幾十年來，化學(xué)家們一直希望在碳?xì)滏I上進(jìn)行精心控制的化學(xué)反應(yīng)。挑戰(zhàn)是驚人的。它需要一個(gè)微型破壞球的力量來打破這些極其強(qiáng)大的粘合，結(jié)合微型鑷子的精細(xì)，以在眾多擁擠的分子之間挑出特定的CH鍵。
“ 自然 ”雜志發(fā)表了一種方法，結(jié)合這兩個(gè)因素使惰性CH鍵反應(yīng) - 有效地將化學(xué)品“垃圾”變?yōu)?ldquo;寶藏”。
“我們可以將價(jià)格有限的廉價(jià)和豐富的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)新化合物(如藥品和其他精細(xì)化學(xué)品)的有價(jià)值的支架，”埃默里大學(xué)研究生，該論文的第一作者JT Fu說。
的自然文是在從Emory大學(xué)證明使用二銠催化劑以選擇性地官能化以流線型方式CH鍵，同時(shí)還保持所產(chǎn)生的分子的三維形狀的幾乎完全控制的能力的系列的最新。
“這種最新的催化劑具有很強(qiáng)的選擇性，即使只有一個(gè)CH鍵可以干凈利落 - 即使分子中有幾個(gè)CH鍵非常相似，”Emory有機(jī)化學(xué)教授，該論文的高級作者Huw Davies說。“這對我們來說是一個(gè)巨大的驚喜。”
這種二銠催化劑在叔丁基環(huán)己烷的底物上起作用，叔丁基環(huán)己烷是一種最簡單的有機(jī)分子之一，完全由CH鍵組成。
戴維斯說：“我們不僅可以做出前所未有的反應(yīng)，而且可以在非常簡單的條件下完成。” “叔丁基環(huán)己烷是化學(xué)中經(jīng)典的有機(jī)結(jié)構(gòu)。這有助于驗(yàn)證CH功能化的主流潛力。”
戴維斯還是美國國家科學(xué)基金會(huì)選擇性CH功能化中心的創(chuàng)始主任，該中心是埃默里的一個(gè)聯(lián)盟，包括來自全國各地的15所主要研究型大學(xué)以及工業(yè)合作伙伴。
自然論文的共同作者是Emory的Cherry L. Emerson科學(xué)計(jì)算中心主任Djamaladdin Musaev; 任志，戴維斯實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員; 和埃默里晶體實(shí)驗(yàn)室設(shè)施總監(jiān)John Bacsa。
有機(jī)合成傳統(tǒng)上專注于修飾分子中的反應(yīng)性或功能性基團(tuán)。CH官能化打破了如何制造化合物的這一規(guī)則：它繞過活性基團(tuán)并在通常被認(rèn)為是惰性碳 - 氫鍵的合成中，在有機(jī)化合物中富含。
目的是有效地將簡單，豐富的分子 - 在某些情況下甚至是化學(xué)廢物 - 轉(zhuǎn)化為更加復(fù)雜，增值的分子。功能化CH鍵為精細(xì)化學(xué)品的合成開辟了新的化學(xué)途徑 - 更簡化，更低成本和更清潔的途徑。
例如，有機(jī)合成通常涉及使用許多試劑，并且可以產(chǎn)生有毒的無機(jī)副產(chǎn)物。
相比之下，由Davies實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的每種二銠催化劑僅使用單一試劑并加速反應(yīng)而不會(huì)在反應(yīng)中耗盡。大多數(shù)催化劑可以再循環(huán)，產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)物是氮，這是無害的。
試驗(yàn)CH官能化的化學(xué)家經(jīng)常使用引導(dǎo)基團(tuán) - 一種與催化劑結(jié)合的化學(xué)實(shí)體，然后將催化劑引導(dǎo)至特定的CH鍵。這個(gè)過程有效，但很麻煩。
戴維斯實(shí)驗(yàn)室通過開發(fā)包含在三維支架內(nèi)的催化劑，繞過了對指導(dǎo)小組的需求。碗狀支架的作用類似于鎖和鑰匙，以使化合物中僅特定的CH鍵接近催化劑并進(jìn)行反應(yīng)。
戴維斯說：“每種催化劑都是前所未有的，實(shí)現(xiàn)了與以往不同的選擇性。” “我們正在開發(fā)一種新型催化劑和試劑的工具包，可以在不同分子的不同位置進(jìn)行選擇性CH功能化。”
除控制位點(diǎn)選擇性外，二銠催化劑的支架還控制反應(yīng)中產(chǎn)生的分子的手性。手性，也稱為“手性”，是指三維對稱性。正如人手是手性的，因?yàn)橛沂质亲笫值溺R像，分子可以是“右手”或“左手”。
分子的手性在有機(jī)化學(xué)中很重要，因?yàn)檫@種三維形狀會(huì)影響它與其他手部分子的相互作用。例如，在開發(fā)新藥時(shí)，控制藥物分子的手性至關(guān)重要，因?yàn)樯锓肿涌梢宰R別這種差異。
目前的Nature論文描述了Davies實(shí)驗(yàn)室在過去兩年中開發(fā)的第五種主要的CH功能化催化劑。
作為研究生，廖廣彪(后來獲得埃默里博士學(xué)位，現(xiàn)在為制藥公司AbbVie工作)是兩篇論文的第一作者，這兩篇論文出現(xiàn)在Nature上，另一篇由Nature Chemistry出版，發(fā)表于2016年和2017年的催化劑。研究生劉文斌領(lǐng)導(dǎo)了今年早些時(shí)候開發(fā)的第四種催化劑的工作，該催化劑由美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志發(fā)表。
戴維斯說：“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超出人們認(rèn)為即使在兩三年前就可能實(shí)現(xiàn)的精確催化劑控制。” “我的學(xué)生能夠取得的成就令人難以置信。”
戴維斯實(shí)驗(yàn)室正在探索為其二銠催化劑添加電子效應(yīng)。戴維斯解釋說：“我們希望我們的催化劑能夠以電子方式排斥或吸引不同的分子，而不僅僅是與惰性形狀相互作用。” “這可能使我們的方法比我們現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)的更復(fù)雜和微妙，開辟了更多的新化學(xué)途徑。”