[所屬分類:行業(yè)動(dòng)態(tài)] [發(fā)布時(shí)間:2024-11-20] [發(fā)布人:楊曉燕] [閱讀次數(shù):] [返回]

告別劇毒光氣，催化羰化新徑合成非對(duì)稱脲顯神威
作者：葉滿山      來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
山東拓普生物工程有限公司  http://www.qp8008.cn
雖然“非對(duì)稱脲”這一術(shù)語(yǔ)可能不為大眾所熟知，但它在醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域卻扮演著舉足輕重的角色。作為抗腫瘤試劑、除草劑、殺蟲劑以及超分子粘合材料的關(guān)鍵成分，非對(duì)稱脲展現(xiàn)出了其廣泛且重要的應(yīng)用潛力，擁有廣闊的發(fā)展前景。
11月15日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員何林團(tuán)隊(duì)與武漢大學(xué)教授雷愛文團(tuán)隊(duì)共同協(xié)作，在催化羰基化領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展——他們成功利用一氧化碳或二氧化碳替代劇毒的光氣，高效合成了含氮的羰基化合物非對(duì)稱脲。這一研究成果不僅為化學(xué)工業(yè)帶來(lái)了更為安全、環(huán)保的生產(chǎn)方式，更為新藥研發(fā)、材料科學(xué)等提供了全新的可能性。相關(guān)論文發(fā)表于《科學(xué)》。
從德國(guó)歸來(lái)的羰基合成探索者
催化，這個(gè)看似神秘的過程，實(shí)則蘊(yùn)含著巨大的能量。在反應(yīng)中，催化劑自身不變，卻能顯著影響反應(yīng)的進(jìn)行，仿佛是一位無(wú)形的“指揮家”，引領(lǐng)著化學(xué)反應(yīng)向著人們期望的方向前進(jìn)。
2016年，何林完成德國(guó)的學(xué)業(yè)后選擇了回國(guó)，將她的科研夢(mèng)想植根于蘭州化物所。面對(duì)眾多的研究方向，何林憑借敏銳的科研直覺和對(duì)國(guó)家需求的深刻理解，將目光投向了胺的氧化羰基化這一相對(duì)冷門但潛力巨大的領(lǐng)域。
胺的氧化羰基化產(chǎn)物——含氮羰基化合物，在新材料、醫(yī)藥、農(nóng)藥等多個(gè)領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)時(shí)工業(yè)上主要采用的光氣法制備方法存在諸多環(huán)境和技術(shù)問題，況且傳統(tǒng)的光氣法合成過程復(fù)雜且危險(xiǎn)，需要分步進(jìn)行，不僅涉及劇毒的光氣，還會(huì)產(chǎn)生大量的腐蝕性鹽酸。如何找到一種更安全、更高效的合成方法，成為了科研界亟待解決的問題。
何林深知，要推動(dòng)這一領(lǐng)域的綠色可持續(xù)發(fā)展，必須探索新的合成路徑。
于是，她決定將催化羰基化作為突破口，盡管這一方向在國(guó)際上的研究相對(duì)較少，但她堅(jiān)信這將是未來(lái)科研的重要方向。通過不斷嘗試新的催化劑、優(yōu)化反應(yīng)條件，力求找到最高效、最環(huán)保的胺的氧化羰基化合成方法。
科研路上的“荊棘”與“花朵”
非對(duì)稱脲是一種特殊的化學(xué)物質(zhì)，它的結(jié)構(gòu)里有一個(gè)羰基（可以理解為一種特定的化學(xué)連接部分），而羰基的兩邊連接著兩種不同的胺的分子片段（胺是另一種化學(xué)物質(zhì)，可以理解為帶有特定基團(tuán)的氮原子）。
現(xiàn)在，工業(yè)上要制作這種非對(duì)稱脲，直接做很難，因?yàn)閮蛇叺陌凡灰粯樱�很難精確控制。所以，人們采用了一個(gè)分步的方法，這個(gè)方法叫做“光氣法”。
據(jù)了解，光氣法首先通過一氧化碳與氯氣反應(yīng)生成劇毒的光氣，這一步為后續(xù)反應(yīng)創(chuàng)造了條件；接著，利用一種胺與光氣反應(yīng)，生成異氰酸酯或酰氯作為中間產(chǎn)物，相當(dāng)于將第一個(gè)胺“安裝”到了羰基的一部分上；最后，再用另一種胺與這個(gè)中間產(chǎn)物反應(yīng)，成功將第二個(gè)胺也“安裝”到羰基上，從而生成所需的非對(duì)稱脲衍生物，完成整個(gè)制備過程。
但是，在這個(gè)過程中，會(huì)產(chǎn)生很多鹽酸，這是一種腐蝕性很強(qiáng)的酸，對(duì)設(shè)備和環(huán)境都有一定的危害。
為此研究團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，經(jīng)過多角度思考和調(diào)研總結(jié)提出了同步胺識(shí)別的概念，這一創(chuàng)新性的思路，讓非對(duì)稱脲的合成變得簡(jiǎn)單而高效。何林說，“我們首創(chuàng)性利用上述同步識(shí)別效應(yīng)，采用不同胺作為底物，通過生成的金屬酰胺和自由基反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)選擇性地一步生成高值非對(duì)稱脲。在羰基源方面，可以采用一氧化碳，也可以從二氧化碳出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光氣法含氮羰基化合物合成的流程再造�！�
在研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)遇到了諸多挑戰(zhàn)和困難。如何確保在一步反應(yīng)中，兩種不同的胺能夠準(zhǔn)確地“找到”自己的位置，形成非對(duì)稱脲？這成為了擺在團(tuán)隊(duì)面前的一大難題。
