羅伯特·伯恩斯·伍德沃德

羅伯特·伯恩斯·伍德沃德

羅伯特·伯恩斯·伍德沃德(1917年4月10日–1979年7月8日,)美國有機化學家,對現代有機合成做出了相當大的貢獻,尤其是在合成和具有複雜結構的天然有機分子結構闡明方面。獲1965年諾貝爾化學獎。與其學生羅爾德·霍夫曼共同研究了化學反應的理論問題。後者也獲得了1981年的諾貝爾化學獎。

基本信息

簡介

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伍德沃德是本世紀在有機合成化學實驗和理論上,取得劃時代成果的罕見的有機化學家,他以極其情巧的技術,合成了膽甾醇、皮質酮、馬錢子鹼、利血平、葉綠素等多種複雜有機化合物。據不完全統計,他合成的各種極難合成的複雜有機化合物達24種以上,所以他被稱為“現代有機合成之父”。

伍德沃德1917年4月10日生於美國麻薩諸塞州的波士頓。從小喜讀書,善思考,學習成績優異。1933年夏,只有16歲的伍德沃德就以優異的成績,考入美國的著名大學麻省理工學院。在全班學生中,他是年齡最小的一個,素有“神童”之稱,學校為了培養他,為他一人單獨安排了許多課程。他聰穎過人,只用了3年時間就學完了大學的全部課程,並以出色的成績獲得了學士學位。

伍德沃德獲學士學位後,直接攻取博士學位,只用了一年的時間,學完了博士生的所有課程,通過論文答辯獲博士學位。從學士到博士,普通人往往需要6年左右的時間,而伍德沃德只用了一年,這在他同齡人中是最快的。獲博士學位以後,伍德沃德在哈佛大學執教,1950年被聘為教授。他教學極為嚴謹,且有根強的吸引力,特別重視化學演示實驗,著重訓練學生的實驗技巧,他培養的學生,許多人成了化學界的知名人士,其中包括獲得1981年諾貝爾化學獎的美國化學家霍夫曼(R.Hoffmann)。伍德沃德在化學上的出色成就,使他名揚全球。1963年,瑞士人集資,辦了一所化學研究所,此研究所就以伍德沃德的名字命名,並聘請他擔任了第一任所長。

伍德沃德還探明了金黴素土黴素、河豚素等複雜有機物的結構與功能,探索了核酸與蛋白質的合成問題、發現了以他的名字命名的伍德沃德有機反應和伍德沃德有機試劑。他在有機化學合成、結構分析、理論說明等多個領域都有獨到的見解和傑出的貢獻,他還獨立地提出二茂鐵的夾心結構,這一結構與英國化學家威爾金森(G.Wilkinscn)、菲舍爾(E.O.Fischer)的研究結果完全一致。

1965年,伍德沃德因在有機合成方面的傑出貢獻而榮獲諾貝爾化學獎。獲獎後,他並沒有因為功成名就而停止工作。而是向著更艱巨複雜的化學合成方向前進“。他組織了14個國家的110位化學家,協同攻關,探索維生素B12的人工合成問題。在他以前,這種極為重要的藥物,只能從動物的內臟中經人工提煉,所以價格極為昂貴,且供不應求。

維生素B12,的結構極為複雜,伍德沃德經研究發現,它有181個原子,在空間呈魔氈狀分布,性質極為脆弱,受強酸、強鹼、高溫的作用都會分解,這就給人工合成造成極大的困難。伍德沃德設計了一個拼接式合成方案,即先合成維生素B12的各個局部,然後再把它們對接起來。這種方法後來成了合成所有有機大分子普遍採用的方法。

合成維生素B12過程中,不僅存在一個創立新的合成技術的問題,還遇到一個傳統化學理論不能解釋的有機理論問題。為此,伍德沃德參照了日本化學家福井謙一提出的“邊界電子論”,和他的學生兼助手霍夫曼一起,提出了分子軌道對稱守恆原理,這一理論用對稱性簡單直觀地解釋了許多有機化學過程,如電環合反應過程、環加成反應過程、σ鍵遷移過程等。該原理指出,反應物分子外層軌道對稱一致時,反應就易進行,這叫“對稱性允許”反應物分子外層軌道對稱性不一致時,反應就不易進行,這叫“對稱性禁阻”。分子軌道理論的創立,使霍夫曼和福井謙一共同獲得了1981年諾貝爾化學獎。因為當時,伍德沃德已去世2年,而諾貝爾獎又不授給已去世的科學家,所以學術界認為,如果伍德沃德還健在的話,他必是獲獎人之一,那樣,他將成為少數兩次獲得諾貝爾獎金的科學家之一。

