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理論化學與諾貝爾化學獎

諾貝爾化學獎得主多數是實驗學者,尤其是從事生物化學或化學生物領域研究的,而理論學者得獎較為不易。最早得獎的理論化學家是鮑林,他的貢獻在於研究共價鍵和氫分子的形成。
 
 
 
最早得獎的理論化學家是1954年的鮑林(Pauling),他的貢獻在於由量子力學研究共價鍵和氫分子的形成,由價鍵理論改善後的路易士構造是表示分子結構的經典方式。另外,因應分子光譜和磁性的解釋,分子軌域的思考概念因而形成,演進至目前化學相關領域學者所熟悉的分子軌域計算,穆立肯(Mulliken)(1966年)的成就,就是發展分子軌域理論,以分子軌域計算來了解分子之電子構造。

隨後霍夫曼(Hoffmann)及福井(Fukui)(1981年)更以分子軌域解釋化學反應,但是他們兩位並沒有合作過。反而是霍夫曼和實驗學者伍德沃(Woodward)(諾貝爾化學獎得獎者,1965年)曾合作過,這甜蜜的組合發展出以他們命名的法則:Woodward-Hoffmann rule。這法則在物理有機化學或有機反應與合成等教材中是不可缺少的,也是量子力學與實驗化學美滿結合的代表性例子。

隨後得獎的科恩(Kohn)和鮑伯(Pople)(1998年)則改進分子軌域計算,使其成為極有力的化學技術。科恩建立了泛函理論的計算,大幅度降低對電腦之要求,使分子軌域計算可以從事固態化學的研究。鮑伯則以發展原始分子軌域理論及計算之套裝軟體為突出貢獻。2013 年得獎者之一的卡普拉斯(Karplus)是鮑林的學生,其博士後研究指導老師是考爾森(Coulson),他雖然沒有得獎,卡普拉斯得獎是青出於藍的美談。早於1963年,卡普拉斯與鮑伯合作研究所提出的Karplus-Pople equation,把核磁共振光譜與分子軌域理論結合,是量子力學光譜學。

受考爾森指導博士研究的希格斯(Higgs)則因理論物理之研究,也於2013年得諾貝爾物理獎。指導出兩位2013年得諾貝爾獎的考爾森曾提出呼籲:有太多令人困惑的實驗數據需要人們深入解釋。本文就是對這呼籲的回應,希望青年學子不要排斥理論化學的研究,至少可以像稀土元素一樣,是很珍貴的。以下舉幾個理論化學研究的例子,供有興趣者參考。

螢火蟲與定位

螢火蟲在今日都市孩子的認知中可能是陌生的,這種昆蟲會放出螢光是一種大自然生物放光的現象,在海底也有許多類似能力的動植物。當今生物學家結合了生物與藥物科技,可以將螢火蟲體內放螢光的分子作為生物分析之試劑。把螢火蟲體內發出螢光的分子導入人體內,再透過儀器觀測體內放出的螢光的部位,就可以知道體內受病毒細菌感染的區域,例如定位腫瘤。

這些過程的化學行為包括了放光的機制等,進而提供實驗學者資訊,合成螢火蟲放光分子之衍生物,具有放光更強、更長效、更穩定、放出的螢光坐落在適當的放光能量區內等改良效果。理論化學家正利用不同的計算,尋求這些問題的解答,希望結果能有助於實驗家有效率地研發。目前已經有專利用適當的取代物在適當位置進行取代,可以達到改進的目的。至於什麼是適當的取代物及取代位置,那又是理論化學的工作了。

水往低處流

近年來,科學家發現一種可以消滅HIV - 1型愛滋病毒的藥物,藥物分子內含有雙硫鍵(具有軌域σss∕σ*ss)。實驗家發現不同取代基的衍生物具有不同的藥物活性,愈容易把電子從病毒細胞搶過來的衍生物,藥物活性會愈大也愈有效。這一結論是因為任何化合物都有親電子性,而親電子性是由理論化學家帕爾(Parr)由科恩的泛函理論計算得出的。

藥物分子裡的雙硫鍵有兩個特色,首先硫原子上的孤對電子對容易接近病毒細菌,這程度足以克服因立體效應而阻止藥物接近的因素。另外,含雙硫鍵的分子內,σ*ss(反鍵結軌域)具有出人意外的低能量,扮演著「最低能量的空軌域(LUMO)」的主角,可以引誘病毒分子的電子進入這藥物分子,因為電子會尋求低能量分子軌域,有如水往低處流一樣。這種對雙硫鍵鍵結特性的了解,也是生物化學或化學生物領域很重要的心得。

