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中科大科研團隊發現廉價簡潔可見光催化體系
2019-04-01 中國科學技術大學

中國科大科研團隊發現廉價簡潔可見光催化體系

有望促進有機合成新藥規模化生產

  脫去羧基,將自由基片段從羧基的緊密束縛中釋放出來,是有機合成尤其是新藥合成領域最受關注和最有前景的方向之一。全世界科學家們設計各種催化劑來嘗試挑戰,中國科大的青年科學家團隊獨辟蹊徑,發明一種廉價簡潔的催化劑體系,成果以研究長文的形式3月29日在線發表在國際權威期刊《Science》上。    

  圖片說明:自由基“大圣”變化多端,能力絕倫,然而被羧基“大山”緊壓。當前主要類型的光催化體系結構復雜、成本高昂。新型催化劑另辟蹊徑,采用新機理,讓廉價的催化劑與羧基結合,推動氧化還原反應循環,輕松地解救出“自由基”。(崔劼 圖)

  羧酸化合物在生活和生產中占據著重要地位,我們身邊很多耳熟能詳的物質都是羧酸化合物,比如構成蛋白質的基本物質氨基酸、食用醋的重要成分乙酸等。

  將羧酸化合物中的羧基脫去,產生的自由基片段,在材料、制藥等行業中都有重要用途。傳統的脫羧方法往往是在高溫下進行,這種方法會產生數量眾多、種類不明的各種副產品,導致最終產品無法在產業中方便使用。

  近年來,科學界嘗試使用光催化反應的手段實現脫羧轉化,利用光照來激發電子躍遷,進而通過電子轉移過程產生自由基片段,實現在溫和條件下化學鍵的斷裂與重組。相比于傳統的加熱反應,具有操作簡單、易于控制和節能環保等優點。光催化體系已成功應用于多種復雜功能分子的合成,展現出突出的催化合成價值和工業應用潛力。

  然而,目前光催化劑的類型主要為貴金屬配合物(如銥、釕等)或有機染料,結構復雜且價格昂貴。這使得光催化工業體系成本高昂,流程復雜,控制難度大。因此,開發新型廉價多功能的光催化體系已經成為未來發展的重要方向。

  中國科大研究團隊首次提出了基于可見光激發的分子間電荷轉移用于光氧化還原催化的新概念,發現了一種簡單易得、高效環保的非金屬陰離子復合物光催化體系,僅僅使用廉價的碘化鈉、三苯基膦(彩色膠卷顯象的抗氧劑)和羧酸酯原料的三者的協同反應,成功實現了脂肪羧酸衍生物脫羧反應。

  該催化體系可以驅動氧化還原循環,簡化光催化體系,降低光催化劑成本。利用該體系,中國科大傅堯和尚睿研究團隊成功將多種天然、非天然氨基酸脫去羧基官能團,該反應在產量達到克級規模時仍可保持較高的催化效率,這也意味著產業化的可行性。

  這種新型光催化體系大大降低了催化劑成本,成功實現了溫和條件下一系列重要的脫羧脫胺偶聯反應,突破了傳統反應的限制,解決了過渡金屬在功能化合物和藥物合成中殘留等問題,為生物質羧酸分子轉化、手性藥物合成和多肽修飾提供了新的手段,具有重要的合成化學價值和良好的工業應用前景。

  該工作得到《科學》審稿人的高度評價:“這個工作可能會在光氧化還原催化領域引發新的研究方向,基于鹽、膦以及電子受體的三組份組成氧化還原活性配合物,從而避免傳統的過渡金屬或者復雜的染料催化劑”,“這項工作給我們提供了一個非常有趣的概念:在不需要昂貴的過渡金屬或者有機染料的作用下實現脫羧烷基化轉化的方法,這對許多合成化學家來說可能是個好消息,催化體系非常簡單、具有很好的應用前景,許多化學家將很快會使用該方法解決一些合成上的問題。”

  相關論文信息:DOI:10.1126/science.aav3200

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