世界著名化学家

Woodward纪念专辑——生平

2017年4月10日是Robert Burns Woodward诞辰一百周年的纪念日。Woodward被公认为二十世纪最为杰出的有机化学家,他的工作对有机化学的发展与进步产生了深远的影响。虽然Woodward这个名字对于每一个学习化学尤其是有机化学的人来说是那么的耳熟能详,但是仔细想来,他的事迹似乎又并不为我们所熟知。如同有机化学书中随处可见的其他人名一样,他经常会在绪论或者各种阅读材料中以一种固定的形象出现,然后合成了奎宁,利血平或是结构更为复杂但又不会被人真正认全过的VB12,而这一切的叙述大多是为了“引起读者的兴趣”,鼓励大家学习这门学科。小编之前也是这种读者之一,然而去年脑中一个偶然的念头,让我突然对隐藏在这些程式化平面化书写背后那个真实的Woodward产生了巨大的好奇,想抛开这些有限的中文材料,通过对原始材料的阅读去发掘了解一个历史语境中的逐步成为神话的Woodward。

接下来的故事就是一个不断充满惊讶与激动的历程,前后几个月的时间里,我从相关资料的收集与整理开始,然后分别阅读了Woodward发表的部分原始文献,后人编辑的传记,Woodward生前同事和学生对他的相关回忆以及其他可以找到的相关材料,逐渐在心中勾勒出一个属于自己的Woodward形象出来,虽然未必见得准确,但对他的认识与过去相比无疑是深刻丰满了许多。这一段经历小编不敢独美,于是就想将几个月以来的一些所得写成几篇小文章,作为一个专辑,从Woodward的生平,成就以及轶事等多个角度向大家介绍这位我们最应该纪念的化学传奇人物。相信通过重新歌颂这位英雄的事迹,我们将对二十世纪有机化学的历史发展轨迹以及Woodward在其中所起的作用有更加深入的认识。囿于小编自身专业方向以及认知水平,有些内容只能点到为止,读者也许不能尽兴,在此小编强烈建议大家前去阅读Woodward的原始文献,以这种跨越历史的方式与其直接对话的感受是没有任何介绍性的文字可以取代的。此外在本系列的写作过程中,小编需要特别感谢一位留美做全合成的前辈,在群内与他愉快地交流提升了我对Woodward的认识,也促成了本系列一部分内容以及观点的形成,同时这位前辈与我分享了一些不易获取的关于Woodward的资料,相信也将为本系列添彩。本期主要简单回顾一下Woodward的生平经历。

Robert Burns Woodward在1917年4月10日生于美国马萨诸塞州的波士顿。父亲Arthur Chester Woodward在Woodward年仅一岁时就死于1918年的大流感。虽然母亲Margaret Woodward Chase随后改嫁,但是很快就被第二任丈夫抛弃,Woodward只能由母亲一人艰难地抚养长大。Woodward早年的教育是在Quincy的公立学校接受的。在很小的年纪,Woodward就接触了化学,并进行了自学与实践。1928年,Woodward通过德国领事馆在波士顿总领事,得到一批德文的期刊,在这其中他偶然看到了Otto Diels和Kurt Alder报道的Diels-Alder反应的原始通讯论文,文章上面所呈现的反应与他心中所设想的合成苯环的方法是如此惊人一致。纵观Woodward的一生,无论是理论研究还是合成应用方面,在其各个阶段的研究中都活跃着Diels-Alder反应的身影,用Woodward女儿后来形容他父亲的话来说就是“preoccupation with the Diels-Alder reaction.”。他同样购买了当时流行的实验有机化学教科书,由Macmillan公司出版的Ludwig Gattermann编纂的The Practical Methods of Organic Chemistry。在以后的日子中,Woodward本人并没有阻止过他操作了书上所有实验这一传闻的传播。可以说,在毕业时,他的有机化学水准已经远超了他的同龄人。

图1. 左:五岁时照片 中:在Quincy高中毕业照 右:MIT时期

 

1933年,16岁的Woodward被MIT录取。虽然除了化学,当时他对数学,建筑等学科同样有兴趣,但是出于化学这门实验学科能提供“直观的感受”的原因,他最终选择了前者并且终身致力于此。在MIT学习时,他因为第一年对一般学科学习忽视而发生了被学校退学的插曲,所幸在1935年又被学校宽容地批准重新入学。Woodward的化学天赋在MIT得到了认可,他获得了独立进行研究的机会。1936年,他就以题为Preliminary Studies in the Synthesis of the Polynuclear Hydroaromatic Ring Systems的论文获得了学士学位,仅仅一年后,他又以对当时热门的含芳环甾体雌激素Estrone进行合成研究的论文A Synthetic Attack on the Oestrone Problem摘得了MIT的博士学位。如今,读者已经可以从MIT开放的学位论文库中免费下载到这些历史文献。在MIT期间作为Woodward研究导师的James F. Norris 教授,在1937年Woodward毕业后Boston Globe对Woodward的专题报道中谈到他时说:

“We saw we had a person who possessed a very unusual mind in our midst. We wanted to let it function at its best. If red tape which was necessary for other less brilliant students had to go, we cut it. We did for Woodward what we have done for no other student in the department. And we think he will make a name for himself in the scientific world.”