不具毒性的塑化劑

在塑化劑分子內,填有電子的最高能量軌域(HOMO)的能量較高,容易被游離而離開這類分子,學術術語稱為「易被氧化」。此外,這類分子的LUMO有特別低的能量,易於接受電子。因此,電子的移入或移出都很容易進行,或稱這類分子太活潑,在人體內接觸到蛋白質時,這一活性就是造成毒性的原因。

根據取代基特性和取代基位置的軌域理論解釋,科學家得到一個點子,就是「利用取代的化學技術,把HOMO能量降低,把LUMO能量提高,尤其是前者」,而有可能開發出不具毒性的塑化劑,至少把毒性指數降低。毒性指數是一種可以結合實驗和理論化學之數值。

是熊貓還是貓熊

理論化學家彼此常會吵架爭議,並在科學期刊上辯論。例如乙烷分子最低能量的立體構形,早已出現在教科書上並註明:這一構形排斥力最小,或簡單地用鍵結電子對σCH可把彼此間的互斥力降到最低來解釋。

21世紀初,理論化學家發現這最低能量的結構裡,以電子不定域化的超共軛效應最有利,這超共軛就是σCH鍵結電子對可以不定域化到另一個CH鍵的反鍵結空軌域σ*CH裡。這項計算的數據是經由「定域化的不定域化」觀念發展出的分子軌域計算方法,理論的本質是不定域化的,是基於電子機率的思維,填入的電子會依這機率分布在各個原子上及原子間呈現於視覺效果的分子軌域圖上。

因此這些理論大師疾呼,有機化學教材應加入這一項超共軛效應的解釋,這也引起「不定域化的定域化」觀念的計算方法(ab initio VB計算)研究者的興趣。VB計算是定域化本質,正如路易斯(Lewis)構造所表達的電子對安排。他們從得到的超共軛效應計算值,發現超共軛造成的「電子不定域化能量降低程度」不如前述的LUMO結果那麼高。不論如何,電子效應(電子不定域化的超共軛現象)和立體效應的結合,是這一構形目前的最佳解釋。這種乙烷分子最低能量的立體構形,在蛋白質結構裡非常重要。

前述的生物化學或化學生物領域,以及這裡的定域化的不定域化或不定域化的定域化觀念,似乎令人聯想到團團和圓圓是熊貓還是貓熊?又似乎可以聯想到電磁波的粒子觀,例如放射線比電磁波適合。湯姆森(Thomson)研究電子在磁場內運動的實驗,證明電子是粒子;他的兒子小湯姆森研究電子繞射實驗卻證明電子是波,這對父子分別得到諾貝爾物理獎,不但是美談,也說明了科學的角度是以實驗為真。

室溫離子液體

目前科技的發展使理論化學的研究者感覺到,有太多令人困惑的實驗數據充斥在廣泛的領域裡。卡普拉斯的博士後研究指導老師考爾森,曾疾呼需要釐清這些觀測到的現象。他呼應了師尊的呼籲並致力於生物相關的實驗,滿足了生物領域對於「為什麼」的強烈需求。

「室溫離子液體」的化學就是一個代表性的困惑。KPF6(K+和PF6)離子固體裡的K+離子,被一個簡稱為BMI+的陽離子取代後,在常溫常壓下就是液體。這項類似液體的研發題目擔當了「綠色化學」的重要任務,因為若化學合成可在這類液體中進行,則常用的具環境汙染的溶劑就可以淘汰掉,化學物引起燃燒的擔憂也可降低。

目前用分子動態或量子力學的計算研究,已發現的問題是:陰離子與陽離子間的氫鍵是否存在?氫鍵的存在是否緩衝了陰陽離子以庫倫力形成固體的因素?至少這是尋求低熔點的問題。分子動態的研究結果令物理或化學研究者產生一個新的問題,是否需要重新定義溶液這一以連續介質定義的物質狀態?

