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科学家终于破解了自然界最常见的化学键

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一个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烃用于制造溶剂,制冷剂,阻燃剂和其他化学品,并且是合成药物的典型起点。

碳氢化合物的“专家手术”

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向63个不同分子结构的末端碳原子或伯碳原子中添加硼化合物或硼烷。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,但是当分子不具有末端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,您可以由此产生碳-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,一旦形成碳-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。”

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