以铱(蓝球)为基础的催化剂(中间)可以从终端甲基(左上和左下)上剪下一个氢原子(白球)，从而添加一种硼氧化合物(粉色和红色)，这种化合物很容易被替换成更复杂的化学基团。反应发生在简单的碳氢化合物链上(顶部反应)或更复杂的碳化合物上(底部反应)。这种催化反应的高选择性是由于添加到铱催化剂上的甲基(黄色)。黑色的球是碳原子;红色是氧气;粉色是硼。(加州大学伯克利分校图片作者:John Hartwig)
生命世界中最常见的化学键——碳和氢之间的化学键——长期以来一直抵制化学家们试图打开它的尝试，阻碍了为旧的碳基分子添加新功能的努力。
现在,经过近25年的工作由化学家在加州大学伯克利分校那些烃债券——三分之二的石油的化学键和塑料完全了,打开门的合成一个大范围的新颖的有机分子,包括基于天然化合物的药物。
“碳-氢键通常是框架的一部分，是分子的惰性部分，”加州大学伯克利分校的有机化学教授John Hartwig说。“能够在这些位置进行反应一直是一项挑战，也是合成的圣杯，因为到目前为止，还没有任何试剂或催化剂能够让你在这些键的最强处添加任何东西。”
哈特维格和其他研究人员此前已经展示了如何在碳氢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碳氢链的最坚固位置。
在5月15日出版的《科学》杂志上,哈特和他的加州大学伯克利分校的同事们描述了如何使用新设计的催化剂添加功能性化学组最难破解的碳氢债券:债券,通常在一个分子的头部或尾部,碳有三个附加氢原子的,所谓的甲基(CH3)。
他说:“主碳氢键，也就是位于碳链末端甲基上的键，是含电子最少、最强的。”“它们往往是碳氢键中反应最少的。”
加州大学伯克利分校的博士后研究员Raphael Oeschger发现了一种基于金属铱的新型催化剂，它能在末端甲基上打开三个碳氢键中的一个，插入硼化合物，这种硼化合物很容易被更复杂的化学基团取代。这种新型催化剂的效率是之前催化剂的50多倍，而且操作简单。
哈特威格说:“我们现在有能力进行这些类型的反应，这将使人们能够快速制造出他们以前不会制造的分子。”“我不认为这些分子以前是不可能制造出来的，但人们不会制造它们，因为制造它们需要太长时间、太多时间和研究努力。”
回报可能是巨大的。每年，近10亿磅的碳氢化合物被工业用于制造溶剂、制冷剂、阻燃剂和其他化学品，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苏博(音译)和他的同事们在实验室中使用该技术将一种硼化合物或硼烷添加到63种不同分子结构的末端碳原子或初级碳原子上。然后硼烷可以被交换成任意数量的化学基团。该反应专门针对末端碳氢键，但当分子没有末端碳氢键时，也会作用于其他碳氢键。
在加州大学伯克利分校的办公室里。(加州大学伯克利分校照片由化学学院提供)
Hartwig说:“我们用硼烷作为试剂来制造硼碳键——它们离蚂蚁的毒液，硼酸只有几步之遥——而这种碳-硼键可以转换成许多不同的东西。”“传统上，你可以用它来生成碳-氧键，但你也可以生成碳-氮键、碳-碳键、碳-氟键或其他碳-卤素键。所以，一旦你形成了碳硼键，就会产生很多不同的化合物。”
据《化学与工程新闻》杂志报道，布里斯托尔大学的有机化学家瓦林德·阿加瓦尔将这种催化反应称为“专家手术”，并将加州大学伯克利分校的这项新技术描述为“复杂而聪明”
哈特维格说，一个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性质的化学物质，如抗生素活性——使它们变得更好。如今，许多制药公司专注于生物制剂——用于药物的有机分子，如蛋白质——它们也可以通过这种反应进行改变，以提高药效。
“在正常的过程中，你必须从头开始重新制造所有这些分子，但这个反应可以让你直接制造它们，”哈特威格说。“这是一种化学，它能让你利用大自然创造的具有固有生物活性的复杂结构，通过对结构的微小改变来增强或改变这种生物活性。”
他说，化学家们还可以在有机分子的末端添加新的化学基团，让它们聚合成以前从未合成过的长链。
他说:“它可以使你获得自然丰富的分子，生物源性分子，如脂肪酸，并能够在另一端衍生出聚合物。”
加州大学伯克利分校研究碳氢键的悠久历史
长期以来，化学家们一直试图对碳氢键进行有针对性的添加，这种反应被称为碳氢键活化。其中一个尚未实现的梦想是将甲烷转化为一种名为甲醇的酒精，可作为工业中许多化学合成的起点。甲烷是石油开采过程中产生的一种储量丰富、但经常被浪费的副产品，也是一种强大的温室气体。
罗伯特·褒曼，杰拉尔德·e·k·布兰奇化学系名誉教授。
1982年，罗伯特·伯格曼(Robert Bergman)，现在是加州大学伯克利分校的化学荣誉退休教授，首次证明了铱原子可以打破有机分子中的碳氢键，在碳和氢之间插入自己和一个附着的配体。虽然有机化学和无机化学的重大进展，这项技术是不切实际的-它需要一个铱原子每碳氢键。十年后，其他研究人员发现了一种方法，可以使用铱和其他所谓的过渡金属，如钨，作为催化剂，其中一个原子可以破坏和功能化数百万个碳氢键。
哈特维格在20世纪80年代末是伯格曼的研究生，他继续研究不活泼的碳氢键，并在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在末端的碳氢键中插入硼。一旦加入硼，化学家就可以很容易地把它换成其他化合物。随着反应的不断改进和金属从铑到铱的转变，一些制造商已经使用这种催化反应通过修饰不同类型的碳氢键来合成药物。但是碳链末端的甲基碳氢键的反应效率仍然很低，因为这项技术要求反应的化学物质同时也是溶剂。
随着新的催化反应的加入，化学家现在可以将化学物质粘在几乎任何类型的碳氢键上。在反应中，铱剪掉一个终端氢原子，硼取代它;另一种硼化合物随释放的氢原子一起飘走。研究小组在铱上附加了一种新的配体——一种叫做2-甲基菲罗啉的甲基——这使得反应速度比之前的结果快了50到80倍。
哈特威格承认，这些实验只是第一步。反应的最终产物的收率从29%到85%不等。但他正在努力改进。
“对我们来说，这表明，是的，你可以这样做，但我们需要制造更好的催化剂。我们知道，如果我们能把利率再提高10倍，最终目标是可以实现的，let’说。然后，我们应该能够增加这个反应的分子的复杂性，并获得更高的产量，”哈特威格说。“这有点像4分钟一英里。一旦你知道某件事是可以完成的，很多人都能做到，接下来你知道，我们跑了一英里三又四分之三分钟。”
论文的其他合著者还有研究生一年级的Isaac Yu;基督教Ehinger前访问学生,现在在ETH祖茂堂̈丰富,在瑞士的公立研究型大学;博士后研究员Erik Romero和本科生Sam He。
相关信息
- 强烷基C-H键的无定向硼化功能化(科学)
- John Hartwig实验室网站
- 约翰·哈特威格授予沃尔夫化学奖
- 采访罗伯特·伯格曼(伯克利科学评论)
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