中山大學新聞網訊（通訊員陳昱昀）在一個有機分子中，C-H（碳-氫）鍵是基本的結構單元。如果能夠選擇性地對某一個位置上的C-H鍵進行活化，就能極大減少反應過程中的非必要廢棄物，還能高效地將烷烴等大宗石油化工原料轉化成附加值更高的精細化學品。這個問題一直是有機化學中的挑戰，被譽為有機化學的“圣杯”。
2月2日，中山大學化學學院胡鵬教授團隊報告了一種光催化分子間自由基采樣方法，在惰性的C-H鍵的化學轉化層面實現了“百步穿楊”、“精確制導”。這種轉化方式條件簡單、環境友好，能夠大大縮短反應步驟，不僅可以生成附加值更高的精細化學品，還可以用于生物活性分子的快速精準后期修飾，有望加快藥物的研發。該成果在最新一期《科學》雜志（Science）刊發，論文作者共三人均來自中山大學。
控制反應的選擇性，是這個問題的難點。對于直鏈烷烴來說，它的各個C-H鍵之間化學性質十分相似，且都較為惰性。使用低活性的試劑就無法活化烷烴，而使用高活性的試劑可能會同時“喚醒”所有的C-H鍵。“目前直接對惰性烷烴進行選擇性改性仍然是一個巨大的挑戰，只有少數使用貴金屬催化劑的開創性研究取得了成功。”胡鵬教授說。
然而，實現選擇性催化是面向未來的化學反應的核心要求。低選擇性的催化反應會產生一個或多個副產物，從而導致不必要的廢棄物或環境不友好的過程，不利于可持續發展。在烷烴的生成加工中，工廠一般在比較劇烈的催化條件下，通過多步反應才能得到預定的產物。這個過程會產生大量廢料和能量消耗，總體效率低下，帶來較大的環境負擔。
論文的第一作者王淼介紹道，團隊使用了多種化合物進行實驗，其中，在生活中應用最廣也是生產體量最大的是汽油，它的成分主要是簡單烷烴。團隊通過對烷烴C-H鍵的選擇性硼基化，將汽油變成了易于反應的精細化學品，使它不僅僅作為燃料簡單使用。
根據以往的機理研究，團隊先活化烷烴某個特定位置上的C-H鍵，再進行反應，發現這種模式的選擇性效果不盡人意。
通過多次實驗，團隊探索出一種新的反應模式，機理研究表明，這種反應可以發生可逆的氫原子轉移（HAT）過程。先對C-H鍵進行無差別的活化，生成各類自由基中間體后，再通過反應試劑的位阻效應，選擇性識別特定的自由基并進行反應，其他未反應的自由基則重新變回為烷烴原料。這種新方法大大降低了C-H鍵選擇性官能團化的難度。
在該研究中，團隊主要對末端C(sp3)-H鍵進行硼基化反應。“通過硼基化合物——有機反應最廣泛使用的合成砌塊之一——的已知反應，我們可以進一步構建出結構多樣、功能復雜的不同化合物，應用于不同的場合。”胡鵬教授說。
鐵是地球上豐度最高的金屬元素之一，廉價易得，存在形式也很豐富。光能是自然界最廣泛的能量供給模式，在實驗室里也容易實現。“我們的方法條件溫和，能夠在實驗室級別放大制備規模，并且有較高的底物適用性，可以兼容烯烴、炔烴、氯、溴、酯等容易進一步轉化的官能團。”論文作者黃雅豪說。
胡鵬教授課題組致力于用簡單、高效的廉價催化體系實現惰性鍵的選擇性斷裂反應，實現環境友好的分子剪切和轉化，做綠色、經濟的“分子園藝”。在此基礎上，團隊還嘗試了C-H鍵和C-C鍵斷裂的一系列反應，初步實現了塑料降解、醇的斷鍵反應等化學變化。
胡鵬教授表示，我們希望進一步發展這個體系，實現各種有挑戰性的化學反應，構建起一件又一件趁手的分子剪切工具，實現我們“分子花園”的夢想。
文章得到國家自然科學基金，廣東省“珠江人才計劃”，廣東省高等學校功能分子工程基礎研究卓越中心，中山大學綠色化學與分子工程研究院和Lehn功能材料研究所的支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj9258
