回顧諾貝爾獎頒獎一個多世紀以來，化學獎授予給有機合成方法學的一共有5次。在我們今天看來，它們都是在有機合成上具有劃時代意義的，是經(jīng)典中的經(jīng)典的！它們分別是1912年格林尼亞的格氏試劑；1950年Diels-Alder反應；1979年的Witting反應；2001年的不對稱催化和去年的烯烴復分解反應。我們可以發(fā)現(xiàn)，這五次獎都是有關構(gòu)筑C-C鍵的合成方法學。這并不驚奇，因為有機合成的實質(zhì)也是如何高效、簡易、原子經(jīng)濟性地建立分子的碳骨架。

早在1901年，格林尼亞在他攻讀博士期間就制備出了格式試劑。后來被證明是最有效最方便的構(gòu)筑C-C單鍵的方法，應用格式反應，可以得到各式各樣的醇，醇作為新的反應活性點，可以使分子繼續(xù)向下衍生。到他1935年逝世時，全世界發(fā)表的有關格氏試劑的論文竟達到了六千多篇，如果算到現(xiàn)在，那真是無可計數(shù)了?？梢姼窳帜醽唽τ谟袡C合成發(fā)展的貢獻之大。他所開拓的研究范圍之廣，也是有機化學研究中罕見的。

1950年的Diels-Alder雙烯合成，在制備環(huán)狀化合物方面，具有極高的效率和不可替代的地位。Diels-Alder反應很奇特，它是一個協(xié)同的反應，也就是說反應中沒有碳正離子、碳負離子或自由基等中間體的生成，一改當時認為有機反應都是經(jīng)由碳正離子、碳負離子或自由基中間體來完成的。這在探索有機反應機理方面具有劃時代的意義。

我們可以想一想其他生成環(huán)狀化合物的方法，與之比較。其實生成這種只有碳的環(huán)的反應并不多，大部分成環(huán)反應在環(huán)上都留有雜原子，比如氧或氮等。我們還熟悉一種成環(huán)反應，就是進行醛醇縮合來關環(huán)，魯濱孫增環(huán)反應。但這個反應肯定會在分子中留下一些活性基團，如果你不想要這些活性基團，還要想辦法去掉它們。D-A反應就不同，環(huán)上的取代基是否留存不取決于這一步。魯濱孫反應就不行，假如沒有羰基就不可能進行反應。

Witting反應和烯烴復分解反應很象。Witting反應的底物是C-O雙鍵，烯烴復分解是C-C雙鍵，Witting反應的試劑是膦葉立德，烯烴復分解反應的是金屬卡賓。有一點不同是膦葉立德是作為試劑的，是化學劑量的，而金屬卡賓是作為催化劑的，是催化量的。還有一點相同的是產(chǎn)物相同，都是烯烴。

01年的諾貝爾化學獎是有關不對稱催化的。前兩位William和Noyori的貢獻是在不對稱氫化，后一位Sharpless的貢獻是在烯烴的不對稱環(huán)氧化方面。這方面大家都很熟悉了，我就不多講了。

2005年諾貝爾化學獎分別授予給Yves Chauvin, France；Richard R. Schroch, MIT, USA；Robert H. Grubbs, California Institute of Technology, USA。他們的主要貢獻是闡明了作為構(gòu)建有機化合物分子C-C鍵的一種重要反應——烯烴復分解反應的機理并發(fā)展出一系列用于此反應的高效過渡金屬催化劑。

化學鍵的斷裂與形成是化學研究領域中最基本的問題，研究碳-碳鍵的斷裂與形成規(guī)律是有機化學中需要解決的核心問題之一，碳－碳雙鍵和三鍵的鍵能與碳－碳單鍵相比要高得多，因此要切斷前者并使其按照希望的方式重新結(jié)合，則需要更高的能量，所以尋找適當?shù)拇呋瘎崿F(xiàn)上述轉(zhuǎn)化，成為化學家近半個世紀的挑戰(zhàn)課題。烯烴復分解反應，是指在金屬催化下的碳－碳重鍵的切斷并重新結(jié)合的過程。 Metathesis來之希臘語，meta意為交換，thesis意為位置。所以烯烴復分解又稱為烯烴易位反應。

