自然界中最常見的C-H鍵,終於被攻破瞭

碳氫鍵(C-H)是最常見的一種化學鍵,比如在石油和塑料中,三分之二的化學鍵是碳氫鍵。一直以來,這些碳氫之間的緊密聯系阻礙瞭化學傢試圖將它們斷開的企圖,為給碳基分子添加新的附加功能帶來瞭重重困難。

對碳氫鍵進行有針對性的添加的反應被稱為碳氫鍵活化反應,這是一項困擾化學傢已久的挑戰,因為碳氫鍵是分子中不活潑的部分,如果能夠成功做到這一點,那將是一件讓眾多化學研究者為之欣喜的事。

雖然在過去的幾十年中,有機化學和無機化學都有瞭長足的進展,但目前仍沒有任何試劑或催化劑能夠讓化學傢可以在最強的碳氫鍵中塞入任何東西。

現在,加州大學伯克利分校的一個化學傢團隊經過近25年的努力,成功地做到瞭讓各種不同類型的碳氫鍵完全斷裂,為合成大量新的有機分子打開瞭大門。

與碳氫鍵“較勁”是加州大學伯克利分校的“優良傳統”。1982年,化學教授Robert Bergman首次證明瞭銥(Ir)原子可以打破有機分子中的碳氫鍵,它能將自己置於碳和氫之間,並在碳氫之間附著一個配體。

自然界中最常見的C-H鍵,終於被攻破瞭
Robert Bergman,加州大學伯克利分校化學系教授(已退休)

然而,Bergman的發現並不適用於現實操作,因為它需要每個碳氫鍵的斷裂都要有一個銥原子存在。十年後,其他研究人員發現瞭一種方法,可以用銥和其他過渡金屬(如鎢)作為催化劑,達到用一個原子就可以破壞數百萬個碳氫鍵的效果。

20世紀80年代末,現任加州大學伯克利分校有機化學教授的John Hartwig還是Bergman的一名研究生,他研究的也是不活潑的碳氫鍵。2000年,他在《科學》雜志上發表瞭一篇論文,描述瞭如何使用一種基於金屬銠(Rh)的催化劑,在位於分子末端的碳氫鍵中插入硼(B)。這種方法的優勢在於,一旦硼被成功插入,就可以很容易地被替換成其他化合物。

之後,研究人員對反應進行瞭不斷的改進,反應中所涉及的金屬也從銠變成瞭銥。這種催化反應也開始被一些制藥公司所采用,通過修改不同類型的碳氫鍵來合成藥物。

但是,問題仍然存在,當碳鏈末端的碳氫鍵是甲基(-CH₃)時,反應效率非常低下。比如說,將甲烷(CH₄)轉化為甲醇(CH₃OH)就是一個一直難以實現的夢想。

甲基中的碳與三個氫原子相連,這個基團通常位於分子鏈的末端。甲基中的碳氫鍵是最強的碳氫鍵,它們所含的電子最少,反應活性最低。

5月15日,Hartwig與他的團隊再次在《科學》雜志上發表瞭最新的一個進展,他們設計瞭一種新的催化劑,終於攻破瞭這種“最牢固”的碳氫鍵。

自然界中最常見的C-H鍵,終於被攻破瞭
 John Hartwig,加州大學伯克利分校化學系教授。

新研究所使用的是一種基於銥的新型催化劑。反應中,銥能斷開末端甲基中的三個碳氫鍵中的一個,換句話說,它能剪下一個末端的氫原子,然後插入一個硼化合物,這種硼化合物可以輕易地被其他更復雜的化學基團所取代。

自然界中最常見的C-H鍵,終於被攻破瞭
 圖中的黑色小球代表碳原子,圖中央顯示的是一種以銥(藍)為基礎的催化劑,它可以將位於分子末端的甲基(黃)中的一個氫原子(白)剪下,添加上一種硼化合物(粉和紅)。這種化合物可以被替換成更復雜的化學基團。圖中的上部分顯示的是發生在簡單的碳氫化合物鏈上的反應;底部顯示的是發生在更復雜的碳化合物上的反應。| 圖片來源:John Hartwig / UC Berkeley

這種新的催化劑非常易於操作,它所產生的催化反應幾乎能讓將各種化學物質附著在任何類型的碳氫鍵上,反應效率是之前催化劑的50到80倍。有瞭這種催化劑,化學傢就能夠更快地制造出之前不太願意去嘗試制造的分子。並不是說這些分子在過去無法被制造,隻是它們可能需要過長的制造時間,或者所需的研究成本過大。

為瞭證實這種新的催化反應的實用性,在實驗中,研究人員用這項技術將一種硼化合物添加到瞭63種分子結構不同的末端碳原子上。接著,硼化合物被替換成瞭任意數量的化學基團。結果表明,雖然這是一種專門針對末端碳氫鍵的反應,但當分子末端沒有碳氫鍵時,它也可以作用於其他位置的碳氫鍵。

這項技術可以帶來巨大的回報。碳氫化合物是許多工業過程的關鍵組成,每年都有近10億磅的碳氫化合物被用於工業制造溶劑、制冷劑、阻燃劑、藥物合成等等。

有瞭這種新型的催化劑,化學傢可以通過對自然界中具有某些固有生物活性的復雜結構進行微小的結構調整,從而達到改變或增強這種生物活性的目的。它的一個潛在應用就是改造那些來自動植物的具有某些特殊功效的天然化合物,使這些化合物的某種屬性變得更好。除此之外,這項技術還有利於化學傢在有機分子的末端添加新的化學基團,聚合成前所未有的長鏈分子。

Hartwig表示,目前的成果還隻是初步的。由於反應的最終產物的產率並不穩定,因此Hartwig認為這還有很大的改進空間,也這意味著他們還需要繼續制造出更好的催化劑。

參考來源:

https://news.berkeley.edu/2020/05/21/scientists-finally-crack-natures-most-common-chemical-bond/

https://science.sciencemag.org/content/368/6492/736

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