Woodward在后来取得成就无疑证明了Norris教授慧眼识珠,当年的判断是何其准确!

图2. 左:Woodward在MIT博士毕业论文封面 右:James F. Norris 教授

 

从MIT毕业后,Woodward在Illinois大学进行了短暂的研究,随后在1937年秋以Elmer P Kohler教授研究助理的身份来到Harvard大学,自此直到四十二年后去世他再也没有离开这里。在Harvard,Woodward的非凡才能很快就获得了赏识,在1938年就被遴选为Harvard学会的Junior Prize Fellow,之后在1944年升为助教授,1946年任副教授,1950年晋升教授,1953年开始被任命为Loeb讲座教授。1960年起Woodward担任Donner讲座教授,得以免于常规的教学任务从而能够致力于自己的研究。虽然形式上Woodward一生并没有离开Harvard大学,但是作为学院内教授的同时,Woodward还始终与工业界保持着密切的联系。他长期担任诸多知名制药企业比如Eli Lilly,Merck,Pfizer等公司的顾问,尤其与Ciba(即后来的Ciba-Geigy,Novartis的前身)公司的合作为他所重视,1963年,Ciba公司在瑞士巴塞尔设立了以其名字命名的Woodward Research Institute,由他担任负责人直至去世,所以晚年他经常往返于欧洲与Harvard之间。

四十年代初,他陆续发表了关于紫外吸收与共轭体系取代之间关系的论文,即后来被称为Woodward规则的研究,这些文章发表后立即引起了其他化学家的关注,Woodward由此在学术界崭露头角。这组文章也从一方面展现了Woodward那超乎寻常般的,能够从浩如烟海的文献,同事的工作以及自己的实验中构建出一幅自洽图景的能力。纵观这几篇文章,其中没有一个单独测量的数据,都是Woodward从众多文献中收集得到的数据,然而他却从这些没有关系的数字之间寻找到了内在的联系,通过一个简单的加法公式就把吸收波长的最大值与共轭体系取代基联系了起来。Woodward这种从海量文献信息中抽丝剥茧去伪存真的能力在后续的天然产物结构鉴定中还将大显身手,而此刻,完成这项工作时,他才仅仅23岁。Woodward也是同时代人中先知先觉最早将新兴波谱学检测方法应用到结构鉴定中去的,他以Woodward规则推广了紫外光谱,同时又极大地拓展了红外光谱的应用范围,将原来只能凭借经典的化学降解法解决而耗时长久的结构测定工作提升到全新的高度。

图3. 1944年Doering和Woodward在Harvard

 

他事业的巅峰,也就是对天然产物全合成的研究,也是从四十年代开始的。第二次世界大战期间,日本军队在太平洋地区的行动切断了奎宁(Quinine)的供给。Woodward从小就对奎宁感兴趣,尝试用自己的方法来合成奎宁,在当时向战时委员会申请资助未果后,他获得了需要用奎宁作为光敏剂但希望寻找替代合成方法的Polaroid公司的负责人Edwin Land的资金援助。有了经济基础,Woodward与同事William E. Doering最终在1944年顺利完成了奎宁的全合成,诸多知名媒体都对此成果予以报道,成为了当时美国社会的一大新闻。另一方面,Woodward凭借着奎宁全合成的研究同样在学术界声名鹊起,也因此被吸收进入战时英美两国科学家合作的Penicillin项目,并且在其结构推断的最后关键一步中,成功依靠红外光谱以及相关信息推断出Penicillin骨架中的β-lactam结构,而这一判断随后在1945年被Dorothy Hodgkin利用X射线单晶衍射所证实。

图4. Woodward课题组合成的部分天然产物

 

从五十年代开始,Woodward陆续完成了一系列重要天然产物的全合成,具有代表性的包括Cholesterol(1951),Cortisone(1951),Strychnine(1954),Reserpine(1956),Chlorophyll(1960)和Colchicine(1963)。完成甾体化合物的全合成让他跻身到第一流的有机化学家之列,而在实现了同样由其推导出正确结构的Strychnine 的全合成之后,Woodward俨然已是有机合成新一代的统治者。Woodward的全合成给人印象深刻的是其对于目标分子立体化学的精确控制,在可用的立体控制手段十分有限的年代,他就纯熟地利用环的闭合与打开来调节分子的活性与结构,进而获得期望的结果,而这一点在他的Colchicine的全合成中可以说达到了炉火纯青乃至登峰造极的地步,一个异噻唑环的运用向我们展现了有机合成大师那无以伦比的想象力以及在全合成实践中无限的可能性。为了表彰Woodward在有机合成领域取得的艺术性的杰出成就,瑞典科学院授予了他1965年度的诺贝尔化学奖。

