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什么是化学

我有一个毛病。明明博客是我的,想写啥是我定的。但是,当我想写一个主题的时候,我往往又讲一堆无关的废话,最后主题也不想讲了,觉得废话更有趣。不知道是不是中学作文课被恶心过头了,我现在无意识地在自导自演“离题万丈”,自己定个题目给自己去离。现在我就已经在离题。

现在渐渐发现,平时已经不大喜欢看科学网了,但尤其每次诺奖开奖的时候我都特别不想点开科学网(其实就是又很想点开看)。现在是媒体很发达的时代,换句话说大量应届文科本科生找不到什么工作都挤到媒体去了,所以本科水平基本能产生的内容我们都不愁没有。每发生一件新闻,科普、解读、讲道理……所有这些内容很快都会争相出现。这些内容都是一个具有基本信息综合能力、基本的逻辑思维的本科水平人士应该能够炮制出来的。我不看都知道他想说啥了。真的很讨厌陈词滥调。当然,这也是只基于我的标准。也许我讲一些啥,也有人认为是陈词滥调。问题在于人必须有追求:作为一个内行人,一些外行人都懂说的话我尽量不说;或者一些相关专业应届本科生能说的话我也尽量不说。

诺贝尔化学奖连续很多年都其实是生物或者物理奖了。居里夫人那会儿,放射性元素就一会儿化学奖一会儿物理奖,就看他颁奖的词儿怎么写。你说这是元素,填充了元素周期表,是化学贡献,可以;你说这是放射性现象,衰变,属于物理学贡献也可以。这几年则是跟生物混合。从上世纪初跟物理混合到本世纪初跟生物混合,也许也折射出了时代性。今年这个,我感觉就是本身是个手段发明,来自于物理,应用于生物,对化学有什么贡献吗?没有。

我在知乎上曾经表达过“什么是化学”的意见,懒得去找原文了。大致上复述一下。化学要能脱离物理学,从还原论独立出来成为一门学科,它所依赖的独特性在于什么呢?在于化学合成。它创造自然界没有的分子,甚至物质。聚合物就是化学独特性的体现。你也不能说自然界原本没有聚合物,但是聚乙烯是没有的。聚合物就是一种新物质,它的大量合成,反哺了物理学和生物学。这样的例子还有很多。既然化学的独特性是合成新的分子(物质),那么所有关于如何合成新分子的学问,就是化学核心问题。对这个问题有贡献,才能算是原汁原味的化学的贡献。我刚刚批判完“写本科生水平的东西”,我前几年诺奖自己就写过一次这样的东西,那是给《新知客》供的稿。我在里面花很大的笔墨向外行人解释了化学合成的伟大。

由于历史很厚重,诺贝尔奖在西方学术界的地位很高。但是随着科学研究生态的变迁,今时今日,你很难只选三个活人人来代表一个研究方向。有人为落选者喊冤实在再正常不过。让张三上,李四冤;让李四上,那王二麻子又不服了。

而且诺贝尔奖的颁奖水平也在降低。以前是,颁奖给一个研究领域,这个研究领域的春天就来临了;现在什么领域要是有诺奖了就没啥做头了。荧光绿色蛋白,都做到五颜六色了,才给诺奖;现在这个STEM,我估计都有公司开始卖了。当然,也有颁得好的像graphene,但graphene也是个特别明显的增长点,也颁得很安全。看以前,颁给C60,颁给超分子化学,颁给软物质,这都是非常有水平的颁法。今年的奖,我觉得颁砸了。

中国人为什么要冲击物理、化学或者生物的诺贝尔奖?很多人有这样的呼喊,为什么?我就搞不懂。因为从这个奖现在的颁发水平来看,基本已经沦为一个野鸡小奖,邵逸夫奖分分钟比它颁得好,还钱多。我就觉得邵逸夫奖设立的思路很好,咱们自己搞个奖。但之所以没有诺奖那种效应,主要中国人关键吃亏还是吃亏在话语权,你迟迟没有参于到西方人的历史记忆当中去。算起来中国参与世界游戏也就最近这几十年,人家玩了几百年。其实现在的中国人心态跟半殖民地半封建社会时代差不多。整天讨论中国人拿不拿得到诺奖,跟讨论中国人是不是“东亚病夫”差不多意思。近代以来,太多时候中国好像都是为了获得世界的承认而发展的。总有一些人,但凡有什么世界性的事情发生,他的看点都是盯着里面的华人。他们对世界的关注,其实只是对华人的关注。他们盯的是“中华民族”到底“屹立在世界民族之林”了没有。整天说我们文化输出薄弱,或者没什么自己的现代文化可输出。其实原因在于我们就没处于能产生自己的文化的那种自在的状态。具体到科学,国内很少有人讨论作为一个发展中国家花这么多钱做科学到底为什么,仅仅是为了证明“中国人不是东亚病夫”吗?

