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磁化蒸馏水就可驱动胺化反应?科学还是玄学?

看到“磁化水”,不知各位会想到什么,反正笔者的第一反应是前些年十分流行的各色“磁化水”保健产品闹剧。先不谈那些炒概念的无良商家,今天要给诸位介绍的是一篇以“磁化水”为主角的有机合成论文,近期发表在英国皇家化学会旗下杂志Green Chemistry 上。


老实说,看完论文标题和摘要,笔者就差点惊掉下巴。来来,大家感受一下——仅仅使用磁化20分钟的蒸馏水(magnetized distilled water, MDW)作为溶剂,无需过渡金属、无需强碱、无需底物活化,就可实现形成芳基碳氮键的反应,即Buchwald-Hartwig胺化反应,产率甚至可以高达95%(图1d)。

图1. 此前研究以及无金属仅需磁化水驱动的胺化反应。图片来源:Green Chem.


虽然无金属参与的芳基碳氮键构建反应已有报道,但是这些无金属的反应往往需要在特定的条件下进行,比如芳基卤代物上含有强吸电子基团(SNAr反应),或者需要强碱的参与来产生苯炔中间体。对于没有活化的芳基卤代物,反应往往需要过渡金属(Pd、Ni或Cu)的参与。与此前的工作相比,来自伊朗的研究者的这篇工作,所用条件却非常温和简单。根据他们的报道,使用在0.8 T磁场下磁化20分钟的蒸馏水作为溶剂,碘苯和吗啉在50 ℃下反应2 h,就能够以57%的产率形成目标产物(图2)。在其他一些磁化溶剂中(如甲醇、乙醇等),反应也能发生,不过产率偏低。

图2. 不同磁化溶剂中碘苯和吗啉的反应。图片来源:Green Chem.


随后,作者以磁化水为溶剂进一步优化了反应条件。通过调节添加剂、磁场处理蒸馏水所用的时间、反应温度和反应时间,最优产率可以提高到95%(图3)。另外,作者发现,在把水磁化后,磁化水促进反应的效率会随着时间的延长而递减。水磁化后立即使用,反应产率可以达到95%;但是水磁化后立后如果等待6 h再用,同样条件下反应的产率则降为50%(图4)。也就是说,磁化水越“新鲜”效果越好。

图3. 反应条件优化。图片来源:Green Chem.


图4. 磁化水的效率会随着时间延长而递减。图片来源:Green Chem.


作者还进一步研究了该反应的底物范围。他们发现,各种未活化的碘苯、溴苯甚至氯苯都可以在该条件下与各种脂肪胺或者芳香胺反应形成目标产物(产率50%-97%)。

图5. 反应底物范围。图片来源:Green Chem.


随后,作者对比了磁化水和普通的非磁化水分别作为反应介质时的反应混合物紫外可见吸收曲线的变化。结果发现,当用磁化水作为反应介质时,原料卤代物消耗的速率远远快于非磁化水作为介质的消耗速率。这似乎证明了磁化水的确会对反应产生影响。另外,作者用分子动力学的模拟手段研究了磁化水影响该反应的可能机理。他们的模拟结果表明,当使用磁化水作为反应介质时,反应物周围会有更多的水分子包围,从而影响疏水效应。


这篇文章的关键是被磁场处理过的水。作者使用的对水施加磁场的仪器如下图所示(图6),可以发现,该装置并不复杂,核心部分就是两块磁铁。按照作者的说法,当把普通的蒸馏水装到试管里,放在磁铁中间一段时间后,蒸馏水就实现了磁化,即可用于反应。

图6. 磁化仪器。图片来源:Green Chem.


如果要选出一个过去30年间发展的(1990-2020)在药物合成应用最广泛的有机反应,笔者认为当然非Buchwald-Hartwig胺化反应莫属。该反应的开发者Buchwald教授和Hartwig教授也因为发展了该反应获得了有机化学领域极具分量的Tetrahedron Prize和Wolf Prize。但是,他们发展的反应往往需要过渡金属和配体的参与,反应温度也往往较高。相比之下,这篇论文作者所报道的条件将会是芳香胺合成领域一个非常大的突破。


由于这篇文章报道的结果实在令人震惊,该文上线后迅速引起了学术界的广泛讨论。不少人对文中报道的结果是持怀疑态度的。比如,芝加哥大学化学系Mark Levin教授直言该论文结果不可信,最终会被撤稿。加拿大卡尔加里大学Love教授的评价更加辛辣,声称该文“漏洞百出”。



当然,也有人评论说,反应可能是使用了残留有钯的试管或者搅拌子,真实的反应还是过渡金属催化的反应,并不是作者声称的磁化水驱动反应。



看到这里,读者朋友是否想起此前引起广泛讨论的一篇ACS Catalysis 文章,俄罗斯科学家发现聚四氟乙烯磁力搅拌子表面残留的杂质会影响有机化学反应(ACS Catal., 2019, 9, 3070,这个搅反应的小东西,也许真能“搅”了你的反应)。这不,ACS Catalysis 这篇文章的作者之一Dmitry B. Eremin也对伊朗研究团队的磁化水工作发表了看法,调侃该研究团队很可能没有看过去年的这篇ACS Catalysis 文章,还建议用新搅拌子试试。



有的回复脑洞也不小。比如下面这位,他提了个不那么严肃的问题,如果磁场对有机反应影响如此巨大,那我们是不是以后就不能用核磁(NMR)来研究反应动力学了?



Nature Chemistry 的主编Stuart Cantrill也评价说,如果水的磁效应如此显著,重水(D2O)的效果是不是比普通水(H2O)要更明显?


所以,著名机械力化学专家Tomislav Friscic已经考虑要重复该实验了。



笔者以为,如果Green Chem.这篇论文报道的结果最终被证实,那必将引起有机胺合成化学的一场革命。虽然引入磁场到化学和材料领域由来已久,但在以往的例子里,磁场都是通过影响磁性材料进而最终影响化学反应的(比如这篇——Nat. Energy:加块磁铁,电解水产氢性能翻倍)。通过磁场来直接影响分子的性质,似乎还从未有过报道。如果磁对有机分子会产生如此巨大的影响,可以预期,会有更多的科研工作者投入到这个研究领域,甚至引发整个有机化学学科的一场革命。


但是,在这些美好憧憬成为现实之前,我们不妨“先让子弹再飞一会”,让时间去验证磁场是否真的如此神奇。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Metal-free green synthesis of aryl amines in magnetized distilled water: experimental aspects and molecular dynamics simulation

Mohammad Bakherad, Zainab Moosavi-Tekyeh, Amin Rezaeifard, Rahele Doosti, Nasrin Mehmandoost, Naser Goudarzi, Sima Omara

Green Chem., 2020, DOI: 10.1039/d0gc01329c


(本文由波纹供稿)


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