眾所周知,水是通用溶劑,能夠溶解多種化學(xué)物質(zhì)。但在化學(xué)實驗室中,所選擇的溶劑幾乎都是有機的。水與多種不同類型的分子發(fā)生反應(yīng),科學(xué)家無法從復(fù)雜的反應(yīng)中得到良好的結(jié)果,許多有機合成化學(xué)家將水視為一種危害。近日,美國化學(xué)會ACS C&EN新聞欄刊登了“For organic chemists, micellar chemistry offers water as a solvent”一文,特別強調(diào)了膠束化學(xué)對有機合成的新發(fā)展。

【膠束與膠束化學(xué)】

在過去的幾年中,一小群化學(xué)家一直嘗試在水中化學(xué)合成。膠束是由具有水溶性頭和油溶性尾的表面活性劑分子自組裝而成。在水中,表面活性劑形成球形,其水溶性頭朝外,而油溶性尾端向內(nèi),形成膠束微球,從而形成一個有機分子反應(yīng)區(qū)域,這些顆粒的內(nèi)部環(huán)境對有機分子很友好,它們就像微小的燒瓶,在有機反應(yīng)時并將有機分子與周圍的水分子隔離。

膠束化學(xué)(通常是水中的化學(xué))比在有機溶劑中進行相同的反應(yīng)更具環(huán)境友好性,而有機溶劑中的許多物質(zhì)是有毒的,且有機溶劑占藥物分子制造過程中產(chǎn)生廢物的50%-80%。而膠束化學(xué)的好處遠不只是綠色,它還使反應(yīng)具有更高收率、反應(yīng)條件更溫、副產(chǎn)物更少。不少科學(xué)家堅信這可以改變合成化學(xué)的世界。

把“有機合成?”搬到水里?

膠束(顯示出切面圖)通常能夠?qū)崿F(xiàn)在水中無法發(fā)生的反應(yīng),例如這種Pd催化的Buchwald-Hartwig胺化反應(yīng)。(紅色=溴,藍色= 氮)

自然界在早于人類在水中制造分子?!皵?shù)十億年的時間里,自然界已經(jīng)優(yōu)化水中各種反應(yīng),比如,Krebs循環(huán)在細胞(主要是水)中進化,并通過分解有機分子來產(chǎn)生化學(xué)燃料。” 相比之下,化學(xué)家只有一個至兩個世紀(jì)的時間來優(yōu)化化學(xué)反應(yīng),仍然需要大量時間、精力和金錢來理解和完善在有機溶劑中的反應(yīng)。在化學(xué)實驗室中,溶劑也具有某種惰性,要改變這種惰性是極其困難的。

Bruce Lipshutz論述了在膠束中進行的合成化學(xué)。加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的化學(xué)家于2008年開始研究,證明膠束化學(xué)與烯烴交叉復(fù)分解反應(yīng)兼容,該反應(yīng)通常在二氯甲烷等有機溶劑中進行(Org.Lett. 2007,DOI:10.1021 / ol800028x)。此后,他開始研究其他一些常見的合成反應(yīng),例如Sonogashira偶聯(lián)(Org.Lett. 2008,DOI:10.1021 / ol801471f),Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)(Org.Lett. 2008,DOI:10.1021 / ol801712e),和光催化反應(yīng)(Green Chem. 2018,DOI:10.1039 / C7GC03866F)。路易斯維爾大學(xué)的Sachin Handa用膠束化學(xué)執(zhí)行Buchwald-Hartwig胺化(ACS Catal. 2019,DOI:10.1021 / acscatal.9b02622),和與負碳離子中間體的反應(yīng)(ACS Catal. 2020,DOI:10.1021 / acscatal.0c01196)。上述所有這些典型的反應(yīng)都需要有機溶劑。這是因為它們的某些成分,例如碳負離子通常被認為與水不相容?;瘜W(xué)家還提出膠束還可以發(fā)揮其他作用,例如將反應(yīng)物和催化劑濃縮在同一位置,這可以加快合成速度,只需使用較少催化劑。不同尺寸,形狀和取代基的新型表面活性劑可以優(yōu)化膠束,并用于特定反應(yīng)。

【水中化學(xué)】

世界三大藥企之一諾華(Novartis)的科學(xué)家在2016年比較了使用有機溶劑(紅色)和膠束化學(xué)(黃色)制作未公開的活性藥物成分(API)的兩種方法(見下圖)。

把“有機合成?”搬到水里?

諾華的科學(xué)家以膠束工藝制造API,與傳統(tǒng)方法中優(yōu)化的過程相比,新方法具有更快、更便宜、產(chǎn)率更高以及更少溶劑的優(yōu)點。在反應(yīng)中使用更高濃度的試劑,并且優(yōu)化了實驗流程,所以所需的水更少。

【膠束化學(xué)的挑戰(zhàn)】

即使膠束化學(xué)具有誘人的賣點,但仍存在許多挑戰(zhàn)。如,一些膠束過程仍然需要有機溶劑來分離和純化反應(yīng)產(chǎn)物;水里殘留的有機和無機化合物未經(jīng)處理就排放。且現(xiàn)在人們對它的基本規(guī)則仍然知之甚少,它仍然需要反復(fù)試驗。水中的化學(xué)反應(yīng)機理與溶劑中的不同,我們需要更精確地了解膠束聚合中的情況,并確定反應(yīng)物和催化劑在膠束系統(tǒng)中的位置。

球形膠束的化學(xué)合成更復(fù)雜,因為表面活性劑可能還起著其他作用,如乳化、分散以及表面張力效應(yīng)。

盡管起初科學(xué)家不相信膠束化學(xué)能起作用,且人們不完全了解,膠束化學(xué)的優(yōu)點依舊明顯。膠束化學(xué)家們知道很難挑戰(zhàn)使用有機溶劑的慣性作,但希望鏟開胸懷,克服先入為主的想法,傳播這些技術(shù)。

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