PS,这次诺贝尔奖获奖的STEM工作,我之前在《同行评议的失误》一文也提到过。Hell这种“起初的不受承认”,一定会被那些爱把报道写成知音式浪漫主义报告文学的文科应届本科生们大炒特炒——假如他们有水平挖出这段学界内部的往事的话。

诺奖的局限性

诺奖只颁给个人,且不超过三个,暂时来说还算是够的。因为暂时来讲一些热门领域一般被不超过三个牛组所垄断。不过,今年的化学奖让我想到,从晶到准晶,将来可能还要颁给非晶。可是谁能拿“非晶”的诺奖呢?

问题还在于何时颁奖。例如准晶为何现在颁。这不是去年还是明年的问题,而是为何在近五到十年的问题。如果考虑这个问题,诺奖就很难逃脱“无非是趁人没死赶快颁”的嫌疑。因为诺奖年年都不得不颁一个,人死了的还颁不了。真正伟大的课题一时间是找不到这么多的。一些貌似永远能做下去的课题,就注定只能因为人快死了所以颁了。因为如果人没死,等几年说不定课题可以更伟大些,就可以先不颁的。偶尔颁一下像graphene这种年轻的课题,也是太便宜那几个人了。碳球颁一个、碳片颁一个、过几年硅片硅管可能也可以颁一下,这种做法还愁没得颁么?

因此我不知道为什么这么多中国人老是盯着这种性质的奖来发红眼病。

2010诺贝尔化学奖

《新知客》约稿,勿转!

今年的诺贝尔化学奖颁给了三位与钯催化反应相关的三位化学家:铃木章(Akira Suzuki)、根岸英一(Ei-ichi Negishi)和理查·赫克(Richard F. Heck)。

有机合成有多难?

1860年代的一副球棍模型

1860年代的一副球棍模型


反应装置

老式反应装置一例

提起化学也许有些人会想到新华字典后面的元素周期表,有些人会想到中学课堂上的球棍模型。化学研究就好像玩积木,从五颜六色的元素周期表里挑出合适的球,然后棍子搭出各种各样的分子来。球和棍毕竟只是模型,真正的化学反应往往是打碎一个现成的分子,然后变换结合出新的分子,需要在试管和烧杯中实现。分子是肉眼看不见的东西,一滴水中的水分子数量,要在1后面加23个0。所以化学实验针对的总是极其大量的分子。指挥两三个人同时向右转也许都不用训练,但是指挥一个营的人同时向右转就非常困难。就算再训练有素的队伍,人多起来总有个谁先谁后,不可能严格同时。化学反应也是这样,一万个分子中,谁能保证没有一两个例外的?何况是1加上23个0这么多个分子,肯定有的转得快,有的转得慢,有的还转错方向。糟糕的是,你要是不喊停,转的快的就继续转,转过头了;你要是喊停,又会好多转的慢的没转到位。因此,凡是化学反应,总会或多或少伴随有副产物。

无机物分子就好像训练有素的队伍,绝大多数无机化学反应的产率都是超过90%的;但是有机物——即以碳基化合物——就好像一群不听话的孩子。碳-碳键的形成尤其困难,而一旦形成又比较稳定。做一个有机化学反应,就好像你明明叫向左转,最终正确转了的只有三四十(产率低)。对于大多数有机合成任务,需要进行的化学反应还不止一步。等你喊上十几个口令之后,一百个分子也许只有一两个顺利到位了,而且它们还混在一大堆乱七八糟的错误分子中,得你去把它们纠出来(分离困难)。因此,尽管在纸上可以随便画几个碳原子,用短横线连一下,就能设计出一个有机物来;但是在烧杯中指挥上亿个分子实现这样的物质来就很头痛。

现在,在一个最普通的现代人触手可及的生活周围,全都是有机合成功业的产物。家里所有的塑料和橡胶制品,许多抗生素和镇痛类药物、洗涤化妆用品甚至于部分食品,都是人工合成的有机物。所有这些组成我们现代生活的物质的发明和生产均需要高效、准确地碳-碳键。拜钯催化反应所赐,除草剂氟磺隆(Prosulfuron)、镇痛药萘普生(Naproxen)、平喘药顺而宁(Singulair)等药物年产量已超过1吨,极难分离的抗肿瘤药物Discodermolide的人工合成研究,也有钯催化偶合的功劳(图)。

