一种有机催化剂为化学家在激活烃的关键步骤上提供了精细的控制。
一种有机催化剂为化学家在激活烃的关键步骤上提供了精细的控制。
来自日本北海道大学的研究人员在有机化学方面取得了重大进展，创造了一种激活烷烃的创新方法，烷烃是化学工业中的重要化合物。该创新方法在《科学》杂志中详细介绍，简化了将这些基础材料转化为有用化合物的过程，为制药和先进材料的生产改进铺平了道路。
烷烃是化石燃料的关键组成部分，同时也是塑料、溶剂和润滑剂等各种化学品和材料的重要构建模块。然而，它们强健的碳-碳键导致了显著的稳定性和惰性，这对希望将其转化为更功能性物质的化学家来说构成了挑战。为了克服这一障碍，研究人员主要集中在环丙烷上——一种特殊类型的烷烃，其环状构型增加了其相较于其他烷烃的反应性。
当前大多数用于分解长链烷烃的方法，称为裂解，产生了各种混合分子，使得目标产品的分离变得复杂。这个问题源于反应中间体——一个碳阳离子，其碳原子与五个基团相连，而不是通常化学教科书中所示的三个基团。因此，它变得极为反应性且在选择性方面难以控制。
研究团队发现，某类叫做亚氨基膦酸的受限手性布朗斯特酸（IDPi）能够解决这一困境。IDPi 是一种强酸，能够捐赠质子以激活环丙烷并促进其在受限环境中的选择性分解。这种在有限活性位点中捐赠质子的独特能力增强了对反应路径的控制，从而在生成有价值产品方面提高了效率和选择性。
“通过使用这一类特殊的酸，我们创建了一个受控环境，使环丙烷能够分解为烯烃，同时保持生成分子中原子的精确排列，”主导该研究的本杰明·利斯特教授说道，他与北海道大学化学反应设计与发现研究所的辻信也副教授共同开展了此项目，并与马普化学研究所及北海道大学有合作关系。“这种精确度，称为立体选择性，在制药等领域至关重要，分子的确切结构会极大影响其功能。”
该方法的有效性来自于催化剂在反应过程中稳定独特的临时结构的能力，引导这一过程朝着所需产品发展，同时减少不必要的副产品。为了加强他们的策略，研究人员系统地改进了催化剂的设计，从而带来更好的结果。
“我们对催化剂某些部分进行的调整使我们能够产生更多所需产品和特定分子形式，”研究共同作者、辻信也副教授解释道。“通过采用先进的计算模拟，我们能够可视化酸与环丙烷之间的相互作用，有效引导反应朝向所期望的结果。”
团队还将他们的方法应用于一系列化合物，展示了其将不仅特定类型的环丙烷转化为有价值产品的能力，还能够将更复杂的分子转化为有价值产品。
这一新颖的方法不仅提高了化学反应的效率，还为从易得的烃源合成有价值化学品开辟了新的途径。精确操控最终产品中的原子排列的能力，可能导致针对各种应用（从制药到尖端材料）创建有针对性的化学品。
