追寻有效、简单的分子转换:C-H键的可能性

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追寻有效、简单的分子转换:C-H键的可能性

追寻有效、简单的分子转换:C-H键的可能性

成功地将C-H键(CHB)功能化的结果是当今合成化学中最重要的课题之一。Debabrata Maiti教授在谈到将简单的碳和氢转化为复杂分子的过程时如是说,该过程只需几个阶段。CHB的这些品质正吸引着当今一些高价值行业的注意。

 

让我们用一个方便的定义来开始吧。将CHB功能化后,它就变成了一个C-R键。在这里,R代表一个官能团,使最终的分子能够进行一个特定的反应。因此,任何有机分子,例如芳香族碳氢化合物甲苯或非极性分子正己烷,都有许多CHB。CHB功能化的工作是尝试建立如何有选择地分离并将一个CHB转换成不同类型的键。做到这一点,你基本上就可以把一个非常简单的分子变成有价值的东西。

 

这些 "有价值的分子 "可以是拯救生命的药物、农用化学品、药品或香水分子。不仅它们的需求很广泛,而且转化所需的原材料也是最简单和最容易获得的。这种相对较低的成本与高收益比是该行业的一个有吸引力的特点。

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对抗恶龙

Maiti教授在印度理工学院(IIT)孟买分校工作。他的工作的主要挑战是寻求能够将这些简单的有机分子转化为复杂的特殊东西。细胞的选择性是我们在这里讨论的问题。这是一个寻找 "一个 "的过程,即在多个C-H位点的结合处找到那个特殊的碳,并利用它来选择性地促进一个中心的反应而不触及另一个中心。这就是探索,而你在这场战役中与之斗争的龙是差异化:当这些竞争中心都可以平等地获得,并反映出它们周围所有其他中心的简单性或复杂性时,用什么来区分它们?

 

最好的办法是想象这条龙有很多头,每个头都戴着不同的碳氢键的皇冠。你要单独看每一个头,而不引起对其他头的注意。另外,在这一过程中,你得让自己和野兽都活着。在实验室里,你要寻找一个对正确的催化剂和方法有反应的活的CHB,一个避免错误选择的问题,这可能导致不同数量的散射反应的爆发。

 

以这种方式进行的酶工程在今天比以往任何时候都要普遍,但这并不意味着它是一项简单的任务。Maiti教授自己的CHB功能化努力与全世界科学界的努力是一致的。所有人都在努力确定一种高效的、基于实验室的选择性生物启发的催化作用。

 

恼人的是,这也是一个自然界已经做得很好的过程。在自然生物学中,你可以拿一个有机分子,用它产生一个可识别的结果。酶,通常是蛋白质分子,是这里的有机催化剂。

 

在基于实验室的合成化学中尝试同样的转换,情况就会发生变化。你可能会成功地复制反应,但其结果很可能会错过所需的选择性。当把典型的大而复杂的催化蛋白质分子变成更简单和更有效的化学品时,情况尤其如此。

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方法的多样性

C-H键的激活需要能量的供应。传统上,在工业上,为了达到启动化学反应所需的活化能,经常要提供高温--达到120、150℃的数值。使用Maiti教授正在开发的这种类型的催化剂,这种情况可以得到改善。

 

催化过程的另一个关键步骤是催化剂的再生,在这种情况下,金属中心需要重新氧化(需要向金属提供电子)--使用强氧化性化学品,如硝酸银和醋酸银。然而,从工业角度来看,使用这些物质是不可行的,因为它们既昂贵又危险。可以提供替代方案,例如电流(电化学)或光源(光化学),而不是使用氧化盐。光催化和电化学方法并不完美,但它们使采取更有针对性的方法成为可能。这些替代过程有缺点,因为可以提供不正确的光波,或者应用的电荷水平可能不合适。该过程需要氧化金属中心,使其返回到具有催化能力的中间物。可以使用一种混合的替代方法,其中含有昂贵金属的光催化剂,如钯,与提供的光反应,并将电子转移到金属中心,使催化剂再生。

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全球关注

目前,全球正在探索各种方法来实现有影响力的CHB功能化。就像酶本身一样,Maiti教授意识到,没有任何方法可能是完美的。然而,作为一名合成化学家,他希望有一天能发现一种与自然本身一样有效的工艺。也许希望很高,但对他来说,在工业规模上实现高效生产的CHB转化将证明是革命性的。

 

而且,这些转化的积极影响似乎已经开始显现。制药公司已经可以减少时间和合成阶段,从本质上改变了分子的制备方式。一些多步骤的过程现在被大大减少,因为十或二十个阶段被削减到少数几个。

 

这些好处也显示出与各行业相关,在行业间分享成功的分子发现时。例如,开发一种方法,用一种广泛存在的简单分子(如苯甲酸)来处理苯酚或甲苯,对制药和农用化学品的利益都有利。

 

因此,看起来Maiti教授可能有一个观点。我们可能还没有达到目的,但有很多理由对CHB功能化的可能性持乐观态度。


2022-04-04T13:28:15+01:00

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