伍德沃德合成維生素B12時,共做了近千個複雜的有機合成實驗,歷時11年,終於在他謝世前幾年實現了,完成了複雜的維生素B12的合成工作。參加維生素B12之合成的化學家,除了霍夫曼以外,還有瑞士著名化學家埃申莫塞(A.Escheni11oser)等。

在有機合成過程中,伍德沃德以驚人的毅力夜以繼日地工作。例如在合成番木鱉鹼、奎寧鹼等複雜物質時,需要長時間的守護和觀察、記錄,那時,伍德沃德每天只睡4個小時,其他時間均在實驗室工作。

伍德沃德謙虛和善,不計名利,善於與人合作,一旦出了成果,發表論文時,總喜歡把合作者的名字署在前邊,他自己有時乾脆不署名,對他的這一高尚品質,學術界和他共過事的人都眾口稱讚。

伍德沃德對化學教育盡心竭力,他一生共培養研究生、進修生500多人,他的學生已布滿世界各地。伍德沃德在總吉他的工作時說:“之所以能取得一些成績,是因為有幸和世界上眾多能幹又熱心的化學家合作。”

1979年6月8日,伍德沃德國積勞成疾,與世長辭,終年62歲。他在辭世前還面對他的學生和助手,念念不忘許多需要進一步研究的複雜有機物的合成工作,他逝世以後,人們經常以各種方式悼念這位有機化學巨星。

早年的生活和學習

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伍德沃德生於麻省波士頓。其父為阿瑟·伍德沃德,系英格蘭移民。其母為瑪格麗特·伍德沃德,為蘇格蘭移民,生於格拉斯哥。伍德沃德從小即醉心於化學。上昆西的國小、中學時就已經開始自學化學。在他上中學前就已經把一本普遍使用的保羅·嘎特曼編寫的有機化學實驗教材里的實驗大部分都想辦法做了一遍。1928年(11歲)時伍德沃德找到了駐波士頓的德國領事館總領事,通過他搞到了一些發表在德國期刊上的論文。後來在其科普講座中伍德沃德回憶起他無意中在這堆論文中發現了狄爾斯和阿爾德關於雙烯合成反應的原始通訊並被迷住了的經歷。在隨後的生涯中,伍德沃德大量地套用此反應於有機合成,並在理論和套用上對此反應做了非常深入的研究。1933年他被麻省理工錄取,然後次年即因忽視其他課程的學習導致成績不好而被校方開除。麻省理工於1935年再次錄取了伍德沃德,並於1936年授予其理學學士學位。再一年後他拿到了博士學位,其時,他的同學學士都還沒畢業。伍德沃德的博士論文是關於雌性荷爾蒙孕酮的合成。在伊立諾依大學香檳分校做了短暫的博士後工作後他獲得了哈佛大學JuniorFellowship的職位(1937-1938)。以後便一直在哈佛呆了下去。1960年代,伍德沃德被任命為唐納理學教授,於是他便不需要給學生上課,從而能把所有的時間都耗在研究上。

早期工作

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伍德沃德1940年代早期的工作集中在利用紫外光譜來闡明天然產物分子的結構上。伍德沃德收集了大量的實驗數據然後總結出了後來稱為伍德沃德規律的公式.此項成果可以用來幫助鑑定天然和人工合成分子的結構。利用儀器分析來作結構鑑定是伍德沃德研究生涯的一個特色。這種方法深刻地改變了沿用已久的冗長繁瑣的傳統分析方法。1944年,伍德沃德與其學生WilliamvonDoering完成了用於治療瘧疾的奎寧生物鹼的人工合成。當時的宣傳稱此項突破可以解決因東南亞國家被日軍占領而造成奎寧藥材短缺的問題,但是當時的合成工藝無法做到工業化放大生產。然而這卻是化學合成的一個里程碑。伍德沃德以獨特的洞察力從德國人保羅·拉貝1905年將奎寧前體奎寧毒素轉化成奎寧的事實中獲得啟示。意識到合成奎寧毒素即意味著可以合成奎寧本身,而伍德沃德當時是能夠做到奎寧毒素的合成的。伍德沃德完成這個工作的時候,有機化學學科總體上還是一門實驗學科,那是沒人能認為如此複雜的分子居然可以被人工合成出來。伍德沃德給大家展示了這樣一個事實:有機合成可以成為一門理論學科,利用反應和結構的知識可以幫助搞有機合成。該合成是伍德沃德一生完成的無數極端複雜而精妙的合成里的第一個合成。

