侯雪龙等探索催化规律与本质 反应控制让化学合成更简单

2011-1-31 10:07 来源: 科学时报
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  在化工、酿造、制药等行业生产中,高选择性催化剂等反应控制技术正起着越来越重要的作用。但对生产生活的需要而言,人们对化学反应中选择性控制的认识和掌握程度还远远不够。科学家们正在寻找更多更好的高效、高选择性反应控制方法,并力图发现其中的规律,提高对化学反应控制的能力。

  在国家自然科学基金的支持下,以中科院上海有机化学研究所研究员侯雪龙为负责人,包括中科院大连化学物理研究所研究员周永贵、中科院上海有机化学研究所研究员王正在内的项目组对有机化学反应中的选择性控制进行了探索。他们围绕影响有机反应选择性的若干重要因素及规律,在有机合成方法学、反应选择性控制的理论和实践方面均取得了重要进展。该项目结题时,被国家自然科学基金委员会组织的专家评审组综合评价为优秀。

  重要的催化选择性

  催化剂在工业上也称为触媒,它能诱导化学反应发生改变,从而使化学反应变快、减慢,或者在较低的反应条件要求下进行。在化工、酿造、制药等行业,在科学实验和生命活动中,催化剂被广泛地使用。

  催化剂和反应体系的关系就像锁与钥匙的关系一样,具有高度的选择性(或专一性),一种催化剂并非对所有的化学反应都有催化作用。如乙醇在高温时可脱氢转变成乙醛,亦可脱水转变成乙烯,银催化剂能促进前一反应,氧化铝催化剂则促进后一反应。工业上则利用催化选择性使原料向指定的方向转化,减少副反应。

  在能发生多种反应的反应系统中,催化剂促进不同反应的程度也不同。例如在石油化工的粗制乙烯中含有少量乙炔,可用催化加氢法使乙炔转变为乙烯(目的反应),但乙烯也能加氢生成乙烷(副反应),导致产品乙烯损失,催化剂的选择性则是乙炔转变为乙烯的反应速度和乙烯转变为乙烷的反应速度的比值。生产中采用具有良好催化选择性的加氢催化剂,使乙炔加氢的速度远远高于乙烯加氢的速度。在化学反应中,不同催化剂对反应中转变为特定产物的比率也不同。如乙烯与氧可转化成环氧乙烷,也可转化成二氧化碳与水。使用优良的银催化剂可使环氧乙烷成为主要产物。

  “通常改变化学反应温度、浓度、酸碱度等条件,可以对化学反应进行控制。我们所做的是特定条件的反应控制。”侯雪龙说,“简单说,比如我们要研制一种新药或设计一个有用的分子,假设在合成反应中会出现两种产物,A和B。如果我们想要的是 A,B是有害或无用的副产品,我们就要通过对反应条件的了解,对反应进行控制,定向地得到A或尽可能多地得到A。这就是我们的研究目的。”

  更简单、经济地合成

  “在有机化学反应中,这种选择性控制很多,有立体选择,也包括在不对称催化反应中手性的问题等。我们利用催化剂与底物之间氢键、配体的电子效应变化,以及配体取代基的不同等因素来控制反应。从而达到节约资源和减轻化学反应副产品污染的目的。”侯雪龙说。

  不对称氢化是在手性催化剂存在下,氢气选择性加成到碳碳或碳杂原子双键上生成手性化合物的过程。这是一个具有高原子经济性、环境友好和工业上应用最多的一类不对称反应,但要氢化多个双键和破坏芳香性,而且要克服底物和催化剂结合困难等。周永贵小组发展了两类活化策略进行含氮芳香化合物的不对称氢化:一条是利用分子碘活化催化剂生成高活性的催化物种,实现了喹啉和部分吡啶的不对称氢化,对映选择性达到96%;第二条是利用氯代物活化底物的策略,实现了喹啉和异喹啉的不对称氢化,利用上述方法学作为关键步骤完成了一系列喹啉和异喹啉生物碱的全合成,为手性含氮杂环和手性胺类化合物的合成提供了新的有效方法,也为进一步发展新的不对称氢化反应提供了有益的参考。

  探索催化的科学规律和本质

  在国家自然科学基金的支持下,侯雪龙、周永贵等人在部分反应中实现了反应的非对映选择性以及对映选择性的调控。在烯醇羧酸酯等不对称催化氢化和一些氧化反应中实现了高对映选择性控制。他们利用底物活性调节和改变催化剂中心金属原子,在芳香化合物和亚胺的不对称催化氢化中实现了高对映选择性控制。研究人员通过配体、底物的改变实现了钯催化下酰胺、开链酮等“硬”亲核试剂的烯丙基取代、环丙烷化反应及动力学拆分,并实现了这些反应的高区域选择性、非对映选择性以及对映选择性控制。并对氢键、配体电子效应、配体苄位取代基与选择性的关系、作用方式和途径提出了合理解释。

  该项目实施期内,发表SCI论文55篇,其中包括发表在《化学研究评述》、《美国化学会志》、《应用化学》上近20篇高水平论文。该研究申请专利9项,在国内外学术会议上作大会报告和邀请报告19次,培养博士、硕士生多名。去年该项目结题时,专家组一致认为部分研究成果在某些方面已走在世界前沿,产生了重要的国际影响力,因此综合评价为优秀。

  “目前全世界都认识到化学反应中选择性控制的重要,很多人都在进行这方面的探索,也找到一些不同的方法。但基础研究要探讨一些规律性的东西,来指导一类反应,为将来医药研发、精细化学以及对一些环境污染较大的生产工艺改进等提供关键的基础技术。”侯雪龙说,“现在通过分子有机合成的新药很多,合成的方法也很多,但并不能满足我们的需要,所以还要寻找更多的方法,同时在这一过程中总结规律,加深认识,并用它来指导我们以后的实践。我们目前对一些东西有了新的认识,但并不能说就掌握了其中的规律,用最简单、经济、方便的方法得到一种东西,并节约资源和减轻污染都是大家努力的方向。”