最偉大的天然有機化學家 ——Robert Burns Woodward
最偉大的天然有機化學家 ——Robert Burns Woodward
1917年4月10日Woodward生于美國馬薩諸塞州波士頓，從小就對化學抱有濃厚的興趣，據說他在12歲時就完成了《有機化學的實用方法》(LudwigGattermann’s Practical Methodsof Organic Chemistry)一書中所有的實驗。小編在這里整理了Robert Burns Woodward相關資料，希望能幫助到您。
最偉大的天然有機化學家 ——Robert Burns Woodward
1 Woodward生平簡介
1917年4月10日Woodward生于美國馬薩諸塞州波士頓，從小就對化學抱有濃厚的興趣，據說他在12歲時就完成了《有機化學的實用方法》(LudwigGattermann’s Practical Methodsof Organic Chemistry)一書中所有的實驗。1933年Woodward就讀于麻省理工學院(MassachusettsInstitute of Technology，MIT)，入學一年后，由于只專注于化學課程的學習，Woodward其他課程的成績并不理想，因此一度面臨退學。此時曾主持Woodward面試的JamesFlack Norris教授(1871—1940，認為他是個難得的化學天才，幫助其留在MIT完成了學業(yè)，并于1936年取得了學士學位。取得學士學位一年后的1937年，年僅20歲的Woodward又獲得了博士學位，畢業(yè)論文是《麥角酸的研究》(Studieson lysergic acid)，導師是James Flack Norris教授與AveryAdrian Morton教授(1892—1987，在這期間Woodward還完成了雌激素酮(estrone，1，圖3)的合成[1]。畢業(yè)后的Woodward于1937在伊利諾伊大學(University of Illinois)擔任了一段時間博士研究員(instructorship)，同年夏天回到哈佛大學任Elmer Peter Kohler教授(1865—1938)的研究助理，一年后成為哈佛研究員協會(Harvard Societyof Fellows)初級會員。1941年1月Woodward成為哈佛大學化學系講師，于1944年晉升為助理教授;1946年，29歲的Woodward升為副教授，并被聘為終身教授(tenured professor)，1950年升為正教授，終生在哈佛任教。Woodward從博士畢業(yè)到成為教授僅僅用了13年時間，這一晉升速度在美國學界并不多見。1963年Woodward兼任瑞士巴塞爾大學(University of Basel)伍德沃德研究所(The Woodward ResearchInstitute)所長[2]。1934年Woodward發(fā)表第一篇研究論文[3]，1979年去世時已發(fā)表論文196篇，1993年他的最后一篇署名論文發(fā)表[4]，至此總共發(fā)表論文數量達200篇。Woodward教授一生培養(yǎng)了400名博士生和博士后，在有機化學理論、紫外、紅外光譜和旋光譜研究、生物合成、天然產物結構研究、天然產物全合成等多個領域都取得了舉世矚目的成就。
2 紫外、紅外光譜和旋光譜研究
在20世紀40年代以前，現代波譜和質譜技術以及核磁共振能技術尚未發(fā)展起來，天然產物的結構鑒定還是件相當困難的事情，不僅工作量大，而且費時，既需要無比的耐心與細致，更離不開深厚的化學功底，即便如此，錯誤仍然難以避免。例如，1927年諾貝爾獎獲得者HeinrichOtto Wieland(1877—1957)在發(fā)表獲諾貝爾獎演講時所給出的膽固醇(cholesterol)甾體母核結構也存在錯誤，至1929、1932年才被Otto Paul Hermann Diels(1876—1954)的脫氫反應和X光衍射更正[5-6而Woodward的首個重要貢獻就是將各種光譜手段引入天然產物結構研究，這也是他進行化合物結構鑒定的一大特色[7]。
