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Baran“N/S双响炮”之Nature篇:水桶里的烯丙位C-H键电化学氧化

当今哪些化学家在《Nature》和《Science》上发文章就像刷微博一样容易?Phil S. Baran一定是其中之一。这位斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute,TSRI)的明星科学家已经是X-MOL读者们熟的不能再熟的面孔了,他不但能狂刷顶级论文,而且每次发表的成果基本都以实际应用为目标,对学术界和工业界都能产生强烈的冲击。最近,Baran实验室两天之内接连在《Nature》和《Science》上发表重磅论文,以这种“N/S双响炮”的酷炫方式尽情展示他们的研究成果。嗯,感叹过后,还是来拜读这两篇论文吧。


首先发表的是《Nature》上的氧化烯丙位碳氢键(C-H键)的电化学方法。(Scalable and sustainable electrochemical allylic C–H oxidation. Nature, DOI: 10.1038/nature17431)

C-H键直接官能化是有机化学毫无争议的热点方向之一,影响药物、天然产物、材料的合成策略。烯丙位的氧化是C-H键官能化很常用的方法之一,但是,这种传统方法通常需要使用有毒或昂贵的试剂,例如铬、钌或硒等(如上图b)。这在很大程度上阻碍了这种方法在工业中的应用,例如制药业。电化学烯丙位氧化并不是个“新鲜”的方法,最早的报道出现在1968年,并在1985年被改进(上图c)。尽管这些方法收率都很低,但电化学方法的优势在于有毒废物少,更易于扩展到工业规模。


Baran实验室在这篇论文里正是采用了“老套”的电化学手段,只使用廉价安全的化学品,不产生有毒废物,还可实现大量制备,很容易扩大规模。Baran开玩笑说:“原来最好试剂之一竟然来自于你的电源插座。”

几年前,Baran实验室开始着手寻找进行烯丙位氧化更便宜、更环保的方式,使其可以适用于大规模的制备。因为电化学手段不需有毒试剂,这个团队最终把目标放在这个方向上。大量的实验之后,Baran的团队,包括共同第一作者Evan J. HornBrandon R. Rosen,找到了更好的方法。


他们在反应容器中使用每个的成本只有几美元的玻碳电极;氧源使用液体氧化剂叔丁基过氧化氢而不是纯氧气体,这是因为纯氧在工业规模使用时存在火灾或爆炸的风险;碱和溶剂分别是吡啶和丙酮,都很便宜且容易得到;所用电化学介质为四氯-N-羟基邻苯二甲酰亚胺Cl4NHPI),可以通过简单的反应从无毒廉价的常用阻燃剂四氯邻苯二甲酸酐(每千克30美元)制得;反应的电流由一个恒电位仪进行调控,可由一台笔记本电脑来控制;而电源就是一个简单的电池。“如果你愿意,你甚至可以使用汽车的电池,”Baran说。

Phil S. Baran(左)和Evan J. Horn(右)。图片来源:The Scripps Research Institute


值得一提的是,这是Baran实验室百时美施贵宝(Bristol–Myers Squibb,BMS)以及总部位于中国的凯莱英(Asymchem Life Science)的合作项目。Baran团队先是用这种方法修饰了施贵宝感兴趣的几种化合物,然后该团队又将这种方法用在制药业和其他行业都很感兴趣的十几种萜烯类化合物上。“这种反应的使用范围大的让人吃惊,而且超级容易实现,非常有利于环境可持续发展,”Baran说。


“我们用这种方法来合成一些萜类天然产物,”Horn说,“其中的几个涉及到药物化学,不过我们也制备了一些对香精行业很重要的化合物,它们闻起来真的不错。”其中一个反应得到了难以得到的天然化合物诺卡酮(nootkatone),这种化合物为葡萄柚带来独特的味道,而且也似乎是一个安全的杀虫剂。

反应可能的机理


在该论文几乎所有的反应中,新方法的收率、安全性都比现有的方法更好,所用试剂也更便宜,可在百克量级上制备产物。而且,反应操作简单,对实验条件的要求也非常低。参与这项研究的凯莱英研发人员利用这种新方法进行了中等规模100克量级的反应,所用的反应容器就是一个买来的水桶!(见下图

Baran实验室将继续探索这一策略在合成其他化合物方面的应用,也希望开发基于电化学的烯丙位氧化反应之外的方法。


“我们希望,”Baran说,“再过10年,在像BMS这样的公司里,电化学方法变成药物化学家和工艺化学家的常规方法,在他们通风橱里的搅拌器旁边,摆放着电化学反应仪器。”


1. http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature17431.html

2. http://www.scripps.edu/news/press/2016/20160420baran.html


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