務了兩年半和32年半。

他發現鈴木-宮浦反應(Suzuki-Miyaura reaction),是一個較新的有機偶聯反應,零價鈀配合物催化下,芳基或烯基硼酸或硼酸酯與氯、溴、碘代芳烴或烯烴發生交叉偶聯。該反應由鈴木章在1979年首先報導,在有機合成中的用途很廣,具強的底物適應性及官能團容忍性,常用於合成多烯烴、苯乙烯和聯苯的衍生物,從而應用於眾多天然產物、有機材料的合成中。

鈴木章在1994年開始成為北海道大學退休名譽教授、岡山理科大學教授、倉敷藝術科學大學教授,在2002年退休。

 

根岸英一(1935 – )是日本化學家。目前是美國普渡大學教授。

根岸英一於1935年出生於中國吉林省長春市。他於 1958年畢業於東京大學工學部應用化學系。1963年在美國賓州大學取得博士學位,1966年在美國普渡大學擔任博士後研究員。1968年開始在美國普渡大學擔任助理教授。1972年開始雪城大學擔任助理教授。1979年升任教授。1979年回到美國普渡大學任教。

根岸英一發現根岸偶聯反應(Negishi coupling)。反應中,有機鋅試劑(organozinc compound)與鹵代烴在鎳或鈀的配合物的催化下發生偶聯,生成一根新的碳-碳鍵。

根岸偶聯反應在最近應用在多個合成中,包括從2-溴吡啶合成2,2′-聯吡啶(所用的催化劑為四(三苯基膦)合鈀(0)(tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0)),從鄰甲苯基氯化鋅和鄰位取代的碘苯〔仍以四(三苯基膦)合鈀(0)作催化劑)合成聯苯衍生物,以及從1-癸炔與(Z)-1-碘-1-己烯合成5,7-十六碳二烯。

 

 

參考來源:

 

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「精液求精」的果蠅!情慾交流後擇偶變得更挑剔?

寒波_96
・2021/09/18 ・4154字 ・閱讀時間約 8 分鐘

繁衍後代是生物的大事。動物在兩性生殖行為中,耗費資源比較少的那邊(通常是男方),一般沒那麼在意對象,更重視多多嘗試,啊嘶~;耗費資源更多的那邊付出較多(通常是女方),會更加謹慎擇偶。

然而,謹慎過頭也有風險,等呀等呀等呀,萬一一直等不到夠好的對象怎麼辦!?

等到花兒都謝了⋯⋯圖/GIPHY

一項新發表的研究報告指出,女果蠅有一套巧妙的調節方式,會在交配以後改變行為,從來者不挑變得挑剔,藉此平衡兩種擇偶策略的風險,甚至調和兩性利益的衝突。

交配不一定受精,「精液求精」的果蠅

果蠅有好幾千種,這兒說的是最常見,會在垃圾桶出沒的「黃果蠅(Drosophila melanogaster)」,也是研究眾多,廣泛使用的模式動物。

打字的時候,「精益求精」很容易打錯成「精液求精」,不過這用在果蠅身上卻是正確的。果蠅在情慾交流時,由男生求偶,女生同意才能進行。交配後女生不需要馬上受精,可以將精子先存起來,再找對象交配,追求更精英的精液。

理論上,由於不用立刻受精,可以精液求精,所以女果蠅能透過切換擇偶策略,解決「求有又要求好」的矛盾。當果蠅還是處女的時候,她們不挑對象,碰到男生就接受,先搜集精子;之後再提高標準,遇見更優質的男生才答應再度交配,獲得更棒棒的精子。

理論未必符合現實,不過新論文透過一系列實驗證實,理論的預測是正確的。

對女果蠅而言,交配只是增加一個機會,不一定要受精。圖/Why fruit fly sperm are giant

有性經驗之後,擇偶變得更挑

黃果蠅有好幾款品系,這項研究用的女生是 Canto-S,男生選用來自非洲西部的 Tai,以及荷蘭的 Netherland(簡稱 NL)。實驗發現,處女果蠅選擇兩者的機率差不多,但是再度交配時,她們卻幾乎只會選 Tai。