1940—1942年，Woodward先后發(fā)表多篇論文詳細地描述了紫外光譜(ultraviolet spectroscopy，UV)和分子結構之間的關系，證實了研究有機化合物的結構時利用物理方法比化學方法更為有效，并由此于1945年引出了眾所周知的“伍德沃德規(guī)則(Woodward rules)”，即著名的“酮規(guī)則(ketone rules)”，用來計算含有共軛雙烯衍生物的發(fā)色基團(chromophores)紫外光圖譜的最大吸收波長(absorption maximum，λmax)。利用這個規(guī)則，可以預算烷基或羰基取代的共軛二烯或三烯等的紫外吸收峰與化合物的關系，所得的結果與實驗數據非常吻合，其準確度一般可達2～3nm誤差之內[8-11]。同一時期，在哈佛大學的資深教授Louis Frederick Fieser(1899—1977)，曾因合成維生素K而成為1941年和1942年諾貝爾獎競爭者，也是著名天然藥物化學家中西香爾教授(1925—)的導師。1959年Fieser教授用新的實驗數據修正了伍德沃德的規(guī)則，形成了適合多烯化合物的Woodward-Fieser rules[12]。Woodward曾用該方法將3-acetoxy-6-keto-7-hydroxy-Δ4-chloestene(2，圖5)的結構修正為3-acetoxy-Δ5-(6)-norcholestene-7-carboxylicinstead[13]
進入1950年，Woodward又意識到紅外光譜的重要意義，并在紅外光譜(infrared pectroscopy，IR)鑒定有機物結構方面做出了重要的奠基工作。在合成利血平時，他測試了30余張紅外光譜用以監(jiān)測反應進程，并首次將混合物進行紅外光譜分析，糾正了當時許多化學家把紅外光譜僅用于測定純有機物的習慣，Woodward認為這不僅會限制紅外光譜的使用范圍，也會降低這一方法的檢測效果。他號召化學家應將其運用于反應進行時混合物的測定，這不但可以獲得產物的結構，還可以為反應的進行及機制研究提供重要的線索。Woodward這些開創(chuàng)性工作給波譜學應用帶來了一場革命，也為日后質譜和核磁共振技術應用于化合物結構研究起到了重要的推動作用[14]。
20世紀50年代，旋光分散法(optical rotatory dispersion，ORD)開始廣泛被應用于確定有機化合物的絕對構型(absolute configuration)。1952—1957年，美國州立韋恩大學(Wayne State University)從事甾體化合物研究的避孕藥之父Carl Djerassi(翟若適，1923—2015，圖6)教授收集了大量甾體化合物
的旋光數據。1958年Djerassi教授在哈佛一個講座中遇到Woodward，以及William E.Moffitt教授(1925—1958)與他的學生AlbertMoscowitz(1929—1996)，他們開始一起研究旋光分散法的理論，總結出了八區(qū)律規(guī)則(octantrule)，并于1961年發(fā)表[15-16]。八區(qū)律規(guī)則的一個經典實例是用于環(huán)酮(cyclic ketones)的結構預測[17]：將3-甲基環(huán)己酮(3R or 3S-methylcyclohexanone)置于坐標系統中，羰基周圍的空間被相互垂直的平面分為8個區(qū)域，其中羰基位于Z軸，與羰基相連的2個原子a、b處于YZ平面上(圖7-a)。周圍原子通過影響羰基(λmax=284 nm)π-p*躍遷(π-p* transition)，產生貢獻不同的Cotton效應(Cotton effect)[18]，根據分析各個區(qū)域中原子的Cotton效應貢獻，從而預測3-甲基環(huán)己酮的立體構型(圖7-b)[19]。
3 有機化合物結構研究
