
探索催化規(guī)律與本質(zhì),反應(yīng)控制讓化學(xué)合成更簡單
在化工、釀造、制藥等行業(yè)生產(chǎn)中,高選擇性催化劑等反應(yīng)控制技術(shù)正起著越來越重要的作用。但對生產(chǎn)生活的需要而言,人們對化學(xué)反應(yīng)中選擇性控制的認(rèn)識和掌握程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠??茖W(xué)家們正在尋找更多更好的高效、高選擇性反應(yīng)控制方法,并力圖發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律,提高對化學(xué)反應(yīng)控制的能力。
在國家自然科學(xué)基金的支持下,以中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所研究員侯雪龍為負(fù)責(zé)人,包括中科院大連化學(xué)物理研究所研究員周永貴、中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所副研究員王正在內(nèi)的項(xiàng)目組對有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中的選擇性控制進(jìn)行了探索。他們圍繞影響有機(jī)反應(yīng)選擇性的若干重要因素及規(guī)律,在有機(jī)合成方法學(xué)、反應(yīng)選擇性控制的理論和實(shí)踐方面均取得了重要進(jìn)展。該項(xiàng)目結(jié)題時(shí),被國家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織的專家評審組綜合評價(jià)為優(yōu)秀。
重要的催化選擇性
催化劑在工業(yè)上也稱為觸媒,它能誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生改變,從而使化學(xué)反應(yīng)變快、減慢,或者在較低的反應(yīng)條件要求下進(jìn)行。在化工、釀造、制藥等行業(yè),在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生命活動(dòng)中,催化劑被廣泛地使用。
催化劑和反應(yīng)體系的關(guān)系就像鎖與鑰匙的關(guān)系一樣,具有高度的選擇性(或?qū)R恍裕?,一種催化劑并非對所有的化學(xué)反應(yīng)都有催化作用。如乙醇在高溫時(shí)可脫氫轉(zhuǎn)變成乙醛,亦可脫水轉(zhuǎn)變成乙烯,銀催化劑能促進(jìn)前一反應(yīng),氧化鋁催化劑則促進(jìn)后一反應(yīng)。工業(yè)上則利用催化選擇性使原料向指定的方向轉(zhuǎn)化,減少副反應(yīng)。
在能發(fā)生多種反應(yīng)的反應(yīng)系統(tǒng)中,催化劑促進(jìn)不同反應(yīng)的程度也不同。例如在石油化工的粗制乙烯中含有少量乙炔,可用催化加氫法使乙炔轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚁康姆磻?yīng)),但乙烯也能加氫生成乙烷(副反應(yīng)),導(dǎo)致產(chǎn)品乙烯損失,催化劑的選擇性則是乙炔轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚁┑姆磻?yīng)速度和乙烯轉(zhuǎn)變?yōu)橐彝榈姆磻?yīng)速度的比值。生產(chǎn)中采用具有良好催化選擇性的加氫催化劑,使乙炔加氫的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于乙烯加氫的速度。在化學(xué)反應(yīng)中,不同催化劑對反應(yīng)中轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟óa(chǎn)物的比率也不同。如乙烯與氧可轉(zhuǎn)化成環(huán)氧乙烷,也可轉(zhuǎn)化成二氧化碳與水。使用優(yōu)良的銀催化劑可使環(huán)氧乙烷成為主要產(chǎn)物。
“通常改變化學(xué)反應(yīng)溫度、濃度、酸堿度等條件,可以對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行控制。我們所做的是特定條件的反應(yīng)控制?!焙钛堈f,“簡單說,比如我們要研制一種新藥或設(shè)計(jì)一個(gè)有用的分子,假設(shè)在合成反應(yīng)中會(huì)出現(xiàn)兩種產(chǎn)物,A和B。如果我們想要的是A,B是有害或無用的副產(chǎn)品,我們就要通過對反應(yīng)條件的了解,對反應(yīng)進(jìn)行控制,定向地得到A或盡可能多地得到A。這就是我們的研究目的?!?/P>
