科學新知

2001諾貝爾化學獎介紹

國立中正大學化學系 于淑君

諾貝爾化學獎於一百年前（西元1901年）首次頒發給當時任教於德國柏林大學，原籍荷蘭的Jacobus Henricus van't Hoff教授，以表彰他在化學反應動力學以及溶液滲透壓研究領域的卓越貢獻。化學研究領域可粗略分為物理化學、無機化學、有機化學、分析化學及生物化學五大類，歷年來以研究生物化學而得諾貝爾化學獎者為最多。

2001年諾貝爾化學獎將頒給美國威廉諾爾斯（William S. Knowles）、 貝利夏普里斯（K. Barry Sharpless）和日本野依良治（Ryoji Noyori），以表彰他們在觸媒化學研究領域的重大貢獻。這些化學家分別在1960及 1980年代研究出非對稱性（asymmetric）過渡金屬（transition metal）觸媒以催化方法來合成對掌光學活性（chiral）分子，他們的研究成果為今日新藥製造奠定了重要的基礎。現今已有一些藥品的工業合成物中如抗生素、消炎藥和心臟病藥等即是運用他們的研究成果。

現已退休，年八十四歲的美國學者威廉諾爾斯（William S. Knowles）曾任孟山都製藥公司（Monsato Co.）研究員。而日本名古屋大學教授野依良治（Ryoji Noyori），年六十三歲，贏得今年度諾貝爾化學獎，成為第十位獲得諾貝爾獎的日本人，也是繼已故的京都大學名譽教授福井謙一（Kenichi Fukui，1981年得獎）和筑波大學名譽教授白川英樹（Hideki Shirakawa，2000年得獎）之後第三位贏得諾貝爾化學獎的日本人。威廉諾爾斯與野依兩者都是以過渡金屬分子觸媒在「不對稱有機氫化合成反應」（chirally catalyzed hydrogenation reactions）上的基礎及應用研究的卓越成就而贏得獎項。而目前任職於美國加州施貴寶研究所（Scripps Research Institute）的貝利夏普里斯（K. Barry Sharpless）教授現年六十歲，則是以過渡金屬分子觸媒在「不對稱有機氧化合成反應」方面的卓越研究表現而獲獎。

本文在介紹這三位傑出化學家的研究工作---「過渡金屬分子觸媒與不對稱有機催化反應」之前，將先行釐清下列有關「鏡像與催化」的基本慨念：

在各式各樣的分子中，有許多分子具有鏡像對稱的異構物，就像我們的手掌以及腳一般，不論我們如何旋轉，也無法使左右兩手掌重疊而使之完全相同。這類型的分子在化學上稱之為對掌性分子，且互為鏡像異構物（enantiomer），具有不同的三維立體結構。

在自然界生命體中也有非常多的對掌性有機分子。而奇妙的是，成對的鏡像對掌分子通常只有其中一種鏡像異構物存在於自然界中，而這些異構物在動、植物生命體中佔極重要的地位（如氨基酸、酵素、蛋白質、以及DNA與RNA等）。

大多數的藥物也是屬於對掌性分子。藥物以其特定的鏡像異構物的三維立體結構在細胞中與立體結構相符合之細胞組織分子結合而達到治療的效果。通常另外一種型式的鏡像異構物多半對細胞具有致命的毒性。例如，1960年間問市，主要治療孕婦噁心與暈眩症狀的thalidomide便是一種對掌性分子。而此藥物的另一種鏡像異構物則會導致胎兒畸形發育。另外，檸檬精油（limonene）也是具有對掌性的分子，其化學結構如下圖：

雖然乍看之下很難區別上述兩種鏡像異構物，然而人類鼻腔內負責嗅覺功能的接收器（nasal receptor），也正因為是以具有光學活性的分子所組成而能很敏銳的分辨出其中帶檸檬味的(S)-limonene鏡像異構物，以及帶橘子味的另一鏡像異構物，(R)-limonene。

在化學工業中時常需要運用催化劑（catalyst或稱觸媒）以達到大量生產純度高的精緻化學品（fine chemicals）。而催化劑不僅能提昇化學反應速率（稱之為催化），並且本身並不會因為參與反應之中而耗損。若以一般有機方法去合成這類型分子，兩種鏡像異構產物幾乎會等量生成，很難分離。威廉諾爾斯（美國孟山都製藥公司）和野依良治（日本名古屋大學）發現用多種含過渡金屬的分子作觸媒，進行氫化反應（hydrogenation，將氫原子加入平面型的有機分子），可以合成出其中一型的鏡像異構物對掌分子， 而且反應效率很高。這項發現促成其後許多新藥的量產 (如治巴金森氏症的L-DOPA，與非類固性發炎藥，(S)-Naproxene...等等)。 K. B. Sharpless (美國加州Scripps Research Institute) 則從事氧化反應的研究，這類對掌性分子則因氧原子的加入，而具有更強活性，醫藥的用途更為廣泛（如治療心臟病用藥，beta-blockers的原料物，(S)-和(R)-methylglycidol）。化學合成及相關領域的產、學界在過去幾十年中，一直致力於開發新的合成方式，將傳統不具或具有極低「鏡像選擇性」（也就是產物為兩個互成鏡像異構物中的其中一個）的生產效率大力提昇（也就是使產物只為兩個互成鏡像異構物中的其中一個）。而今年度的諾貝爾化學獎得獎人就是發展出利用非對稱性過渡金屬分子觸媒以催化的方法來達到提高產物的鏡像選擇性而合成具有高純度光學活性的分子產物。