按照反應過程中分子骨架的變化，可以分為五種情況:交叉復分解反應、關環(huán)復分解、非環(huán)二烯復分解聚合、開環(huán)復分解聚合、炔烴與烯烴復分解以及開環(huán)交叉復分解。由此可以看出，烯烴復分解反應在高分子材料化學、有機合成化學等方面具有重要意義。

關于金屬催化的烯烴分子的切斷與重組，即烯烴復分解反應的研究，可以追溯到20世紀50年代中期。那時著名的Ziegler（1963年諾貝爾化學獎得主）在研究乙烯的聚合時發(fā)現(xiàn)了這一反應類型，而且在一系列的專利里也有報道，但當時還沒有人能說清楚機理。

這就是著名的Ziegler，在高分子工業(yè)上做出巨大的貢獻，因此他和Nata一起獲得了1963年諾貝爾化學獎。

在早期的文獻里，可以看到這些試圖解釋烯烴復分解到底是怎樣發(fā)生的機理。起初，人們懷疑是否交換了烷基基團。后來有人做同位素實驗，證實了確實是交換了烷基，但是怎么交換的，金屬在這里起什么作用還是沒有弄清楚。圖示的這些中間體后來被證明是不正確的。

直到1971年，Y. Chauvin和他的學生發(fā)表論文，說明在此過程中，真正起催化作用的是金屬卡賓，并不是金屬本身。金屬卡賓是金屬和碳以雙鍵相連接的化合物。在圖中，金屬卡賓作為催化劑，把兩個端烯烴復分解化為非端位烯烴（E和Z的混合物）和乙烯。乙烯的去除使反應進行到底。如圖，金屬甲烯反復地和底物烯烴反應，形成一個金屬雜化的環(huán)丁烷，然后這個中間體裂開，產(chǎn)生一分子乙烯和另一個金屬卡賓。生成的乙烯中兩個碳分別來自催化劑和一分子底物烯烴。然后新生成的金屬卡賓與另一個底物烯烴反應形成四元環(huán)中間體，然后此中間體又分解生成產(chǎn)物和金屬甲烯。這一機理有著實驗基礎，而且很難用其他機理解釋這些實驗現(xiàn)象。這一機理被包括其他兩位獲獎者在內(nèi)的化學家們廣泛地認同。

在發(fā)現(xiàn)烯烴復分解以后的20多年里，所發(fā)展的催化劑均為多組分催化劑，如MoO3/ SiO2,Re2O7/Al2O3,WCl6/Bu4Sn等。但是，由于這些催化體系通常需要苛刻的反應條件和很強的路易斯酸性條件，使得反應對底物容許的功能基團有很大的限制。這些問題促使人們?nèi)ミM一步認識和理解反應進行的機制。20世紀70年代初期，Chauvin提出的烯烴與金屬卡賓通過［2+2］環(huán)加成形成金屬雜環(huán)丁烷中間體的相互轉(zhuǎn)化過程后，在試圖合成金屬雜環(huán)丁烷化合物的過程中，導致了在20世紀70年代末、80年代初的烯烴復分解反應單組分均相催化劑的發(fā)現(xiàn)，如鎢和鉬的卡賓絡合物，特別是Schrock催化劑用于催化烯烴的復分解反應，都取得了比以往的催化體系更容易引發(fā)、更高的反應活性和更溫和的反應條件，更重要的是單組分催化劑的發(fā)現(xiàn)使得人們深入地研究催化劑的結(jié)構(gòu)－性能關系成為可能，從而為發(fā)現(xiàn)新一代的、性能更優(yōu)秀的催化劑奠定了基礎。