後期工作與影響

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1930年代後期,英國化學家克里斯托夫·英果爾德和羅伯特·羅賓遜開始了有機反應的機理研究,提出了很多經驗規則用以預測有機分子的反應活性。伍德沃德大概是第一個在有機合成中利用這些規則的化學家。伍德沃德的做法激勵了大批合成了許多重要藥物和結構複雜的天然產物的新一輩化學家們。
有機合成與諾貝爾獎
1940年後期,伍德沃德合成了許多複雜的天然產物分子,包括奎寧膽固醇可的松馬錢子鹼麥角酸利血平葉綠素,頭孢氨素,和colchinine。通過這些分子的合成,伍德沃德開創了有機合成的一個新紀元,常稱為“伍德沃德時代”。他告訴人們只要仔細的運用物理有機化學的原理,以及精細的策劃,天然產物可以通過人工的方法合成出來。許多伍德沃德的合成工作被同行譽為傑作。在伍德沃德做出這些分子之前人們普遍認為人工合成這些分子是不可能的。伍德沃德的工作也被別人描述為一種藝術。從那以後,搞合成的化學家們總是希望在合成中力求實用與美的結合。他在研究中大量套用當時新興的紅外、紫外和核磁共振技術,並注重合成中的立體化學問題(即分子在三維空間的構型)。許多藥物分子往往是某種特定結構的異構體才能充當藥物,這就需要解決合成中的立體專一性問題,從而能合成具有特定立體化學的分子。雖然今天隨便什麼像樣兒的合成都要涉及到立體化學問題,但在當時伍德沃德的工作卻是開天闢地的。他的工作告訴人們通過透徹和理性的規劃,立體專一的合成是可以實現的。眾多他的合成工作採用的是通過引入剛性結構因素於分子中,迫使分子形成某個特定結構。這種思路現在已經變成一種研究的標準方法。伍德沃德在這方面貢獻,尤其是以他完成的利血平和馬錢子鹼的合成作為代表,在有機合成發展史上是里程碑式的貢獻。伍德沃德還在有機合成中套用了紅外技術和化學降解方法來測定複雜分子的結構。其中尤為值得注意的是山道年酸、馬錢子鹼、magnamycin和土黴素,等等。世界大戰期間,伍德沃德提出了青黴素正確的β-內醯胺結構,糾正了羅伯特·羅賓遜提出的塞唑啉-惡唑結構,而後者是當時有機界的權威。伍德沃德的同事、諾貝爾獎獲得者德里克·巴頓評論道:“最牛的結構式鑑定當屬土黴素無疑。這個問題工業價值很大,引得眾多天才化學家們紛紛投入這項工作中來。研究數據繁多而無頭緒,很多東西實驗上沒有問題,但卻得不到正確的結果。伍德沃德拿了張卡片,羅列出各個研究數據,靜思良久,便推出了土黴素的正確結構。這在當時是無人能及的。”伍德沃德再一次通過實例告訴人們結合理性思辨與理論以及對化學的直覺可以做到這些。1950年代早期,伍德沃德與在哈佛工作的英國化學家傑夫里·威爾金森一道提出了二茂鐵的新穎結構。二茂鐵分子由有機分子和鐵原子構成。這個事件被當作是金屬有機化學的開端。該學科已經發展成為一門具有重要工業價值的學科。威爾金森與恩斯特·奧托·費歇爾一道因為此項工作而獲得了1973年的諾貝爾化學獎。一些歷史學家認為伍德沃德應該分享此項獎。伍德沃德本人也有一樣的看法,曾經給諾貝爾評獎委員會寫信表達看法。

伍德沃德因其在合成複雜有機分子方面的貢獻獲得了1965年的諾貝爾獎。在他的獲獎發言中,伍德沃德描述了抗生素頭孢子氨素的合成,並聲稱他已經設計出了這個分子切實可行的合成方法,頒獎後在很快的時間內就可以做出來。

維生素B12合成與Woodward-Hoffmann定律

1960年代早期,伍德沃德開始了迄今為止最複雜的天然產物分子-維生素B12的合成。他與在瑞士蘇黎世的同事阿爾伯特·艾申莫瑟精誠合作,組織了有上百名研究生和博士後的隊伍歷時數載攻關該分子的合成。該工作的結果最終於1973年發表,在有機化學歷史上樹立了一個新的里程碑。該合成涉及上百步的反應和繁重的設計與分析。這個工作的結果以比其他任何一個合成都強的說服力的事實告訴其他化學家們只要有足夠的時間和策略研究任何複雜的分子都能在實驗室里合成出來。然而,遲至今日(2005年),再沒第二個維生素B12合成的報導。同年,通過對維生素B12合成過程中得到的觀察的研究,伍德沃德與羅爾德·霍夫曼提出了預測周環反應過程中產物立體化學的規則(後世稱其為伍德沃德-霍夫曼規則)。作為一個經驗豐富的有機合成化學家,伍德沃德自己通過分析分子軌道對稱性先得出了該規則的雛形;他請求霍夫曼幫他對結果進行理論驗算。霍夫曼使用自己發明的“推廣的休克爾方法”對結果進行了計算。後來發現許多試驗數據都與理論結果吻合得相當好。於是在1981年霍夫曼與日本化學家福井謙一分享了當年的諾貝爾化學獎。當時倘若伍德沃德還活著,他毫無疑問可以拿第二次諾貝爾化學獎。