在1960年代初期，化學及化工界還沒有「不對稱性有機氫化催化反應」的概念。今年三位得獎人之一的威廉諾爾斯學者在1968年於美國聖路易市孟山都製藥公司任職時即經研究發現，具有光學活性的過渡金屬分子觸媒可將不具光學活性的原料反應物經由催化機制使光學活性傳導至產物上。他所研究的反應就是將氫氣分子（H₂）加成到平面碳碳雙鍵（C=C）上的氫化催化反應。這項研究的成果拓展出一個全新的研究領域，也就是「不對稱性催化反應」--- 利用一個具光學活性的過渡金屬觸媒分子，便可產生百萬個具特定立體結構的鏡像異構物產物分子。

事實上，諾爾斯的研究是源發於Wilkinson及Osborn兩位化學家在1966年所發表的研究成果。當時Wilkinson及Osborn合成出不具光學活性的分子觸媒，(Ph₃P)₃RhCl，並利用在催化氫化反應中。而諾爾斯將觸媒中不具光學活性的配位基，Ph₃P:更換為帶有光學活性的配位基，(CH₃)(C₃H₇)(Ph)P:。但是當時所使用的光學活性配位基，(CH₃)(C₃H₇)(Ph)P:的鏡像異構物純度（或稱鏡像超越值ee，enantiometric excess ）只有69% ee（也就是含量較多的鏡像異構物的量減去另一含量較少的鏡像異構物的量，再除以兩種鏡像異構物的總量之後乘上百分比）。因此經由此光學純度不高的銠金屬（Rh）觸媒分子催化之後，產物的鏡像選擇性只有15% ee（見下圖），而沒有實質上的應用價值。雖然如此，諾爾斯的研究結果仍就引發許多其他產、學界的化學家的研究興趣，而開啟了對掌光學活性分子觸媒在「不對稱性催化反應」上的研究風潮。

美國孟山都製藥公司就在諾爾斯所領導的研究小組持續的研發下，終於在1974年申請專利，使「Monsanto Process」成為第一個商業化製程，以光學活性銠金屬觸媒分子經不對稱氫化催化反應合成出可治療巴金森氏症的藥物，L-DOPA（見下圖）。直至如今，製藥產學界仍然受惠於諾爾斯當年持續努力的的研究成果。他的得獎絕非偶然，他的貢獻是值得尊敬的。

奈米材料的簡介

洪晉穎 

虎尾技術學院  中正大學化學系

科學日益昌明，尖端科技產品，已悄悄的進入我們的生活領域中。輕便短小，容易攜帶使用的微電子、家電、精密器械等用品，已是現代人追求的時髦商品。由於各種應用技術的研發和進步，對於材料的選用，將由微米(10^-6 米)逐漸進入奈米(10^-9 米)的時代。

奈米材料(Nanostructural Materials)或稱奈米級結構材料(Nanocrystalline Material)，其晶粒大小介於1~l00奈米(nanometer)的範圍之間。當物質尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學取代傳統力學之觀點來描述它的行為，當粉末粒子尺寸由10μm降至10nm時，其粒徑雖改變1000倍，但換算成體積改變時則將有10⁹倍，所以二者行為上將產生明顯之差異。當超微粉粒徑、薄膜厚度或孔隙直徑，從微米減小至奈米等級，這些材料之尺度已小於可見光的波長，加上其具有大表面積之特殊效應，因此所表現的材料特性，例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等，與該物質在整體晶體狀態時所表現之性質是截然不同的。由於奈米粒子的粒徑遠小於光的波長，因此將與入射光產生複雜之交互作用。加上因有極大之表面積，表面原子比例極高，而具有迥異於傳統材料之各種性質。奈米材料具有與一般固體晶體或非晶質材料結構不同之原子結構，因此奈米材料技術研究，會涵蓋物裡、化學、化工、電子及材料科學等各領域。

    奈米粒子異於大塊物質的理由在其表面積相對增大，也就是超微粒子其表面佈滿了階梯狀結構，此結構代表其具有高表面能之不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結，同時因粒徑縮小而提供了大表面積之活性原子。當粒徑愈小，表面能量愈高。因此超微粒子是作為觸媒之最佳材料，例如Pt超微粒子在化工觸媒方面之應用。由於具有上述結構特性，因此奈米材料在光電、磁性、催化領域中，都將有良好的應用。在新開發的材料中碳六十、碳管、半導體奈米晶體、中孔徑分子篩等，它們應用上的開發也是廣受注目。　

奈米材料的超微粒子結構，具有下列的特性:

