化学催化剂将垃圾变成宝藏使惰性CH键发生反应

几十年来，化学家们一直希望在碳氢键上进行精心控制的化学反应。挑战是惊人的。它需要一个微型破坏球的力量来打破这些极其强大的粘合，结合微型镊子的精细，以在众多拥挤的分子之间挑出特定的CH键。

“ 自然 ”杂志发表了一种方法，结合这两个因素使惰性CH键反应 - 有效地将化学品“垃圾”变为“宝藏”。

“我们可以将价格有限的廉价和丰富的碳氢化合物转变为开发新化合物(如药品和其他精细化学品)的有价值的支架，”埃默里大学研究生，该论文的第一作者JT Fu说。

的自然文是在从Emory大学证明使用二铑催化剂以选择性地官能化以流线型方式CH键，同时还保持所产生的分子的三维形状的几乎完全控制的能力的系列的最新。

“这种最新的催化剂具有很强的选择性，即使只有一个CH键可以干净利落 - 即使分子中有几个CH键非常相似，”Emory有机化学教授，该论文的高级作者Huw Davies说。“这对我们来说是一个巨大的惊喜。”

这种二铑催化剂在叔丁基环己烷的底物上起作用，叔丁基环己烷是一种最简单的有机分子之一，完全由CH键组成。

戴维斯说：“我们不仅可以做出前所未有的反应，而且可以在非常简单的条件下完成。” “叔丁基环己烷是化学中经典的有机结构。这有助于验证CH功能化的主流潜力。”

戴维斯还是美国国家科学基金会选择性CH功能化中心的创始主任，该中心是埃默里的一个联盟，包括来自全国各地的15所主要研究型大学以及工业合作伙伴。

自然论文的共同作者是Emory的Cherry L. Emerson科学计算中心主任Djamaladdin Musaev; 任志，戴维斯实验室的博士后研究员; 和埃默里晶体实验室设施总监John Bacsa。

有机合成传统上专注于修饰分子中的反应性或功能性基团。CH官能化打破了如何制造化合物的这一规则：它绕过活性基团并在通常被认为是惰性碳 - 氢键的合成中，在有机化合物中富含。

目的是有效地将简单，丰富的分子 - 在某些情况下甚至是化学废物 - 转化为更加复杂，增值的分子。功能化CH键为精细化学品的合成开辟了新的化学途径 - 更简化，更低成本和更清洁的途径。

例如，有机合成通常涉及使用许多试剂，并且可以产生有毒的无机副产物。

相比之下，由Davies实验室开发的每种二铑催化剂仅使用单一试剂并加速反应而不会在反应中耗尽。大多数催化剂可以再循环，产生的唯一副产物是氮，这是无害的。

试验CH官能化的化学家经常使用引导基团 - 一种与催化剂结合的化学实体，然后将催化剂引导至特定的CH键。这个过程有效，但很麻烦。

戴维斯实验室通过开发包含在三维支架内的催化剂，绕过了对指导小组的需求。碗状支架的作用类似于锁和钥匙，以使化合物中仅特定的CH键接近催化剂并进行反应。

戴维斯说：“每种催化剂都是前所未有的，实现了与以往不同的选择性。” “我们正在开发一种新型催化剂和试剂的工具包，可以在不同分子的不同位置进行选择性CH功能化。”

除控制位点选择性外，二铑催化剂的支架还控制反应中产生的分子的手性。手性，也称为“手性”，是指三维对称性。正如人手是手性的，因为右手是左手的镜像，分子可以是“右手”或“左手”。

分子的手性在有机化学中很重要，因为这种三维形状会影响它与其他手部分子的相互作用。例如，在开发新药时，控制药物分子的手性至关重要，因为生物分子可以识别这种差异。

目前的Nature论文描述了Davies实验室在过去两年中开发的第五种主要的CH功能化催化剂。

作为研究生，廖广彪(后来获得埃默里博士学位，现在为制药公司AbbVie工作)是两篇论文的第一作者，这两篇论文出现在Nature上，另一篇由Nature Chemistry出版，发表于2016年和2017年的催化剂。研究生刘文斌领导了今年早些时候开发的第四种催化剂的工作，该催化剂由美国化学学会杂志发表。

戴维斯说：“我们已经实现了超出人们认为即使在两三年前就可能实现的精确催化剂控制。” “我的学生能够取得的成就令人难以置信。”

戴维斯实验室正在探索为其二铑催化剂添加电子效应。戴维斯解释说：“我们希望我们的催化剂能够以电子方式排斥或吸引不同的分子，而不仅仅是与惰性形状相互作用。” “这可能使我们的方法比我们现在可以实现的更复杂和微妙，开辟了更多的新化学途径。”

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