图5. 1965年诺贝尔奖颁奖典礼: 左起化学奖Robert B. Woodward;物理学奖Julian Schwinger 和 Richard P. Feynman;生理或医学奖François Jacob, André Lwoff和Jacques Monod;文学奖Mikhail Sholokhov

 

然而Woodward的脚步并未就此停下,而是向着更高的山峰继续攀登。从1961年开始,他就和ETH的Albert Eschenmoser教授一起合作,开始挑战结构更为复杂的VB12,由Woodward来合成更为困难的A环与D环,后者来合成B环与C环,最后连接形成终产物。虽然Woodward在之前Chlorophyll的合成中曾经处理过与VB12的咕啉环结构相似的卟啉环,但显然在VB12这个目标分子中遇到的形势要严峻得多,情况也更为复杂。最终,在历经十一年时间以及近百位训练有素的有机合成化学家的共同努力之后,来自Harvard和ETH两方的合作者攻克了这个结构怪兽,而这独一无二的VB12全合成也称为了有机合成历史上的里程碑。此外值得一提的是,在为VB12的合成而特意设计的一个模型化合物的合成过程中,Woodward体会到了一个极不寻常的光和热对一个复杂化合物反应的严格制约,这一明确无误的意外观察情况引起了他对一系列事实的联系和思索,从而导致了轨道对称守恒原理也就是Woodward–Hoffmann规则的发现。

图6. Woodward与VB12的分子结构模型

 

1979年7月8日因心脏病发,Woodward在家中与世长辞。两年后,与Woodward一同合作进行分子轨道研究的Roald Hoffmann与研究前线轨道理论的福井谦一(Kenichi Fukui)分享了1981年诺贝尔化学奖,许多人都相信,如果Woodward仍在世,那他必将再次登上诺贝尔奖的领奖台。

Woodward一生只发表了两百余篇论文,和今天大多数研究人员相比并不算多,但其论文的工作量往往十分庞大,而在他及其同事指导下的学生约有四百余人,其中有些也已经是当今学术界的知名学者。

回顾Woodward的学术生涯,可以发现他是一位知识非常全面近乎百科全书式的化学家,他的影响远远超出有机合成领域,其无论是在思想上,理论上还是方法上都为有机化学做出了巨大的贡献也为其他化学家树立了楷模。他的功绩简单说来可分为三点:

一是将物理方法应用到有机化学,提倡仪器的使用;

二是创建了重要的理论以及方法;

最后就是复杂天然产物的结构测定以及全合成。

虽然Woodward身后没有留下一个单独的学派,但是他的精神通过当年与他合作的同事以及受其教诲的学生流传了下来,持续地影响着我们今天的有机化学研究。为了纪念Woodward在有机合成研究中所取得的成就,在其诞辰75周年的1992年,美国化学遗产基金会(Chemical Heritage Foundation)组织了题为Robert Burns Woodward and the Art of Organic Synthesis的巡回展览,旨在向大众展示这位20世纪伟大有机化学家的一生,其后将展览内容成册,形成了同名的书籍,赠送给各个大学研究单位以及图书馆等。然而长久以来,都没有一本彻底的传记能够详实地记录Woodward波澜壮阔的研究人生,为了弥补这个遗憾,在CHF的主持连同其生前好友弟子等各方努力之下,2001年终于由CHF出版了六百多页的巨著Robert Burns Woodward: Architect and Artist in the World of Molecules,相信这本书是目前读者试图了解Woodward的最佳读本,其中收录了Woodward最重要的研究论文以及首次公开的其在1973年ACS授予的首届Cope Award奖颁奖仪式上带有自传性质的讲演。

图7. Robert Burns Woodward and the Art of Organic Synthesis与Robert Burns Woodward: Architect and Artist in the World of Molecules两书封面

百年轮回,如今有机化学又迈入了新的世纪,站在这个时间点眺望未来,试问何时才会诞生新的大师引领有机化学开创一番新的局面?也许我们通过回顾Woodward的一生能够得到些许启示。

 

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Chirality

药物化学博士在读。误打误撞进入化学一行,虽然从小动手能力不强,但是经过多年搬砖训练自己比以前有了很大的提升,对未来也更有信心。对于有机和药化的历史与过去充满了好奇,同时想充分挖掘化学中人文主义的一面。平时乱翻了几本化学书后总是想把所思所想分享出来,于是加入了化学空间成了一名小编,希望能在以后的日子里写出更多好文章,为化学空间越办越好做出一点微小的贡献。

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