1945—1964年，Woodward利用多種光譜方法完成了10余個化合物(圖8)的結構鑒定，包括青霉素(penicillin，1945，4)[20]、馬錢子堿(strychnine，士的寧，1947，5)[21-24]、棒曲霉素(patulin，展青霉素，1948，6)[25]、山道年酸[26](santonic acid，1948，7)、二茂鐵(ferrocene，1952，8)、土霉素(terramycin，合霉素、地霉素，1952，9)[27]、cevine(1954，10，與Barton共同完成)、碳霉素(carbomycin，magnamycin，卡波霉素，1957，11)[28]、膠毒素(gliotoxin，1958，12)、玫瑰樹堿(ellipticine，1959，13)、蠟梅堿(calycanthine，1960，14)、竹桃霉素(oleandomycin，1960，15)、鏈黑菌素(streptonigrin，1963，16)與河豚毒素[29](tetrodotoxin，1964，17)。
在這些天然產物中，對于青霉素[20]、馬錢子堿[21]的結構鑒定結果還引發(fā)了Woodward與另一位化學大師——1947年諾貝爾獎獲得者RobertRobinson教授(1886—1975，圖9)間的學術爭論。二戰(zhàn)時期英美兩國合作共同研究青霉素，Robinson關于青霉素的結構提出了噻唑啉-噁唑環(huán)結構(thiazolidine-oxazolone，19)假設，而Woodward則支持四元內酰胺結構(β-lactam，18)假設(圖10)。后來牛津大學的女科學家Dorothy Hodgkin(1910—1994，圖9)于1945年通過X光衍射確定了青霉素的結構，證明Woodward等提出四元環(huán)不飽和內酰胺結構設想是正確的[20]。
馬錢子堿又名番木鱉堿，是1818年Pierre Joseph Pelletier和Joseph Bienaimé Caventou從熱帶植物番木鱉種子中分離得到的劇毒生物堿。1838年，Victor Regnaut定出其分子式是C21H22N2O2。馬錢子堿的結構被Robinson稱為結構鑒定的珠穆朗瑪峰[30]，這也是他畢生研究的課題，Robinson教授一生共發(fā)表54篇關于馬錢子堿化學結構的論文。1910—1932年Robinson和他的導師William Henry Perkin(1838—1907)發(fā)表了一系列文章，證明馬錢子堿是一個吲哚衍生物;1932年Robinson又與德國化學家FriedrichHermann Leuchs(1879—1945)證明了環(huán)-III和環(huán)-IV;1945年VladimirPrelog(1906—1998)證明環(huán)-VI是一個六元環(huán);1947年Woodward證明環(huán)-V是一個五元環(huán)，而不是Robinson所提出的結構(圖11)[21-24]。1954年Woodward合成了馬錢子堿[31-32]。
20世紀中期，土霉素的結構鑒定是學術界的一大難題。Woodward的同事、1969年諾貝爾獎獲得者Derek Harold Richard Barton(1918—1998)曾評論道：“最天才的結構分析當屬解決土霉素的結構問題，這個問題工業(yè)價值很大，引得眾多杰出的化學家們紛紛投入這項工作中來。在研究過程中，許多實驗雖然在操作上沒有出現問題，但是卻得不到正確的結果，這使得研究數據過于繁多，容易引起誤導。據說Woodward在聽取報告后，拿出一大張卡片將全部研究數據寫在上面，靜思良久后，便推導得出了土霉素的正確結構。這在當時是無人能及的?！蓖ㄟ^這一實例，Woodward展現了深厚的化學理論功底、高超的思維能力與敏銳的科研直覺。
1951年，杜肯大學(Duquesne University)的Peter Ludwig Pauson(1925—2013)和他的學生TomKealy發(fā)現了1個金屬有機化合物(圖12)，并將成果發(fā)表在Nature雜志上[33]。1952年Woodward和在哈佛工作的英國化學家Geoffrey Wilkinson(1921—1996，圖12)讀到了這篇文章，并認為其中關于結構的分析結果不正確。Woodward與Wilkinson一道提出了二茂鐵(圖12)新穎的四方反棱柱(antiprismatic)結構[34]。二茂鐵分子由有機分子和鐵原子構成。二茂鐵也引發(fā)了金屬有機化學的研究熱潮，這個事件被當作是金屬有機化學的開端。Wilkinson也因為此項工作所取得的成績而榮獲1973年的諾貝爾化學獎。