伍德沃德研究所和晚年

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1963年,伍德沃德身在哈佛,卻擔當其遠在瑞士巴塞爾的伍德沃德研究所的領導職務。他還在1966年至1971年期間擔任了他的母校麻省理工以及以色列魏茨曼科學研究所的校董。伍德沃德在麻省劍橋逝世,當時他還在從事一種叫做赤黴素抗生素的合成。他的一名學生回憶道:“我得到伍德沃德的很大幫助。他讓我知道雖然我們在結果並不明朗的情況下也能對難題攻關。但要有信心,憑藉智力和勤勞是可以克服這些困難的。他給我展示了有機化學的美之所在,也告訴我幹這一行思維嚴謹的重要性。他說大家不必要專業化。他對合成策略、複雜結構的推斷、新反應的發明和理論研究都作出了傑出的貢獻。他通過言傳身教告訴學生傾心做學問的樂趣。我很珍惜曾與這位科學巨匠一起工作的美好回憶。”

個人生活

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他於1938年與IrjaPullman結婚。1946年與EudoxiaMuller結婚。第一次婚姻中育有兩個女兒,第二次婚姻中育有一兒一女。伍德沃德一生髮表了196篇論文,其中85篇是研究全文,其餘為通訊、講義和綜述等。他從事的科研工作很密集,以至於常常沒來得及發表所有的實驗細節。許多他參與的研究工作是在他辭世多年後才發表的。伍德沃德培養了200多個天才博士生、博士後研究人員。其中很多人後來成為著名的學者,最著名的有岸義人(YoshitoKishi,哈佛教授),StuartSchreiber(哈佛教授),ChristopherS.Foote(UCLA教授),andKendallHouk(UCLA教授)等等。

伍德沃德是個出名的工作狂,一輩子都撲在化學研究上。他的化學知識是百科全書式的,對細節過目不忘。他的過人之處在於能博覽群書,而又融會貫通,將別人瑣碎的研究成果整合成完整的知識來解決具體問題。他的講課富有傳奇色彩,往往能持續三四個小時。他不喜歡用幻燈片,而愛用不同顏色的粉筆畫出漂亮的結構式來。在哈佛,他周六的研討課常常講著講著就講到深夜。他偏愛藍色。他的衣服、汽車是藍色的,甚至於停車的車位都塗成藍色。他厭惡體育鍛鍊,能接連好幾天每天睡幾個小時。他吸菸很厲害,喜歡喝蘇格蘭威士忌。

榮譽和獎勵

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由於伍德沃德的傑出貢獻,他獲得了許多獎勵、榮譽和榮譽學位。1953年他被當選為美國科學院院士。是世界各國的各種院士。身兼各種公司的技術指導,包括Polaroid、輝瑞、默克等等。其他獎勵包括:

JohnScottMedal,fromtheFranklinInstituteandCityofPhiladelphia,1945

BackelandMedal,fromtheNorthJerseySectionoftheAmericanChemicalSociety,1955

DavyMedal,fromtheRoyalSocietyin1959

RogerAdamsMedal,fromtheAmericanChemicalSocietyin1961

PiusXIGoldMedal,fromthePontificalAcademyofSciencesin1969

NationalMedalofSciencefromtheUnitedStatesofAmericain1964("Foranimaginativenewapproachtothesynthesisofcomplexorganicmoleculesand,especially,forhisbrilliantsynthesesofstrychnine,reserphine,lysergicacid,andchlorophyll'")

NobelPrizeinChemistryin1965

WillardGibbsMedalfromtheChicagoSectionoftheAmericanChemicalSocietyin1967

LavoisierMedalfromtheSocieteChimiquedeFrancein1968

TheOrderoftheRisingSun,SecondClassfromtheEmperorofJapanin1970

HanburyMemorialMedalfromThePharmaceuticalSocietyofGreatBritainin1970

PierreBrnylantsMedalfromtheUniversityofLouvainin1970

伍德沃德接受了二十多個榮譽學位,包括如下大學的榮譽博士學位:

WesleyanUniversityin1945;

哈佛大學in1957;

劍橋大學in1964;

BrandeisUniversityin1965;

IsraelInstituteofTechnologyinHaifain1966;

UniversityofWesternOntarioinCanadain1968;

UniversityofLouvaininBelgium,1970.

名言

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1.沒有通用的反應,所有反應都必須逐個做才能確定結果。
2.最好的反應模型,是你的反應底物的對映異構體。
3.合成....是一門藝術。

發明的術語

1.conrotation/disrotation順鏇/對鏇
2.macrolide 大環內酯
3.totalsynthesis 全合成

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