抗肿廇药Discodermolide

抗肿廇药Discodermolide中的诺贝尔奖

因此,往往纸上那一条连接两个碳符号的小横线,一旦实现了就会引起产业的革命。在诺贝尔化学奖的历史上,已经有多次奖项颁给了关于形成碳-碳键的研究者。其中,所有有机合成实验员的最爱——格氏试剂——的发现者,法国化学家格林尼亚(V. Grignard),就获得了1912年的诺贝尔奖;而1950年的诺贝尔化学奖则颁给了发明Diels-Alder反应的两位化学家(O. Diels和K. Alder),该反应被誉为化学反应中的蒙娜丽莎;1963年的诺贝尔化学奖Ziegler-Natta催化剂的发明者K. Ziegler和G. Natta的工作,使得聚丙烯材料得以商品化(例如现在市场紧俏的乐扣牌塑料制品)。他们的工作,画在纸上,都无非是碳-碳键的形成。今年的诺贝尔化学奖也不例外——它在现代工业中的重要性甚至超过了上述工作的意义。以获奖者命名的三个反应:Heck反应、Negishi(根岸)反应和Suzuki(铃木)反应几乎触及到了当今化学包括新药合成、新材料、有机光电显示等的所有研究领域,与普罗大众的健康和生活质量的提高息息相关。

获得诺贝尔奖的碳-碳成键反应,瞧瞧横线画在哪儿:

格氏试剂

格氏反应,1912年


Diels-Alder反应

Diels-Alder反应,1950年


Ziegler-Natta催化

Ziegler-Natta催化,1963年


Heck反应

Heck反应,2010年

纪念沟吕木勉(Tsutomu Mizorok)

炼金师

19世纪油画《炼金师》。化学家的寂寞和贡献都很大。

格氏试剂、Diels-Alder反应、Ziegler-Natta催化剂、Heck反应、Suzuki反应……所有这些有机合成的诺贝尔奖得主的名字也同时成为了他们发现的化学反应的名字。一本厚厚的“人名反应”手册是所有有机化学研究生必备的参考书,现在甚至还有人名反应速查的iPhone软件。用人名来命名反应是有机合成研究圈子的一个独特现象。没人考究过这一传统是如何形成的,但是可以想象,麻烦的反应,很快会被后人忘却;而那些非常受欢迎的反应,则一定会被经常提起。用一个名字来代替,总比每次都从反应物到产物描述一遍来得简单多了。至于使用反应的发现者来命名,也是出于尊重前人劳动。久而久之,人名反应实际上就变成了有机合成化学家的实用“工具箱”,留下来的全是精华。

2010年诺贝尔化学奖得主之一R. Heck的名字也被用于他发现的反应了。除了叫“Heck反应”之外,也有相当一部分人用“Mizoroki-Heck反应”。这个Mizoroki是一位日本人的名字(Tsutomu Mizoroki,沟吕木勉)。

元素周期表

元素周期表

R. Heck在上世纪的六十年代在美国Hercules公司进行研究工作。他长期对少人问津的过渡态金属(就是元素周期表中间黄色的那那堆元素)十分感兴趣。1968年,Heck在美国化学学会会刊发表了一篇关于通过钯催化剂的辅助形成碳-碳键的论文(J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 5518–5526),但是在这篇论文里的例子中,使用到了含汞和锡的化合物(有毒),而且需要较大量的钯(昂贵),因此虽然该反应十分干净利落但还是不尽人意。

时隔两年,大洋彼岸的日本东京工业大学的副教授沟吕木勉在日本化学会志上发表了一篇论文(Bull. Chem. Soc. Jpn. 1971, 44, 581),既避免了汞化合物的使用,又大大降低了钯的用量,成为了Heck反应的第一个完美的范例,也是直到今天一直被使用的版本。因此,从某种意义上说,Heck反应的成功是沟吕木勉实现的,称为Mizoroki-Heck反应当之无愧。尽管R. Heck在此后发表的文章中都诚实地引用了沟吕木勉的工作,然而在当时,还是Heck的名字明显更加响量。直到90年代,日本化学家辻次郎在编写一本关于钯催化反应的专著时,采用了“Mizoroki-Heck反应”的说法。辻次郎解释说,在六七十年代,《日本化学会志》是一个比较冷门的期刊,尽管Heck在此后发表的论文中都注意引用了沟吕木勉的工作,但在西方化学界,看过Heck论文的人还是远比看过沟吕木勉论文的要多得多。

而沟吕木勉却在论文发表的9年之后,过早地死于胰腺癌。

R. Heck此后的人生也并不美满。尽管自八十年代起以Mizoroki-Heck反应为灵感的钯催化交叉偶合反应研究广泛地成为热门,但Heck本人却由于无法申请到科研经费,于1989年提早退出了科研圈。幸运的是,他一直活到了今年,尽管几乎整个化学界都认为给Heck的诺贝尔奖化学奖颁得太迟。

Heck这样描述已故同行沟吕木勉的工作:

称为Heck反应还是Mizoroki-Heck反应其实都没所谓。确实,沟吕木先生首次发现了这一反应,但是我也没落后太多,并继续进行钯催化反应的研究。而他似乎并没有马上认识到这一反应的价值。可惜他去世得太早了,否则今天这个反应可能就会被直接称为Mizoroki反应。

R. Heck的论文

R. Heck的论文


沟吕木勉的论文

沟吕木勉的论文