碳?xì)滏I（C-H）是最常見的一種化學(xué)鍵，比如在石油和塑料中，三分之二的化學(xué)鍵是碳?xì)滏I。一直以來，這些碳?xì)渲g的緊密聯(lián)系阻礙了化學(xué)家試圖將它們斷開的企圖，為給碳基分子添加新的附加功能帶來了重重困難。
對碳?xì)滏I進行有針對性的添加的反應(yīng)被稱為碳?xì)滏I活化反應(yīng)，這是一項困擾化學(xué)家已久的挑戰(zhàn)，因為碳?xì)滏I是分子中不活潑的部分，如果能夠成功做到這一點，那將是一件讓眾多化學(xué)研究者為之欣喜的事。
雖然在過去的幾十年中，有機化學(xué)和無機化學(xué)都有了長足的進展，但目前仍沒有任何試劑或催化劑能夠讓化學(xué)家可以在最強的碳?xì)滏I中塞入任何東西。
現(xiàn)在，加州大學(xué)伯克利分校的一個化學(xué)家團隊經(jīng)過近25年的努力，成功地做到了讓各種不同類型的碳?xì)滏I完全斷裂，為合成大量新的有機分子打開了大門。
與碳?xì)滏I“較勁”是加州大學(xué)伯克利分校的“優(yōu)良傳統(tǒng)”。1982年，化學(xué)教授Robert Bergman首次證明了銥（Ir）原子可以打破有機分子中的碳?xì)滏I，它能將自己置于碳和氫之間，并在碳?xì)渲g附著一個配體。
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Robert Bergman，加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)系教授（已退休）
然而，Bergman的發(fā)現(xiàn)并不適用于現(xiàn)實操作，因為它需要每個碳?xì)滏I的斷裂都要有一個銥原子存在。十年后，其他研究人員發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以用銥和其他過渡金屬（如鎢）作為催化劑，達到用一個原子就可以破壞數(shù)百萬個碳?xì)滏I的效果。
20世紀(jì)80年代末，現(xiàn)任加州大學(xué)伯克利分校有機化學(xué)教授的John Hartwig還是Bergman的一名研究生，他研究的也是不活潑的碳?xì)滏I。2000年，他在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，描述了如何使用一種基于金屬銠（Rh）的催化劑，在位于分子末端的碳?xì)滏I中插入硼（B）。這種方法的優(yōu)勢在于，一旦硼被成功插入，就可以很容易地被替換成其他化合物。
之后，研究人員對反應(yīng)進行了不斷的改進，反應(yīng)中所涉及的金屬也從銠變成了銥。這種催化反應(yīng)也開始被一些制藥公司所采用，通過修改不同類型的碳?xì)滏I來合成藥物。
但是，問題仍然存在，當(dāng)碳鏈末端的碳?xì)滏I是甲基（-CH?）時，反應(yīng)效率非常低下。比如說，將甲烷（CH?）轉(zhuǎn)化為甲醇（CH?OH）就是一個一直難以實現(xiàn)的夢想。
甲基中的碳與三個氫原子相連，這個基團通常位于分子鏈的末端。甲基中的碳?xì)滏I是最強的碳?xì)滏I，它們所含的電子最少，反應(yīng)活性最低。
5月15日，Hartwig與他的團隊再次在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了最新的一個進展，他們設(shè)計了一種新的催化劑，終于攻破了這種“最牢固”的碳?xì)滏I。
新研究所使用的是一種基于銥的新型催化劑。反應(yīng)中，銥?zāi)軘嚅_末端甲基中的三個碳?xì)滏I中的一個，換句話說，它能剪下一個末端的氫原子，然后插入一個硼化合物，這種硼化合物可以輕易地被其他更復(fù)雜的化學(xué)基團所取代。
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?圖中的黑色小球代表碳原子，圖中央顯示的是一種以銥（藍(lán)）為基礎(chǔ)的催化劑，它可以將位于分子末端的甲基（黃）中的一個氫原子（白）剪下，添加上一種硼化合物（粉和紅）。這種化合物可以被替換成更復(fù)雜的化學(xué)基團。圖中的上部分顯示的是發(fā)生在簡單的碳?xì)浠衔镦溕系姆磻?yīng)；底部顯示的是發(fā)生在更復(fù)雜的碳化合物上的反應(yīng)。| 圖片來源：John Hartwig / UC Berkeley
這種新的催化劑非常易于操作，它所產(chǎn)生的催化反應(yīng)幾乎能讓將各種化學(xué)物質(zhì)附著在任何類型的碳?xì)滏I上，反應(yīng)效率是之前催化劑的50到80倍。有了這種催化劑，化學(xué)家就能夠更快地制造出之前不太愿意去嘗試制造的分子。并不是說這些分子在過去無法被制造，只是它們可能需要過長的制造時間，或者所需的研究成本過大。
為了證實這種新的催化反應(yīng)的實用性，在實驗中，研究人員用這項技術(shù)將一種硼化合物添加到了63種分子結(jié)構(gòu)不同的末端碳原子上。接著，硼化合物被替換成了任意數(shù)量的化學(xué)基團。結(jié)果表明，雖然這是一種專門針對末端碳?xì)滏I的反應(yīng)，但當(dāng)分子末端沒有碳?xì)滏I時，它也可以作用于其他位置的碳?xì)滏I。
這項技術(shù)可以帶來巨大的回報。碳?xì)浠衔锸窃S多工業(yè)過程的關(guān)鍵組成，每年都有近10億磅的碳?xì)浠衔锉挥糜诠I(yè)制造溶劑、制冷劑、阻燃劑、藥物合成等等。
有了這種新型的催化劑，化學(xué)家可以通過對自然界中具有某些固有生物活性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行微小的結(jié)構(gòu)調(diào)整，從而達到改變或增強這種生物活性的目的。它的一個潛在應(yīng)用就是改造那些來自動植物的具有某些特殊功效的天然化合物，使這些化合物的某種屬性變得更好。除此之外，這項技術(shù)還有利于化學(xué)家在有機分子的末端添加新的化學(xué)基團，聚合成前所未有的長鏈分子。
Hartwig表示，目前的成果還只是初步的。由于反應(yīng)的最終產(chǎn)物的產(chǎn)率并不穩(wěn)定，因此Hartwig認(rèn)為這還有很大的改進空間，也這意味著他們還需要繼續(xù)制造出更好的催化劑。
參考來源：
https://news.berkeley.edu/2020/05/21/scientists-finally-crack-natures-most-common-chemical-bond/