4 天然產物全合成研究
20世紀40年代前，有機化學發(fā)展的主流還是天然產物的結構鑒定，天然產物的全合成還是一件非常讓人望而生畏的工作，是Woodward開創(chuàng)了天然產物的全合成的先河。從現在的角度來看，他的一些合成工作似乎并不困難如奎寧，但是在20世紀40～60年代不對稱合成尚未興起，那時在合成過程中構建一個手性中心是很困難的。Woodward憑借構建剛性骨架，迫使分子采取一定的構型，以此來構建手性中心，先后合成了奎寧(quinine，1944，20)、可的松(cortisone，1951，21)、膽固醇(cholesterol，1951，22)、馬錢子堿(strychnine，1954，5)[32-33]、秋水仙堿(colchicine，1953，23)[35]、麥角酸(lysergic acid，1956，24)[36]、利血平(reserpine，1956，25)、前列腺素(prostaglandinF2a，1973，26)[37]、紅霉素(erythromycin，1981，27)、頭孢菌素(cephalosporin，1966，28)[38]、維生素B12(vitamin B12，1973，29)等化合物。他將有機合成的技巧提高到一個前所未有的水平，因此被尊稱為現代有機合成之父[39]。本文僅在Woodward全合成的眾多天然產物(圖13)中選取幾個經典案例進行簡要介紹。
失分最嚴重的實驗簡答題
1. 實驗前應如何檢查該裝置的氣密性?(以試管為例)
答：(1)微熱法：塞緊橡皮塞，將導管末端伸入盛水的燒杯中，用手捂熱(或用酒精燈微熱)試管，燒杯中有氣泡產生，冷卻后，導管末端回升一段水柱，說明氣密性良好。
(2)液差法：塞緊橡皮塞，用止水夾夾住導氣管的橡皮管部分，從長頸漏斗中向試管中注水，使長頸漏斗中液面高于試管中液面，過一段時間，兩液面差不變，說明氣密性良好。
(若為分液漏斗，塞緊橡皮塞，用止水夾夾住導氣管的橡皮管部分，向分液漏斗中加入一定量的水，打開活塞，若分液漏斗中液體滴下的速率逐漸減慢至不再滴下，說明氣密性良好。)
2. 在進行沉淀反應的實驗時，如何認定沉淀已經完全?
答：在上層清液中(或取少量上層清液置于小試管中)，滴加沉淀劑，若不再產生沉淀，說明沉淀完全。如粗鹽提純實驗中判斷BaCl2已過量的方法是：在上層清液中再繼續(xù)滴加BaCl2溶液，若溶液未變渾濁，則表明BaCl2已過量。
3. 化學實驗中，過濾后如何洗滌沉淀?怎樣檢驗沉淀是否洗滌干凈?(以BaCl2沉淀Na2SO4為例)
答：向過濾器中注入蒸餾水，使水面沒過沉淀物，待水濾出后，再加水洗滌，重復操作2-3次。
取少量最后一次洗滌洗液，滴加AgNO3溶液，若無沉淀產生，說明已洗滌干凈。
4. (1)用圖1(圖一)裝置進行噴泉實驗，上部燒瓶已充滿干燥氨氣，引發(fā)水上噴的操作是___________。該噴泉的原理是________________。
(2)如果只提供如圖2的裝置，請說明引發(fā)噴泉的方法。________。
答：
(1)打開止水夾，擠出膠頭滴管中的水。氨氣極易溶解于水，致使燒瓶內壓強迅速減小。
(2)打開止水夾，用手(或熱毛巾等)將燒瓶捂熱，氨氣受熱膨脹，趕出玻璃導管內的空氣，氨氣與水接觸，即發(fā)生噴泉。
5. 引發(fā)鋁熱反應的操作是什么?
答：加少量KClO3，插上鎂條并將其點燃。
6. 常用的試紙有哪些?應如何使用?
答：(1)試紙種類：① 石蕊試紙(紅、藍色)：定性檢驗溶液的酸堿性;② pH試紙：定量(粗測)檢驗溶液的酸、堿性的強弱;③ 品紅試紙：檢驗SO2等有漂白性的物質;④ 淀粉KI試紙：檢驗Cl2等有強氧化性的物質;⑤ 醋酸鉛試紙：檢驗H2S氣體或其溶液。
(2)使用方法：① 檢驗液體：取一小塊試紙放在表面皿或玻璃片上，用蘸有待測液的玻璃棒(或膠頭滴管)點在試紙中部，觀察試紙顏色變化。② 檢驗氣體：一般先用蒸餾水把試紙潤濕，粘在玻璃棒的一端，并使其接近試管口，觀察顏色變化。
(3)注意事項：① 試紙不可伸人溶液中也不能與管口接觸。② 測溶液pH時，pH 試紙不能先潤濕，因為這相當于將原來溶液稀釋了。
7. 燒杯中使用倒置漏斗可防止液體倒吸原理是什么?
