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化学家用新黄金催化剂生产独特有机化学分子
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 图注：这是一个基于X光晶体学数据的金-三磷化氢混合物的模型。在黄金内部，金原子会参与有机反应，即释放或吸收电子，但磷化氢分子周围的这种精确结构将决定最后的产物和决定是否它是向左旋转或向右旋转的。图中粉色的原子是磷，黑色的原子是碳，绿色的原子是氯。 据每日科学网站2007年3月24日报道，大多数的人只会关注黄金的耀眼和珍贵，而化学家则发现黄金的化学特性非常有趣，他们用黄金制造出了一种独特的催化剂。这种催化剂可用于生产不同寻常的有机分子。黄金催化剂研究领域的领头人，美国伯克利学院的迪安.托斯特将黄金的这种特性归因于其内部金原子的相对作用，这种作用使得金子显现出黄色的光泽。这位化学家还认为，由于它们的电子很重，因而事实上黄金催化剂是“热的”。托斯特通过将爱因斯坦的相对论应用于这种稀有的贵重金属上，发现了新的和独特的黄金催化化学反应的母脉。加速化学反应的催化剂是金属材料。例如，当将铂放入汽车的催化转化器当中时，它就会立刻将污染的发动机排气转化为氧气、氮气、二氧化碳和水。 迪安.托斯特是美国伯克利学院化学系的一名副教授，他同时也是首次将黄金作为实验催化剂的化学家之一。他的创举为其他对黄金的多功能性感兴趣，并致力于使化学和医药工业化学品更加有效和含有更少的有毒前体的科学家们提供了机会。托斯特称：“这是一个真正热门的研究领域。如果你留意美国化学学会杂志所刊载的文章的话，你就会发现这些文章大多数都是有关黄金催化剂的。”他进一步补充称：“通过此类黄金催化剂，你可以发展出许多前所未有的化学反应。” 在《自然》杂志今日（3月22日）刊载的一篇回顾性文章里，托斯特就这种新的研究领域进行了讨论，他还就黄金为什么具有如此非同寻常的和实用的催化特性提出了一种新的理论。迄今为此，这种假设已经成功地预测了黄金催化剂在新的化学反应中的表现。该假设的核心是艾伯特·爱因斯坦102年前提出的狭义相对论，而狭义相对论通常被认为仅仅适用于宇宙哲学问题。后来，大约在70年前，伯克利分校的化学家肯尼思·皮彻尔表明该理论同样适用于化学领域。其它研究人员利用所谓的相对论量子力学来解释黄金色彩为什么是黄色的以及水银为什么是液体而不是固体。 托斯特现在使这种解释又向前迈进一步，赋予狭义相对性制造黄金的荣誉，也许与之有关的和被广泛运用的催化剂白金，可以在催化反应中充当电子“接收者”或“捐赠者”的角色。典型的金属催化剂只能担当其中一种角色，不能同时担当两种角色。相对论的关键原则之一是：没有任何东西的传播速度快于光速。其中的原因是：物体的速度越快，它就会变得越重，当物体的速度接近光速里，它的质量将接近无尽大。 在原子中，电子象蜜蜂一样围绕着原子核赛跑，在原子核装满大量带正电的质子之前，电子的速度始终无法达到光速，带负电的电子不得不以更快的速度移动以避免被拉入带大量正电的原子核内。这种情况会在元素周期表的过渡金属中发生，即从钽和钨到铂和黄金的过渡金属。在一个黄金原子中，原子核里有79个质子，有79个电子围绕着原子核旋转，其速度约为光速的一半。这种速度所带来的净效应是：提高了黄金电子的质量并拉近了电子与原子核的距离，从而降低了能量级别并使原子更加紧凑。按照这种假设，黄金的S外壳，即黄金最低能量的球形对称电子外壳被缩小了。这保护了更外部的不对称P和D轨道中的电子，使它们免受核电荷的影响，并允许它们轻微地扩展。在黄金中，最外面的（6s）电子外壳的收缩和内部的（5P）电子外壳的扩展使两者之间的能量差减少到与蓝光光子相等的层度。这允许黄金吸收蓝光并因此呈现黄色的色泽。白银所表现出的显著相对论效应比黄金要小的多，因此白银不能吸收可见光而是完全反光的。托斯特指出，这种相同的屏蔽效应使更加紧密的S电子外壳可以轻松地接受来自其它分子的电子，而被部分屏蔽的d电子外壳可以轻松地向化学反应捐献电子。 这样，黄金就能够同时以“捐赠者”和“接受者”的身份参与化学反应，这使得黄金在所有有机分子的基础化学反应，即碳－碳结合的催化反应中特别有用。据托斯特称，一个黄金原子能够以单独结合或双重结合的方式松散地依附在碳原子上，从而使化学反应能够灵活地产生新的有机分子。利用这种原理，托斯特精确地预测了不同有机反应的产物。比如，一个依附于三磷化氢并均匀地散布于液体中的黄金原子可以有效地将炔转化为人们在许多药物中发现的环形结构——吡咯。黄金－三磷化氢催化作用可以创造不同寻常的碳三角形，即被运用于工业有机合成的环丙烷。托斯特说： “我们可以在无需使用爆炸性重氮化合物的情况下制造出环丙烷。” 托斯特预测，通过利用一种特殊的旋向性，也就是说，一种向左旋的分子，而不是向右旋的分子或镜像，黄金催化剂在生产化学制品中是非常有用的。这种立体选择性反应正变得越来越重要，因为许多药品以右旋和左旋的方式形成，但只有一种形式在人体中有效。最有效的合成将仅产生有效的形式，而不是无效的镜像。托斯特正在调整依附于黄金的三氢化磷以影响这种立体选择性。“黄金催化剂的未来将涉及很多理论工作，而我们需要更好地理解它是如何起作用的，”托斯特说，“但是其中某些化学反应已经被一些医学化学家所利用，它已经成为一个令人激动的研究领域。”托斯特的合著者包括伯克利分校的研究生大伟·J·古林。 这项研究由美国国家卫生研究院下属的通用医疗科学国家研究所、默尔克研究实验室、百时美施贵宝公司、杜邦公司、葛兰素史克公司、伊莱利利公司、辉瑞制药、阿斯利康公司、Abbott、德国勃林格殷格翰集团、诺华公司和瑞士罗氏制约提供资助。托斯特是伯克利分校副化学教授。 |
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