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研究人员开发的铱基催化剂具有高选择性。
碳氢键是自然界中最常见的化学键之一。长期以来，它一直对化学家们的断键尝试充满“抵触”。《科学》杂志报道，美国加州大学伯克利分校（UCB）的研究人员终于借助一种新型铱基催化剂，打破了这种顽固的化学键，为新颖有机分子的合成打开了新的大门。
UCB有机化学教授John Hartwig说：“碳氢键是分子中的惰性部分。在碳氢键位置进行反应，是合成化学领域的巨大挑战。”
此前，Hartwig等已经实现了在碳氢键上添加易断裂新化学基团的方法，但他们只能将基团添加到简单碳氢链的最坚固位置。Hartwig解释说：“在碳链两端的甲基中，碳氢键含电子最少、化学键强度最高、反应性最弱。”
UCB博士后研究员Raphael Oeschger发现了一种新型铱基催化剂，它能打开甲基中的一个碳氢键，插入易于取代的硼化合物。新催化剂的效率是旧催化剂效率的50多倍，实验操作也更简单。
Hartwig说：“现在，我们有能力完成此前无法进行的反应，这将帮助化学家们快速合成出新的分子。”由此带来的回报是巨大的：每年，近10亿磅碳氢化合物被用于制造溶剂、制冷剂和阻燃剂等化学品，以及合成、修饰药物分子。
为了证明铱基催化剂的实用性，UCB研究人员Bo Su等在实验室中将一种硼化合物添加到了63种具备不同分子结构的碳氢化合物中。他们发现，反应对末端碳氢键有良好的选择性，如果分子没有末端碳氢键，就会作用于其他碳氢键。
Hartwig说：“我们尝试用硼烷来构筑硼碳键，这种碳硼键可以轻松转化成其他化学键。”布里斯托尔大学有机化学家Varinder Aggarwal称这种催化反应为“专家级手术”。
Hartwig表示，新催化反应的重要潜在应用是对天然产物的修饰。目前，许多制药公司都致力于生物制剂的开发。他们可以采用这种反应改善天然产物的活性，提高药效。
Hartwig说：“一般来说，你必须从头开始，一步一步合成出天然分子。我们的研究成果，能让化学家们直接利用天然产物的复杂结构，增强或者改变它们的生物活性。”
碳氢键活化是有机化学领域的“圣杯反应”。化学家们还希望利用这种反应将甲烷转化成甲醇，实现温室气体减排和工业原料增量的双赢结果。UCB荣誉教授Robert Bergman首次证实铱原子可以打破碳氢键。
然而，这项技术还并不成熟——每个碳氢键的打破都需要一个铱原子参加反应。此后，其他研究人员尝试使用钨基催化剂，使一个原子可以破坏和功能化数百万个碳氢键。
作为Bergman的学生，Hartwig继续对不活泼碳氢键展开了研究，并于2000年在《科学》杂志发文阐述了铑基催化剂作用下的端基碳氢键的插硼反应。随着反应和催化剂的改进，部分企业已经将其应用于药物合成。然而，末端甲基碳氢键的反应效率仍然偏低。现在，随着新配体的应用，铱基催化剂的效率又有了显著提升。
Hartwig表示，这些实验还只是第一步，反应产物的收率从29%到85%不等，他的团队还在努力优化中。
科界原创
编译：德克斯特
审稿：西莫
责编：张梦
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/uoc--sfc052120.php
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