生物科学门户网站
BIO1000.COM

碳和氢之间的化学键-抵制了化学家试图使其打开的尝试

长期以来,生物界最常见的化学键-碳和氢之间的化学键-抵制了化学家试图使其打开的尝试,从而阻碍了向旧的碳基分子添加新的钟声的过程。如今,经过加州大学伯克利分校化学家近25年的努力,那些碳氢化合物键(占石油和塑料中所有化学键的三分之二)已完全产生,为合成大量碳氢化合物打开了大门。一系列新型有机分子,包括基于天然化合物的药物。

加州大学伯克利分校有机化学系主任亨利·拉波特(John Hartwig)表示:“碳氢键通常是框架的一部分,是分子的惰性部分。”

“能够在这些位置上进行反应一直是挑战,也是合成的圣杯,因为到目前为止,还没有试剂或催化剂可以让您在这些键的最强处添加任何东西。”

哈特维格(Hartwig)和其他研究人员先前已经展示了如何在CH键上添加更容易断裂的新化学基团,但他们只能将它们添加到简单烃链的最强位置。

在5月15日的《科学》杂志上,Hartwig和他的UC Berkeley同事描述了如何使用新设计的催化剂将功能性化学基团添加到最难裂解的碳氢键中:这些键通常位于头或尾碳原子具有三个连接的氢原子的分子,即甲基(CH3)。

他说:“主要的CH键是在链末端的甲基上,是电子最少的,也是最强的。” “它们往往是CH键中反应性最低的。”

加州大学伯克利分校的博士后研究员拉斐尔·奥斯赫格(Raphael Oeschger)发现了一种新型的基于金属铱的催化剂,该催化剂在一个末端甲基处打开三个CH键之一,并插入一个硼化合物,该硼化合物可以很容易地被更复杂的化学基团取代。

新催化剂的效率是以前催化剂的50倍以上,并且使用起来也一样容易。

哈特维格说:“我们现在有能力进行这些类型的反应,这将使人们能够迅速地制造出他们以前无法制造的分子。”

“我不会说这些是以前无法制造的分子,但是人们不会制造它们,因为制造它们将花费太长时间,太多时间和研究工作。”

回报可能是巨大的。每年,工业上将近十亿磅的碳氢化合物用于制造溶剂,制冷剂,阻燃剂和其他化学品,并且是合成药物的典型起点。

为了证明催化反应的实用性,加州大学伯克利分校的博士后研究员Bo Su和他的同事在实验室中使用它将硼化合物或硼烷添加到63个不同分子结构的末端或主要碳原子中。

然后可以将硼烷换成任意数量的化学基团。该反应专门针对末端CH键,但当分子不具有末端CH时,该反应可作用于其他CH键。

哈特维格说:“我们使用硼烷作为试剂来形成硼碳键-距蚂蚁毒药,硼酸仅几步之遥,而且碳硼键可以转化为许多不同的东西。”

“通常,您可以从中产生碳-氧键,但也可以形成碳-氮键,碳-碳键,碳-氟键或其他碳-卤素键。因此,一旦完成碳-硼键,可以制造许多不同的化合物。”

根据《化学与工程新闻》杂志的报道,来自布里斯托大学的有机化学家Varinder Aggarwal将催化反应称为“专家手术”,并将UC Berkeley的新技术称为“复杂而巧妙”。

哈特维格说,一种潜在的应用是改变天然化合物-来自植物或动物的具有有用特性(例如抗生素活性)的化学物质-使它们变得更好。

如今,许多制药公司都将重点放在生物制剂上-诸如蛋白质之类的有机分子用作药物-也可以通过这种反应进行改变以提高其有效性。

哈特维格说:“在正常情况下,您必须从一开始就重新制造所有这些分子,但是这种反应可以使您直接制造它们。”

“这是一种化学类型,它使您能够采用大自然制造的具有固有生物活性的复杂结构,并通过对结构进行微小改变来增强或改变该生物活性。”

他说,化学家还可以在有机分子的末端添加新的化学基团,以使它们准备聚合成从未合成的长链。

他说:“它可以使您摄取天然丰富的分子,例如脂肪酸,并可以将其衍生化,以用于高分子用途。”

化学家们长期以来一直在尝试向碳氢键进行有针对性的加成反应,这一反应称为CH活化。一个仍未实现的梦想是将甲烷(一种大量但经常被浪费的石油提取副产物和强力温室气体)转化为一种叫做甲醇的醇,可以将其用作工业中许多化学合成的起点。

1982年,现为加州大学伯克利分校化学系名誉教授的罗伯特·伯格曼(Robert Bergman)首次表明,铱原子可以破坏有机分子中的CH键,并使其自身以及在碳和氢之间的连接配体插入。

尽管有机和无机化学取得了重大进展,但该技术不切实际-每个CH键需要一个铱原子。十年后,其他研究人员发现了一种使用铱和其他所谓的过渡金属(例如钨)作为催化剂的方法,其中单个原子可以破坏并官能化数百万个CH键。

哈特维格(Hartwig)于1980年代末在伯格曼(Bergman)攻读研究生,他继续研究未反应的CH键,并于2000年在《科学》杂志上发表了一篇论文,描述了如何使用铑基催化剂将硼插入CH键末端。硼插入后,化学家可以轻松地将其换成其他化合物。

随着对反应的后续改进以及将金属从铑变为铱,一些制造商已使用该催化反应通过修饰不同类型的CH键来合成药物。

但是,由于该技术要求反应性化学物质也是溶剂,因此在碳链末端的甲基CH键处的反应效率仍然很低。

通过添加新的催化反应,化学家现在可以将化学品粘在几乎任何类型的碳氢键中。在反应中,铱剪掉末端的氢原子,然后硼取代它。另一个硼化合物随释放的氢原子一起漂浮。

该研究小组在铱上附加了一个新的配体-一个称为2-甲基菲咯啉的甲基-使反应加速了以前的结果50到80倍。

Hartwig承认这些实验是第一步。反应的终产物产率为29%至85%。但是他正在努力改进。

对我们来说,它表明,是的,您可以做到这一点,但是我们将需要制造更好的催化剂。我们知道,如果我们可以进一步将费率提高10倍,那么最终目标是可以实现的。然后,我们应该能够增加该反应分子的复杂性并获得更高的产率。

这大约是四分钟的路程。一旦您知道可以完成某件事,许多人就可以做到,接下来您知道的事,我们将运行三分之三至四分之三,分钟英里。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。