答：當氣體被吸收時，液體上升到漏斗中，由于漏斗的容積較大，導致燒杯中液面下降，使漏斗口脫離液面，漏斗中的液體又流回燒杯內，從而防止了倒吸。
8. 只用一種試劑如何鑒別 AgNO3、KSCN、稀H2SO4、NaOH四種溶液?
答：四種溶液各取少量，分別滴加FeCl3溶液，其中有白色沉淀生成的原溶液是AgNO3溶液，溶液變?yōu)檠t色的原溶液是KSCN，有紅褐色沉淀生成的原溶液是NaOH溶液，無明顯變化的是稀H2SO4。
9. 在如右圖(圖二)所示裝置中，用NaOH溶液、鐵屑、稀硫酸等試劑制備Fe(OH)2。
(1)在試管里Ⅰ加入的試劑是 。
(2)在試管里Ⅱ加入的試劑是 。
(3)為了制得白色Fe(OH)2沉淀,在試管Ⅰ和Ⅱ中加入試劑,打開止水夾,塞緊塞子后的實驗步驟是 。
(4)這樣生成的Fe(OH)2沉淀能較長時間保持白色，其理由是：。
答：(1)稀硫酸和鐵屑(2)NaOH溶液(3)檢驗試管Ⅱ出口處排出的氫氣的純度，當排出的氫氣純凈時，再夾緊止水夾(4)試管Ⅰ中反應生成的H2充滿了試管Ⅰ和試管Ⅱ，且外界空氣不容易進入。
10. 現在一個分液漏斗中，有水和苯的混合物，靜置后，液體明顯分為二層。請在滴管、試管、水、苯中選擇器材和藥品，用實驗說明哪一層是水，哪一層是苯。
答：將分液漏斗中下層液體放入試管中少量，然后用滴管加入少量水(或苯)，若試管內液體分層，則分液漏斗下層液體為苯(或水)，若試管內液體不分層，則分液漏斗下層液體為水(或苯)。
11. 如何檢查容量瓶是否漏液?
答：往瓶內加入一定量水，塞好瓶塞。用食指摁住瓶塞，另一只手托住瓶底，把瓶倒立過來，觀察瓶塞周圍是否有水漏出。如果不漏水，將瓶正立并將瓶塞旋轉180°后塞緊，仍把瓶倒立過來，再檢查是否漏水。
12. 在中和滴定實驗操作的要點是什么?如何判斷滴定終點?(以標準氫氧化鈉溶液滴定未知濃度的鹽酸為例，酚酞作指示劑)
答：左手控制活塞(玻璃珠)，右手搖動錐形瓶，眼睛注視錐形瓶內溶液顏色的變化，當滴入最后氫氧化鈉溶液，溶液由無色變?yōu)闇\紅色，且半分鐘內不恢復。
13. 滴有酚酞的氫氧化鈉通入SO2后溶液褪色，試通過實驗證明。
答：向褪色后的溶液中再滴過量的氫氧化鈉溶液，若溶液還能變紅，說明是SO2酸性所致，若溶液不再變紅，說明是SO2的漂白性所致。
14. 焰色反應應如何操作?
答：將鉑絲用鹽酸洗過后放到無色火焰上灼燒至無色，再用鉑絲蘸取樣品，放到火焰上灼燒，觀察火焰的顏色，(若是鉀元素，則必須透過藍色鈷玻璃片觀察)。
15. 如何進行結晶蒸發(fā)操作?