更簡單、經(jīng)濟(jì)地合成
“在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中,這種選擇性控制很多,有立體選擇,也包括在不對稱催化反應(yīng)中手性的問題等。我們利用催化劑與底物之間氫鍵、配體的電子效應(yīng)變化,以及配體取代基的不同等因素來控制反應(yīng)。從而達(dá)到節(jié)約資源和減輕化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)品污染的目的?!焙钛堈f。
不對稱氫化是在手性催化劑存在下,氫氣選擇性加成到碳碳或碳雜原子雙鍵上生成手性化合物的過程。這是一個(gè)具有高原子經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好和工業(yè)上應(yīng)用最多的一類不對稱反應(yīng),但要?dú)浠鄠€(gè)雙鍵和破壞芳香性,而且要克服底物和催化劑結(jié)合困難等。周永貴小組發(fā)展了兩類活化策略進(jìn)行含氮芳香化合物的不對稱氫化:一條是利用分子碘活化催化劑生成高活性的催化物種,實(shí)現(xiàn)了喹啉和部分吡啶的不對稱氫化,對映選擇性達(dá)到96%;第二條是利用氯代物活化底物的策略,實(shí)現(xiàn)了喹啉和異喹啉的不對稱氫化,利用上述方法學(xué)作為關(guān)鍵步驟完成了一系列喹啉和異喹啉生物堿的全合成,為手性含氮雜環(huán)和手性胺類化合物的合成提供了新的有效方法,也為進(jìn)一步發(fā)展新的不對稱氫化反應(yīng)提供了有益的參考。
探索催化的科學(xué)規(guī)律和本質(zhì)
在國家自然科學(xué)基金的支持下,侯雪龍、周永貴等人在部分反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)的非對映選擇性以及對映選擇性的調(diào)控。在烯醇羧酸酯等不對稱催化氫化和一些氧化反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了高對映選擇性控制。他們利用底物活性調(diào)節(jié)和改變催化劑中心金屬原子,在芳香化合物和亞胺的不對稱催化氫化中實(shí)現(xiàn)了高對映選擇性控制。研究人員通過配體、底物的改變實(shí)現(xiàn)了鈀催化下酰胺、開鏈酮等“硬”親核試劑的烯丙基取代、環(huán)丙烷化反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)拆分,并實(shí)現(xiàn)了這些反應(yīng)的高區(qū)域選擇性、非對映選擇性以及對映選擇性控制。并對氫鍵、配體電子效應(yīng)、配體芐位取代基與選擇性的關(guān)系、作用方式和途徑提出了合理解釋。
該項(xiàng)目實(shí)施期內(nèi),發(fā)表SCI論文55篇,其中包括發(fā)表在Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.上近20篇高水平論文。該研究申請專利9項(xiàng),在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議上作大會(huì)報(bào)告和邀請報(bào)告19次,培養(yǎng)博士、碩士生多名。去年該項(xiàng)目結(jié)題時(shí),專家組一致認(rèn)為部分研究成果在某些方面已走在世界前沿,產(chǎn)生了重要的國際影響力,因此綜合評價(jià)為優(yōu)秀。
“目前全世界都認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)中選擇性控制的重要,很多人都在進(jìn)行這方面的探索,也找到一些不同的方法。但基礎(chǔ)研究要探討一些規(guī)律性的東西,來指導(dǎo)一類反應(yīng),為將來醫(yī)藥研發(fā)、精細(xì)化學(xué)以及對一些環(huán)境污染較大的生產(chǎn)工藝改進(jìn)等提供關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)?!焙钛堈f,“現(xiàn)在通過分子有機(jī)合成的新藥很多,合成的方法也很多,但并不能滿足我們的需要,所以還要尋找更多的方法,同時(shí)在這一過程中總結(jié)規(guī)律,加深認(rèn)識,并用它來指導(dǎo)我們以后的實(shí)踐。我們目前對一些東西有了新的認(rèn)識,但并不能說就掌握了其中的規(guī)律,用最簡單、經(jīng)濟(jì)、方便的方法得到一種東西,并節(jié)約資源和減輕污染都是大家努力的方向?!?/DIV>附件下載:

