科學家攻破了自然界中「最懶惰」的碳氫鍵，將帶來巨大回報
2020-05-23 孟君369
地球上，包括生命分子在內，碳與氫都是形成有機分子最基本的「字母」。它們結合而成的碳氫鍵通常比較穩固，碳氫鍵活化，即如何切斷它們之間的化學鍵，即在分子「詞彙」中擦除「字母」氫——這個操作被稱為有機化學的「聖杯」。
對碳氫鍵進行有針對性的添加的反應被稱為碳氫鍵活化反應，這是一項困擾化學家已久的挑戰，因為碳氫鍵是分子中不活潑的部分，如果能夠成功做到這一點，那將是一件讓眾多化學研究者為之欣喜的事。
Robert Bergman，加州大學伯克利分校化學系教授（已退休）。| 圖片來源：UC Berkeley
1982年，化學教授Robert Bergman首次證明了銥（Ir）原子可以打破有機分子中的碳氫鍵，它能將自己置於碳和氫之間，並在碳氫之間附著一個配體。
2020年5月15日，Hartwig與他的團隊在《科學》雜誌上發表了最新的一個進展，他們設計了一種新的催化劑，終於攻破了這種「最牢固」的碳氫鍵。
John Hartwig，加州大學伯克利分校化學系教授。| 圖片來源：UC Berkeley
新研究所使用了一種基於銥的新型催化劑。反應中，銥能斷開末端甲基中的三個碳氫鍵中的一個，換句話說，它能剪下一個末端的氫原子，然後插入一個硼化合物，這種硼化合物可以輕易地被其他更複雜的化學基團所取代。
圖中的黑色小球代表碳原子，圖中央顯示的是一種以銥（藍）為基礎的催化劑，它可以將位於分子末端的甲基（黃）中的一個氫原子（白）剪下，添加上一種硼化合物（粉和紅）。這種化合物可以被替換成更複雜的化學基團。圖中的上部分顯示的是發生在簡單的碳氫化合物鏈上的反應；底部顯示的是發生在更複雜的碳化合物上的反應。| 圖片來源：John Hartwig / UC Berkeley
這種新的催化劑非常易於操作，它所產生的催化反應幾乎能讓將各種化學物質附著在任何類型的碳氫鍵上，反應效率是之前催化劑的50到80倍。有了這種催化劑，化學家就能夠更快地製造出之前不太願意去嘗試製造的分子。
有了這種新型的催化劑，化學家可以通過對自然界中具有某些固有生物活性的複雜結構進行微小的結構調整，從而達到改變或增強這種生物活性的目的。它的一個潛在應用就是改造那些來自動植物的具有某些特殊功效的天然化合物，使這些化合物的某種屬性變得更好。除此之外，這項技術還有利於化學家在有機分子的末端添加新的化學基團，聚合成前所未有的長鏈分子。
2019年，中國科學院上海有機化學研究所劉國生研究員和香港科技大學林振陽教授課題組合作成功實現了精準剪切碳氫鍵，科研成果發表在英國《自然》雜誌上。
2014年，劉國生團隊發現了金屬銅物種可以調控碳自由基反應的選擇性。2016年，他與國外合作者一起在美國《科學》雜誌上發表論文，即利用一種手性銅的氰化物，可以將氰基（CN）精準接上了被攫氫的有機分子上。
又經過三年多，這支鍥而不捨的科研團隊驚喜地發現，這種手性銅的氰化物不僅可以精準地將「詞根」氰基接到被「擦除」了氫的位置上，而且還可以調控氮自由基的活性，使其變得更加容易控制，有利於將有機分子中的「字母」氫定點「擦除」。
通過與香港科技大學林振陽教授課題組合作，銅的氰化物對氮自由基的調控是通過銅與含硫磺胺的氮自由基發生配位來實現的，由此來調節氮自由基的攫氫能力和選擇性，使其成為可以精確制導的分子「剪刀」，在眾多相似烯丙位碳氫鍵的有機分子上剪切其中一個特定位點的氫原子。
「這個發現對於新藥研發、製藥，以及很多高級化工品的生產，都會帶來很大的改變。」
接下來，研究團隊將循著目前發現的金屬調控氮自由基選擇性攫氫的新機制，尋找更多的分子工具去操縱分子「剪刀」，實現有機分子的精準編輯，推動有機化學合成進入更加綠色、環保、高效的時代。
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