20世紀90年代以前的催化劑，以過渡金屬（如鈦、鎢、鉬等）卡賓絡合物為主，盡管取得了一些成功，但這些催化劑大都對氧和水非常敏感，對含有羰基和羥基的底物也不適用，這樣就限制了它們的廣泛應用。一個突破性的進展是1992年美國加州理工學院的Robert Grubbs發(fā)現(xiàn)了釕卡賓絡合物，并成功應用于降冰片烯的開環(huán)聚臺反應，克服了其他催化劑對功能基團容許范圍小的缺點，該催化劑不但對空氣穩(wěn)定，甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以保持催化活性。在此基礎上，于1996年Grubbs對原催化劑作了改進，該催化劑不但具有比原催化劑更高的活性和相似的穩(wěn)定性，而且更容易合成，成為應用最為廣泛的烯烴復分解催化劑。由于Grubbs催化劑的誕生，使得過去許多有機合成化學家束手無策的復雜分子的合成變得輕而易舉。烯烴的開環(huán)復分解聚合反應已經(jīng)成功應用于一些特殊功能高分子材料，如親水性高分子、高分子液晶等的合成。關環(huán)復分解反應在許多復雜藥物、天然產(chǎn)物以及生理活性化合物合成過程中，表現(xiàn)出了特殊的優(yōu)越性和高效率

那么為什么要用金屬釕呢？我們知道，在任何催化系統(tǒng)下，無論底物還是溶劑中的功能基團（包括氧和水）都有可能干涉催化劑的催化過程。它們能競爭性地和中心金屬結(jié)合致使催化劑失活，或者干脆就直接和金屬中心反應來破壞主反應。這樣，提高一個反應的反應性的關鍵問題就是發(fā)展一些催化劑，使它們一開始直接就和烯烴結(jié)合。這樣通過考察一些過渡金屬與底物的結(jié)合能力或結(jié)合的優(yōu)先次序，制成如圖所示的表。很明顯，釕與烯烴的結(jié)合能力最好。這樣，釕卡賓絡合物作為催化劑，不但對空氣穩(wěn)定，甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以保持催化活性 ，克服了其他催化劑對功能基團容許范圍小的缺點 。

最近，Grubbs通過系統(tǒng)地對催化劑結(jié)構(gòu)－性能關系進行研究，發(fā)現(xiàn)催化劑的活性與其膦配體的解離有關，認為催化循環(huán)過程中經(jīng)過一個高活性的單膦中間體，根據(jù)這一設計理念，提出了以比膦配體具有更強給電子能力和更高穩(wěn)定性的Ｎ-雜環(huán)卡賓配體代替其中一個膦配體，于1999年發(fā)展了第二代Grubbs催化劑。第二代Grubbs催化劑除了具有第一代催化劑的優(yōu)點以外，更重要的是其催化活性比第一代催化劑提高了兩個數(shù)量級，在開環(huán)復分解聚合反應中，催化劑用量可以降低至百萬分之一，在關環(huán)復分解反應中，催化劑用量也僅為萬分之五，同時選擇性更高，對底物的適應范圍更加廣泛，催化劑的成本也更低。下圖是一個害蟲信息素的合成，用的就是第二代Grubbs催化劑。很巧的是在自然界這種信息素的E/Z構(gòu)型為82:18，而應用第二代Grubbs催化劑催化得到的產(chǎn)物的E/Z的比率恰好也是82:18。

經(jīng)過近半個世紀的努力，金屬卡賓催化的烯烴復分解反應已經(jīng)發(fā)展成為標準的合成方法并得到廣泛應用，Grubbs催化劑的反應活性以及對反應底物的適用性己經(jīng)和傳統(tǒng)的碳－碳鍵形成方法（如Diels-Alder反應、Wittig反應，曾分別獲得諾貝爾化學獎）相媲美。從其發(fā)展歷程可以看出，每一次研究的突破，無不歸因于長期堅恃不懈的基礎研究積累，從而不斷地創(chuàng)新，廣泛的應用前景是其能成為一個熱點領域的根本動力。