答：將溶液轉移到蒸發(fā)皿中加熱，并用玻璃棒攪拌，待有大量晶體出現時停止加熱，利用余熱蒸干剩余水分。
16. 下列實驗設計和結論相符的是()
A. 將碘水倒入分液漏斗，加適量乙醇，振蕩后靜置，可將碘萃取到乙醇中
B. 某氣體能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍，該氣體水溶液一定顯堿性
C. 某無色溶液中加Ba(NO3)2溶液，再加入稀鹽酸，沉淀不溶解，則原溶液中一定有SO42-
D. 在含FeCl2雜質的FeCl3溶液中通足量Cl2后，充分加熱，除去過量的Cl2，即可得到較純凈的FeCl3溶液
答案：B
17. 下列有關實驗的敘述，不正確的是___。
A. 用滲析法分離淀粉中混有的NaCl雜質
B. 配制銀氨溶液時，將稀氨水慢慢滴加到硝酸銀溶液中，產生沉淀后繼續(xù)滴加到沉淀剛好溶解為止
C. 配制100g10%的硫酸銅溶液時，稱取10g硫酸銅晶體溶解于90g水中
D. 鑒別溴乙烷：先加NaOH溶液，微熱，冷卻后再加AgNO3溶液
E. 將一定量CuSO4和NaOH溶液混合后加入甲醛溶液，加熱至沸騰，產生黑色沉淀，原因可能是NaOH量太少
F. 進行中和熱測定實驗時，需測出反應前鹽酸與NaOH溶液的各自溫度及反應后溶液的最高溫度
G. 用膠頭滴管向試管滴液體時，滴管尖端與試管內壁一般不應接觸
H. 配制FeCl3溶液時，向溶液中加入少量Fe和稀硫酸
I. 滴定用的錐形瓶和滴定管都要用所盛溶液潤洗
J. 分液時，分液漏斗中下層液體從下口流出，上層液體從上口倒
K. 配制硫酸溶液時，可先在量筒內加入一定體積的水，再在攪拌下慢慢加入濃硫酸
答案：C D H I K
18.亞鐵是血紅蛋白的重要組成成分，起著向人體組織傳送O2的作用，人如果缺鐵就可能出現缺鐵性貧血，但是攝入過量的鐵也有害。下面是一種補鐵藥品說明書中的部分內容：該藥品為無水堿式鹽，含Fe2+ 34%～36% ，是薄衣片，……，與VC(維生素C)同服可增加本品吸收。
某同學設計實驗對其中的鐵成分進行了驗證。請一起完成該實驗：
第一步：查閱資料得知，雙氧水可以氧化SCN- 生成N2、CO2和SO42-，也可以將Fe2+氧化成Fe3+。
第二步：向去掉糖衣、研磨好的藥品中加稀鹽酸，出現淡綠色渾濁液，說明有 離子存在(填離子符號);
第三步：往上述溶液中滴入幾滴KSCN溶液，出現淺紅色，說明溶液中有少量Fe3+離子存在。該離子存在的原因可能是(填序號)：
?、偎幤分械蔫F本來就是以三價鐵的形式存在;
②在制藥過程中生成少量三價鐵;
?、郾緦嶒炦^程中有少量三價鐵生成。
第四步：將第三步所得溶液分成2份，分別裝在A、B兩個試管中。
第五步：向A試管的溶液中加入少量稀硫酸，再慢慢滴入過量的H2O2溶液，溶液的紅色先變深，之后紅色逐漸褪去。紅色變深的原因是(用離子方程式表示)：__;溶液紅色又褪去的原因可能是： ;請自選中學實驗室中常用儀器、藥品，設計實驗證明你的推測： ;
第六步：向B試管的溶液中加入一片VC片，片刻后溶液紅色也褪去，說明VC有 性;怎樣理解藥品說明中所述“與VC同服可增加本品吸收”這句話?。
答案：第二步：Fe2+ ; 第三步：②③第五步：2Fe2++H2O2+2H+ 2Fe3++2H2O
Fe3++3SCN- Fe(SCN)3(血紅色)H2O2氧化SCN-，使平衡Fe3++3SCN- Fe(SCN)3左移，紅色消失取一支試管，加入少量FeCl3溶液和幾滴KSCN溶液，溶液變?yōu)榧t色，再加入適量H2O2振蕩，產生氣泡，紅色褪去，說明是H2O2氧化了溶液的SCN-離子使溶液褪色.
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