智慧型手機的螢幕

生物相關領域和醫學藥學的研究目標類似,都是要滿足人類「更健康活更久」的需求。在這需求下,人類希望有娛樂與舒適方便的生活,能健康地使用智慧型手機於良好的休閒及娛樂,正如用於觀看職業球賽一樣。如果發現手機的螢幕不夠好看,這就是材料化學研究者的工作了。

目前一項重要的指標是發展放光效率更強的藍光材料,這和前述螢火蟲的螢光議題一樣,方法就是把最有希望的材料分子加以修飾,微調到藍光範圍。目前研發的瓶頸是「取代基如何影響放光分子軌域的能階」,例如:會把軌域能量往下拉低的取代基,這些電負度(由鮑林所提出)高的取代基具有把軌域能量推高的效應。而把這些材料放到室溫融鹽(前述的離子液體)則兼顧了環保觀念,理論研究可提供實驗者適當的方向。

雌激素

固醇類荷爾蒙雌激素對人體許多組織的生長、發育和平衡有很大的影響,當雌激素和細胞內的雌激素受體結合時,就發生一連串的作用。了解雌激素受體和雌激素間的作用力,有助於設計與這雌激素結構類似的分子。當人體因先天發育不足或感染疾病而導致缺乏這雌激素,就可拿這分子做為替代品,讓它與雌激素受體結合,使身體機能恢復正常運作。

當一些疾病導致雌激素受體和雌激素的反應過量時,也可設計藥物分子來抑制,這種分子稱為拮抗劑。設計出的藥物要能和這雌激素在與雌激素受體的鍵結上競爭,且這分子和雌激素受體結合後並不會產生作用,以抑制雌激素和雌激素受體的反應,維持身體的正常狀態。

設計這兩類藥物並不容易,分子和雌激素受體間的作用力往往影響到後續反應時間的長短。做為作用劑時,若鍵結力太強,可能使反應作用時間太長,甚至分不開,導致超過身體可負荷的量;若鍵結力太弱,反應作用時間太短,或根本無法產生鍵結,致使產出的量不足。做為拮抗劑時,太強的作用力會使得事後無法分開,而一直卡在受體的藥物作用區域,使雌激素受體永遠失去作用;太弱的作用力則使它無法和雌激素競爭,而失去當拮抗劑的角色。

理論化學的基礎知識

以下是化學系大學普通化學的教材,也應該是前述諾貝爾化學獎得主的共同背景:

(A) 黑體輻射促成 E = hν 的假設,是浦朗克(Planck)導出黑體輻射定律的依據。這假設(或寫成 E = n × hν)把光的能量視為具有基本的能量單位,這連他本人都不願相信,因為在那個時代,認為能量是連續的。

(B) 光電效應使愛因斯坦把 hν 這能量包裹正式稱為光子,電磁波具有粒子性。

(C) 粒子(例如電子)是否具有波動性?這裡促成 λ=h∕p 的de Broglie物質波方程式,左邊的波長 λ 是波學領域,右邊的p是動量(p=mv),屬於力學領域,後者是具有質量並可以定位置的力學,前者則相反。這裡附註德布羅意(de Broglie)是受了浦朗克的 E =hν= hc∕λ 和愛因斯坦的 E =mc2 影響,從這兩公式可以導出 λ=h∕mc,浦朗克本人就提出光的動量可以用 p=h∕λ  表示。

(D) 受了德布羅意的物質二元論影響,薛丁格提出著名的薛丁格方程式,這是一條尋求物質波的波函數的數學方程式。

(E) 量子力學是基於薛丁格方程式出發的力學,正如牛頓定律在牛頓力學扮演的角色一樣。其功勞則是尋求電子狀態的波函數,這些狀態的能量形成的能階圖,讓我們可以與光譜連結。

(F) 把空間中一點的位置(x , y , z)代入這波函數,得到的函數值的平方實數化(平方值),稱為在這點發現電子的機率。

(G) 把空間的機率值用密度方程式繪出的圖稱為軌域圖,軌域是數學值的視覺化。可供類比的是氫分子裡連接兩個氫原子的那條線,用以視覺化氫分子形成後,能量下降趨於穩定之觀念。

(H) 把電子依照相關的法則放在軌域上,稱為電子組態,因此電子組態是原子內的電子構造。

(I) 把原子價層組態發展出分子形成的學問,稱為價鍵理論,就是鮑林的思維,用於解釋分子的形成。

(J) 由於分子有電子光譜,類似於高中教材的氫原子光譜與軌域能階,分子軌域的觀念就因應光譜而產生。

對這些基本知識不陌生的高中學生,請不妨響應卡爾森的呼應。在一部娛樂性電影裡,有一個問題是「人類最常說的三個字是什麼」?編劇的答案是「不知道」。為什麼會有這樣的答案?因為這只是一種娛樂性的回答。其實「不知道」也可以是答案,在科學界這一答案應該更為真實。

美國NBA球星林書豪在球隊引起的化學作用是無私的團隊效應,連美國轉播的解說員都會引用「chemistry」這個詞彙。因此若你願意滿足你的求知欲望,歡迎進入理論化學的研究團隊。
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