1. 光學性質: 由於奈米微粒的粒徑小於一般可見光、紫外或紅外光波長，造成奈米粒子對光散射或反射光量大減，因此可作為透明或隱身材料。金屬在適當之蒸發沉積條件，可得易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑(Metal Black)，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強烈對比。奈米材料對光的吸收率大，可利用此特性，將其作為紅外線感測器的材料。或如二氧化鈦TiO₂超微粒子也常用於抗紫外線之化妝品用途上。

2. 催化性: 因為表層原子的強烈吸附作用，導致奈米觸媒微粒的反應性及選擇性大為增強，順利的催化化學反應。

3. 強磁性: 例如微小粒徑的Fe、Co、Ni等合金具有強烈的磁性，其磁記錄密度非常大，可作為資料儲存等記錄材料。

4. 感測作用: 由奈米微粒粒子所製成的感測器，由於表面活性體數目增加，造成訊號敏感度增強，另一方面由於粒徑極小導致孔隙度縮小，此導致訊號傳遞迅速且不受干擾，如此訊號與雜訊比也能有效改善。

5. 複合材料: 複合材料是由兩種以上材料結合而成，不僅具備材料個別的特性，所形成的複合材料，更是決定整體性能的關鍵因素。奈米複合材料，具有良好的硬度、耐壓力性、機械性與可變性等。

奈米材料和技術在聲、光、電、磁、熱等領域中，具有廣泛的應用前景。產品可應用於:電晶體(in-plane gate transistor)、記憶裝置(memory device)、Tera頻率裝置和系統(terahertz device and system)、電子束儀器(electron beam instrument)、光調器(optical modulation)、微光學元件(microoptical element)、埋入式柵狀奈米結構(buried grating nanostructure)、感測器(sensor)、感光劑(photographic emulsion)等。在此僅列出其中幾項應用，以供參考:

1. C₆₀和奈米碳管(nanotube)的應用: C₆₀的中空球體(球中球)構造，球內含金屬元素，可運送物質，攜帶藥物或放射核種。C₆₀衍生物可抗愛滋病。 nanotube：管內可加以充填，而當作nanowire製造或化學處理的模版(template)，管外可添加其它金屬元素，例金屬奈米管(metal nanotube)具超導性。 奈米陣列(nanoarray): 於Si基底上生長奈米管群組(nanotube cluster)，作場發射顯示器(field emission display)用。

2. 奈米秤(nano balance)的應用: 奈米秤以多壁奈米碳管multi wall nano carbon tube 製成，即由石墨原子片捲成。硬度比鋼鐵高百倍，超塑性應變可將其彎曲成幾近90度後仍可回復原狀，不會破斷。利用彈簧秤的原理，當電流通過奈米管時，管將會被彎曲，從其振動頻率可測出物體的重量。

3. 生物晶片的應用: 利用半導體晶片輕薄小巧但能容納大量資訊的特性，藉著顯微鏡的輔助，將數百甚至數萬個DNA或核酸探針，植入玻璃或矽晶片等載體，從事各種與新藥開發、個人識別、法醫檢定犯罪、臨床醫療診斷等有關的工作。

4. 能源材料的應用: 以奈米熱電材料直接將熱電互換，熱效率大於冷媒壓縮技術，可大幅提高效率。

5. 奈米金屬的應用: 合金和氫氣反應形成氫化物而貯存氫氣，加熱時氫合金分解而放出氫氣，將氫原子貯存在於奈米金屬晶格間隙中，不僅可貯存相當高的氫氣量，而且較粗顆粒更易控制。

如上所述，奈米結構材料由於粒徑小、區域之原子少而引發了一些特殊的性質。無論是從學術研究或工業應用的角色來看，均值得人們積極從事研發的工作。而國際間近十年來對奈米結構材料的重視與投入的經費亦已相當可觀，且有不少商業量產的成果出現。

奈米材料的應用，已有商業量產的成品。雖然尚未大量應用於工業上，但有關奈米結構的特殊性質，時時都有新的發現。國內外在學術研究領域中，諸如半導體、陶瓷、催化劑、磁性、光學、醫學、生物等的新性質研究，一直都在進展中。由於國內外有關奈米材料技術及產品的研發如此快速擴展，相信假以時日，將會有大幅度的進步，對整個產業經濟和結構的提昇，將有極大的助益。展望21世紀，諸多的科學和技術的發展，將根植於奈米技術及材料，也就是將材料應用設計推至原子級(Atomic Level)和奈米級(Nano Level)，預期奈米新材料和量子理論，可望突破目前大部分科技的極限。奈米材料和技術在聲、光、電、磁、熱等領域中，均具有重大的潛在應用前景，充滿無限商機。在我們邁入高科技腳步的同時，相信奈米材料將能扮演舉足輕重的地位，帶領我們進入科技的新旅程。

1. 陳登銘, Chemistry (THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI), 1998, 56, 195.
2. 魏碧玉; 賴明雄, 工業材料153期, 88年9月, 113-123。
3. 林景正; 賴宏仁, 工業材料153期, 88年9月, 95-101。
4. 牟中原;陳家俊,　網頁:奈米材料研究展望。
5. 網頁 http://www.mrl.itri.org.tw/research/fine-metals/nano_material.htm。