也就是說,沒有性經驗的女果蠅比較不挑對象,有性經驗後變得更挑。這有兩個可能原因,第一個是:沒有性經驗的處女果蠅還不懂男生優劣,要在交配過有經驗以後,才懂得挑選好對象❤️

處女果蠅不挑男生,Tai 和 NL 獲選的機率差不多;之後卻幾乎只選擇 Tai 男生。圖/參考資料 1

果蠅交配時,隨著精液進入體內的除了精子,還有一些其他物質,如「性胜肽」(sex peptide,簡稱 SP);而女生的性胜肽受器(SP receptor,簡稱 SPR)接收後,會改變某些生理狀態。

比較發現,「沒有性胜肽受器的女果蠅」,再度交配時不會變得更挑剔;而處女果蠅和「缺乏性胜肽的男生」交配後,再度情慾交流時的擇偶標準,仍然跟處女時一樣。

所以,由這些實驗看來,女果蠅交配後擇偶變嚴格這回事,和性經驗無關,光有性經驗不足以改變行為。因此另一個可能才對:女生變得更挑,是神經化學反應所致。

公式化,不浪漫 QQ 💔

處女果蠅更容易被性刺激,交配後不那麼敏感

女果蠅交配以後,受到性胜肽影響,體內的賀爾蒙「青春激素」(juvenile hormone ,簡稱 JH,也翻譯作保幼激素)會增加,有促進卵細胞生成等效果。

模擬青春激素的 methoprene,讓處女果蠅的偏好變得更強。圖/參考資料 1

擇偶行為的改變,跟青春激素有關係嗎?有種叫做 methoprene 的化合物,化學結構和青春激素很像,可以模擬青春激素的作用。研究發現,餵食 methoprene 給沒有性經驗的果蠅,結果她們也變得更挑,證實青春激素會影響擇偶標準。

女生挑男生,必需懂得分辨,女果蠅怎麼分辨男男間的不同?果蠅用體外的訊號分子——費洛蒙來溝通。實驗指出,缺乏嗅覺受器神經元 Orco 的突變果蠅,不會在有性經驗後變得更挑,表示訊息是透過嗅覺相關的神經訊號傳達。

果蠅有很多個嗅覺神經元,分別接受不同外在刺激,接通不同線路。之前知道黃果蠅女生,有 3 個嗅覺受器(olfactory receptor)對男生的費洛蒙會起反應:Or47b、Or67d、Or88a,而實驗得知,其中只有 Or47b 突變後會改變擇偶行為,可見它應為關鍵。

測試 Or47b 神經元被棕櫚油酸刺激的程度,比起處女果蠅,交配後的女生反應更不敏感。圖/參考資料 1

實測不同的化合物後發現,神經元 Or47b 會對棕櫚油酸(palmitoleic acid)起反應,因此棕櫚油酸可以作為費洛蒙的角色。有趣的是,女生情慾交流過後,Or47b 再被棕櫚油酸刺激時,敏感度會下降一半。

也就是說,棕櫚油酸是男生激發女生性慾的一種訊號;而女生交配過後,對棕櫚油酸的敏感度會降低,有力地解釋了為何她們不再那麼容易接受男生。

而 NL 男生不受歡迎的原因也找到惹:他們的棕櫚油酸含量只有 Tai 男生一半;若是人為替 NL 男生外掛棕櫚油酸,他們被非處女果蠅青睞的機率也會上升。

相對來說,如果弱化青春激素的受器功能,交配後的女果蠅也會傾向在處女時不挑的狀態。

先交配再精液求精,兼顧求有以及求好

綜合上述實驗推論,處女果蠅的嗅覺神經元 Or47b 較為敏感,只要男生有棕櫚油酸就會接受。交配以後,青春激素的增加使得 Or47b 不再那麼容易被刺激;所以只有棕櫚油酸較高,性吸引力夠強的男生才會被接受。

