这句话的意思是:“给某人打一针强心针,让他从事疫苗研究

虽然肥皂的配方——在碳氢键中插入一个氧原子——听起来很简单,但碳氢键就像粘在头发上的口香糖一样难以扯开。但是,既然它们不仅仅是肥皂的基础,找到一种打破这一顽固组合的方法,可能会彻底改变化学工业生产从药品到家庭用品等一切产品的方式。

现在,哈佛大学康奈尔大学的研究人员已经做到了这一点。他们已经发现了如何被动copper-nitrene催化剂——就像花生酱用来放松口香糖对头发的控制,推动化学反应发生,可以将其中的一个强有力的碳氢键转换为碳氮键,化学合成的有价值的构建块。

科特斯Carsch在《科学》杂志上发表的一篇论文,博士生的化学系在艺术与科学研究生院,泰德Betley,化学,欧文教授凯尔兰开斯特,在康奈尔大学化学副教授,和他们的合作者团队描述不仅反应copper-nitrene催化剂如何执行它的魔力,而且如何瓶工具产品,如溶剂、洗涤剂、染料和更少的浪费,能源,和成本。

工业通常通过一个多步骤的过程来铸造这些产品(胺)的基础。首先,原料烷烃被转化为活性分子,通常使用高成本,有时有毒的催化剂。然后,转化后的底物交换一个化学基团,这通常需要一个全新的催化系统。避免这一步,而是立即将所需的功能直接插入到起始材料中,可以减少整个材料,甚至可能降低整个过程的毒性。

这就是Betley和他的团队的目标:找到一种可以跳过化学步骤的催化剂。尽管半个多世纪以来,研究人员一直在寻找一种反应性铜-硝基催化剂的确切组成,但这对电子的确切形成仍然未知。“电子就像房地产。位置决定一切。

兰卡斯特说:“电子在分子中的分布与其反应活性密切相关。利用x射线光谱学来寻找光子被吸收的能量——电子缺失的标志——他们在氮上发现了两个截然不同的洞。

他补充说:“氮的这种味道——你失去了这两个电子——几十年来一直与反应活性有关,但没有人为这种物种提供直接的实验证据。”

他们现在。通常,如果一个铜原子和一个氮原子结合,它们都会失去一些电子,形成共价键,在共价键中,它们平等地共享电子。“在这种情况下,”贝特利说,“氮上有两个孔,所以它有两个自由基,它只是被一个孤对电子束缚在铜上。”

这种结合可以防止挥发性硝基化合物迅速挥发,并对任何阻碍它的物质进行破坏性的化学反应。例如,当一个人的腿被划伤时,身体会释放出一种活性氧,类似于这些氮自由基。但是当活性氧攻击入侵的寄生虫或病原体时,它们也能破坏DNA。

因此,为了控制活性硝基,第一作者Carsch以配体的形式建造了一个巨大的笼子。配位体——像有机灌木一样围绕着铜-硝基对——保持了催化剂的完整性。当他砍掉灌木丛,引入另一种物质,比如碳氢键时,燃烧的丁烯就开始起作用了。

贝特利称这种催化剂是一把万能钥匙,它有可能打开化学键,否则化学键会非常强,无法用于合成。他说:“希望我们能制造出这些化学物质,它们的反应性非常强,能把我们身边最惰性的物质变成我们可以利用的东西。”“这将非常非常有力。”

当Carsch第一次制造这种分子时,“他简直高兴得蹦蹦跳跳,”Betley说。而他的研究结果只会变得更加有趣:尽管“分子没有权利保持稳定”,但硝基化合物的反应比预期的要好,而且其成键结构看起来与过去60年研究中提出的任何设计都不同。“如果我们一开始就提出,我想人们会嘲笑我们。”

尽管自从2007年贝特利建立了他的实验室以来,他一直在追逐这种难以捉摸的物种——兰开斯特称之为“大型猎物狩猎”——但比起获奖的科学成果,他更为他的合作者感到自豪。他说:“看到库尔提斯和我的其他学生对自己能做出来的东西充满热情,我感到非常高兴。”卡尔施面临着批评和化学壁垒,但他仍然坚持了下来。“我很高兴他这么固执,和我一样固执,”贝莉说。它们可能都像现在能够打破的纽带一样顽固。

接下来,该团队可以从这个新设计中获得灵感,来构建具有更广泛应用的催化剂,比如模仿自然界将危险的甲烷转化为甲醇的方式。兰开斯特说:“真正的圣杯应该是说,‘好吧,那个碳氢键,这个分子中的那个特殊键,我想把它变成碳- n键或碳- o键。’”这可能是一个遥远的目标,但他所谓的“梦之队”可能是寻找解决方案的正确人选。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/09/how-an-elusive-catalyst-makes-unusual-reactions-happen/

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