“催化”挥“魔杖” “肥皂”变“黄金”

信息来源:科创中国更新时间:2021-12-14

    中世纪的欧洲,有一群痴迷于“炼金术”的人,他们梦想着能够“点石成金”,不过这一梦想最终还是破灭了。然而,现代化学家们却完成了另一项“化腐朽为神奇”的研究。

    近日,美国斯克里普斯研究所教授余金权在《科学》发表论文,报道了一种将钯催化脂肪酸一步转化为α,β—不饱和羧酸或丁烯内酯类化合物的新方法,实现了把常见、廉价的“肥皂水”转化为复杂、高值化学品的梦想。

    “这些反应将成为制造复杂分子的通用工具,由于它们使用简单的氧分子来驱动催化循环,因此有可能使化学产品更便宜、更容易开发,并应用于大规模制造。特别是在制药行业,目前已经开始使用新反应发现新药。”余金权说。

    中国科学院上海有机化学研究所研究员刘国生评价道,该研究堪称从简单有机分子到复杂功能分子高效构建的典范,不仅是学术上从0到1的突破,在合成上也具有非常重要的价值。

    有机化学界的“圣杯”

    这项研究的本质是碳氢键(C-H键)活化。刘国生告诉《中国科学报》,C-H键在有机分子中广泛存在,实现C-H键的选择性官能团化,在基础化工原料向精细化学品的高效转化、基于有机分子后期修饰的新药创制和新材料开发等领域,具有极大的应用潜力,深刻影响着物质转化过程。因此,该问题也成为化学家们寤寐求之的研究目标。

    有机分子中的不少C-H键具有高度相似的化学环境,如何区分这些相近的C-H键以实现选择性活化及转化是该领域的难点问题,也是有机化学的“圣杯”。

    研究C-H键选择性活化有多种途径,其中基于导向基团的C-H键活化策略研究相对较多。刘国生解释说,这相当于在分子上有一块“磁铁”,把催化剂吸到特定的C-H键附近,自然就容易实现C-H键的选择性活化。

    为了实现C-H键的选择性活化,以往的研究往往需要在有机分子中预装特定的导向基团,就像预先安装好“磁铁”一样,这在合成应用上会带来不便。

    据了解,余金权长期从事导向C-H键活化反应研究,致力于使用有机分子中天然存在的羧酸等官能团作为导向基,探索C-H键的选择性活化及转化反应。

    “这是非常有挑战性的,就像大家常用强磁力的磁铁吸引金属,而要用弱磁力的磁铁就很不容易。该研究中的羧酸就是这种弱属性的导向基团。”刘国生说,化学家的智慧是无穷无尽的,通过合理的配体设计和金属催化剂选择,余金权课题组先后发展了6代双功能配体,实现了一系列非常重要的C-H键选择性转化新反应。

    “有关C-H键的官能团化反应研究比较广泛,化学家们提出了多种策略,但实现C-H键的高选择性官能团化极具挑战性。”对于其他C-H键选择性官能团化的策略,刘国生举例说,除了上述基于导向基团的金属催化策略外,卡宾插入策略也是解决该问题的有效途径,美国埃默里大学的研究人员就在该领域取得重大进展;而他的课题组则是发展了金属调控自由基策略,同样实现了C-H键的精准转化。

    从“肥皂”下手

    脂肪羧酸是常见的大宗化学品之一,人们每天用的肥皂就是脂肪酸盐。用这样廉价的原料制备高附加值的化学品具有很高的经济价值。

    通常,使用羧酸作为导向基,实现C-H键的选择性脱氢反应是非常重要的有机反应,但困难也显而易见。刘国生解释说,这些困难在于羧酸的弱配位能力,使脂肪羧酸导向的C-H键选择性活化具有极大的挑战性,这就对催化剂设计提出了极高的要求。

    此外,脂肪羧酸导向的C-H键选择性活化还有另一个挑战,即如何实现脱氢反应生成不饱和双键。由于该过程很难通过烯醇互变的途径来进行,导致其很难实现;其次,生成的烯烃产物具有更高的反应活性并参与催化剂的竞争配位,容易导致催化活性降低及副反应的发生。

    据了解,过去几年,余金权团队发展了多类含氮配体,实现多个C-H键选择性活化及转化新反应。在该研究中,余金权团队发展了具有五元环螯合结构的吡啶—吡啶酮新配体,成功实现了脂肪羧酸的催化脱氢反应,高效制备出α,β—不饱和羧酸。

    有意思的是,利用具有六元环螯合结构的吡啶—吡啶酮的新配体,不仅可以实现C-H键活化,还可以催化α,β—不饱和羧酸的C-H键活化。为此,研究人员还巧妙地设计了串联的C-H键炔基化/环化反应,从脂肪酸一步得到了分子结构复杂的丁烯内酯类化合物,而这一结构也广泛存在于药物分子中。

    “这样的选择性控制是前所未见的。”面对这样的结果,刘国生感叹道。而对于选择性的根源,研究人员认为,五元螯合配体骨架比较刚性,同时配位的张角比较小,使得催化剂结构更为刚性。而六元螯合配体比较柔性,两种配体在C-H键活化中表现出不同的反应活性。

    另外,脂肪酸中的sp3 C-H键较为柔性,而产物α,β-不饱和羧酸中的sp2 C-H键刚性更强,C-H键活化的过渡态中需要催化剂结构有比较大的扭曲,所以刚性的五元螯合配体只适合催化sp3 C-H键的活化,六元螯合配体则可以催化两步C-H键活化的串联反应。

    如此精妙的催化剂对反应选择性的调控,令人叹为观止,这也正是有机化学的魅力所在。“如果把有机化学家比作魔法师,催化剂就是有机化学家手中驱动和调控化学反应的魔杖。”刘国生说,通过后续催化剂和催化体系的进一步优化,相信这一新反应有光明的产业化应用前景。


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