大致是這個過程:處女果蠅交配以後,來自男生的性胜肽,讓女生的青春激素變多,影響嗅覺受器,降低性刺激的效果,使得女果蠅改為選擇費洛蒙更多的男生。圖/參考資料 2

演化上,這對女生有利,有效解決「求有或是求好」的矛盾。

求偶時女果蠅掌握主動,又可以儲存精子。比起一開始就精挑細選,更穩當的擇偶策略是,見到男生就先交配,蒐集一批精子,之後再「精液求精」挑選更好的對象,有更好的就用更好的;沒有的話,反正已經確保有精子可用。

擇偶行為的切換,對果蠅整體也有幫助。族群密度高,個體很密集的時候,男孩紙們競爭激烈,可供選擇的對象較多,女生可以慢慢挑,「一定有,就求好」,維持族群品質。

相對地,假如族群蠅口稀疏,沒什麼對象可以選,女孩紙至少先交配一次的設定,也能增加族群延續的機率。

倘若果蠅進入新的地盤,沒什麼同類可以情慾交流,「先求有」也有助於在新環境建立基礎,不容易滅團。

女男調控不同,解決兩性矛盾

論文這番推論聽起來非常合理,但是還有個需要解釋的環節。求有和求好的平衡,既然靠青春激素驅動,那麼我們也不能忽略,其實黃果蠅男生也有青春激素,而且作用和女生相反。

女生青春激素增加的效果是降低性慾,擇偶更謹慎;但男生的青春激素變多之後(一般會隨著年齡上升),效果反而是增強性慾。

由於生殖時付出的成本不同,女生和男生的利益有別。顯而易見,如果青春激素在兩性都促進性慾,對女生是傷害;可若是都抑制性慾,便換成男生不利。

實際觀察到青春激素「促進男生,抑制女生」的作用方式,確實是調和性別衝突(sexual conflict)的辦法。

果蠅有個調控基因表現、造成性別差異的轉錄因子 Fruitless,主要在神經系統作用。其蛋白質在兩性間會形成不同款式,男生版為 FruM,女生版則是 FruF。

男果蠅的青春激素增加後,男生版的 FruM 表現上升,刺激下游的離子通道 pickpocket25 表現(簡稱 ppk25),繼而增加嗅覺受器 Or47b 的敏感度,增加性欲。啊嘶~啊嘶~啊嘶~

女生不同。女果蠅的青春激素增加後,女生版的 FruF 表現同樣會上升,但是離子通道 ppk25 不為所動。這就使得 Or47b 的敏感度下降,達到抑制性慾的效果。啊~嘶~

目前仍不清楚,女生如何控制 Or47b 的敏感度,只能確定與男生的調控方式不一樣。同一個基因、訊號、刺激,在女生與男生的角色有別,便有可能造成兩性衝突,必需被紓解;而常見方式是,生物會透過兩性有別的機制調控。

值得一提的是,不少昆蟲其實都有青春激素,我們也已經知道它在不同情境扮演眾多角色,而這回又新得知一種;同一種化學物質,可以衍生出不同的用法,不侷限於一項功能,正是生命千變萬化的原因之一。

女果蠅擇偶行為的改變,和交配後不需要立刻受精密不可分;那麼,不能延遲受精的動物,又採取什麼手段,兼顧求有與求好的目標呢?這將是有趣的探討方向。

延伸閱讀

參考資料

  1. Kohlmeier, P., Zhang, Y., Gorter, J. A., Su, C. Y., & Billeter, J. C. (2021). Mating increases Drosophila melanogaster females’ choosiness by reducing olfactory sensitivity to a male pheromone. Nature ecology & evolution, 1-9.
  2. Escaping the choosiness trap
  3. Fruit flies lose their virginity lightly – and then become choosy

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。
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