“我們獲得了一級(jí)胺與二級(jí)胺共存時(shí)，鈷中心僅活化一級(jí)胺的關(guān)鍵的單晶結(jié)構(gòu)證據(jù)，結(jié)合雷老師團(tuán)隊(duì)利用快速掃描X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜揭示的二級(jí)胺與銅中心作用優(yōu)先生成自由基證據(jù)。”何林介紹道，“這樣有望一步通過親核性進(jìn)攻形成金屬�；�關(guān)鍵物種，接著后一半胺的片段接上去時(shí)，利用金屬銅中心可以得到胺的自由基�！边@一發(fā)現(xiàn)，如同黑暗中的一縷曙光，照亮了團(tuán)隊(duì)的前進(jìn)方向。
然而，要將這一發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際可行的合成方法，還需要大量的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。團(tuán)隊(duì)成員們夜以繼日地工作，不斷嘗試、不斷優(yōu)化，終于找到了最佳的催化體系和反應(yīng)條件。當(dāng)?shù)谝环莘菍?duì)稱脲成功合成時(shí)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)都沸騰了。那一刻，所有的辛苦和付出都化為了無(wú)盡的喜悅和自豪。
“我當(dāng)時(shí)想到了詹天佑《敬告青年工學(xué)者書》里面的話，‘加以種種之試驗(yàn)，作出種種之模型，雖失敗于前，必改良于后，殫精竭慮，終有貫通之一日’。真的是不懈的努力，終于迎來(lái)了貫通�！焙瘟中χ�說道。
更值得一提的是，這一創(chuàng)新不僅減少了對(duì)有毒原料的依賴，還為二氧化碳的利用開辟了新的途徑，具有重要的環(huán)保意義。
科學(xué)殿堂的“洗禮”
2023年8月，研究團(tuán)隊(duì)向《科學(xué)》雜志提交了預(yù)投稿。沒想到，在周五晚上9點(diǎn)多給編輯寫信后，僅僅過了兩個(gè)多小時(shí)，就收到了副主編的回信：“看起來(lái)是一個(gè)引人入勝且有價(jià)值的研究結(jié)果！我鼓勵(lì)你們提交全文�！边@份來(lái)自權(quán)威雜志的認(rèn)可，讓團(tuán)隊(duì)成員倍感振奮。
然而，第一次審稿并不順利。論文收到了“一接一拒”的意見，編輯給出了拒稿的決定。面對(duì)這一挫折，團(tuán)隊(duì)成員并沒有氣餒。他們仔細(xì)閱讀了審稿意見，認(rèn)真反思了工作中的不足。
2024年8月6日，研究團(tuán)隊(duì)再次向《科學(xué)》雜志提交了重投的咨詢郵件。這一次，他們的努力得到了回報(bào)。經(jīng)過第二輪的審稿，論文順利接收，他們的科研成果得到了國(guó)際同行的認(rèn)可。
“這項(xiàng)研究能夠成功的關(guān)鍵離不開合作”。何林強(qiáng)調(diào)與武漢大學(xué)雷愛文團(tuán)隊(duì)的緊密合作，“我們創(chuàng)新性地融合了親核羰基化與自由基轉(zhuǎn)化的半反應(yīng)，共同繪制出了反應(yīng)歷程的全貌，這為我們發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱脲的獨(dú)特反應(yīng)窗口奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)�！�
何林進(jìn)一步介紹，該研究還成功應(yīng)用了他們開發(fā)的新方法，實(shí)現(xiàn)了小分子成藥的直接合成，如卡利拉嗪——一種用于治療精神分裂癥和躁狂抑郁癥的藥物。他們的方法僅需一步反應(yīng)，就能以89%的高得率獲得目標(biāo)產(chǎn)物，且副產(chǎn)物僅為水，顯著簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)制備流程。
“這一成果的背后，是我們提出的同步識(shí)別性活化概念�！焙瘟纸忉屨f，這是一種全新的催化羰基化反應(yīng)模式，為藥物合成等領(lǐng)域帶來(lái)了新機(jī)遇。團(tuán)隊(duì)目前正在積極推動(dòng)多元醇酯高端基礎(chǔ)油的設(shè)計(jì)合成與潤(rùn)滑性能測(cè)試全鏈條合作，期望通過聯(lián)合攻關(guān)，在該領(lǐng)域取得新的突破。
未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)深耕一氧化碳、二氧化碳的催化利用領(lǐng)域，依托中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所低碳催化與二氧化碳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，聚焦實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，開展原創(chuàng)性工作。他們特別希望通過學(xué)科交叉平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)，激發(fā)新的研究思路。
相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl0149
（本文內(nèi)容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)可后臺(tái)聯(lián)系刪除。）