中世紀的歐洲，有一群癡迷于“煉金術”的人，他們夢想著能夠“點石成金”，不過這一夢想最終還是破滅了。然而，現代化學家們卻完成了另一項“化腐朽為神奇”的研究。
近日，美國斯克里普斯研究所教授余金權在《科學》發表論文，報道了一種將鈀催化脂肪酸一步轉化為α,β—不飽和羧酸或丁烯內酯類化合物的新方法，實現了把常見、廉價的“肥皂水”轉化為復雜、高值化學品的夢想。
“這些反應將成為制造復雜分子的通用工具，由于它們使用簡單的氧分子來驅動催化循環，因此有可能使化學產品更便宜、更容易開發，并應用于大規模制造。特別是在制藥行業，目前已經開始使用新反應發現新藥?！庇嘟饳嗾f。
中國科學院上海有機化學研究所研究員劉國生評價道，該研究堪稱從簡單有機分子到復雜功能分子高效構建的典范，不僅是學術上從0到1的突破，在合成上也具有非常重要的價值。
有機化學界的“圣杯”
這項研究的本質是碳氫鍵（C-H鍵）活化。劉國生告訴《中國科學報》，C-H鍵在有機分子中廣泛存在，實現C-H鍵的選擇性官能團化，在基礎化工原料向精細化學品的高效轉化、基于有機分子后期修飾的新藥創制和新材料開發等領域，具有極大的應用潛力，深刻影響著物質轉化過程。因此，該問題也成為化學家們寤寐求之的研究目標。
有機分子中的不少C-H鍵具有高度相似的化學環境，如何區分這些相近的C-H鍵以實現選擇性活化及轉化是該領域的難點問題，也是有機化學的“圣杯”。
研究C-H鍵選擇性活化有多種途徑，其中基于導向基團的C-H鍵活化策略研究相對較多。劉國生解釋說，這相當于在分子上有一塊“磁鐵”，把催化劑吸到特定的C-H鍵附近，自然就容易實現C-H鍵的選擇性活化。
為了實現C-H鍵的選擇性活化，以往的研究往往需要在有機分子中預裝特定的導向基團，就像預先安裝好“磁鐵”一樣，這在合成應用上會帶來不便。
據了解，余金權長期從事導向C-H鍵活化反應研究，致力于使用有機分子中天然存在的羧酸等官能團作為導向基，探索C-H鍵的選擇性活化及轉化反應。
“這是非常有挑戰性的，就像大家常用強磁力的磁鐵吸引金屬，而要用弱磁力的磁鐵就很不容易。該研究中的羧酸就是這種弱屬性的導向基團?！眲f，化學家的智慧是無窮無盡的，通過合理的配體設計和金屬催化劑選擇，余金權課題組先后發展了6代雙功能配體，實現了一系列非常重要的C-H鍵選擇性轉化新反應。
“有關C-H鍵的官能團化反應研究比較廣泛，化學家們提出了多種策略，但實現C-H鍵的高選擇性官能團化極具挑戰性?！睂τ谄渌鸆-H鍵選擇性官能團化的策略，劉國生舉例說，除了上述基于導向基團的金屬催化策略外，卡賓插入策略也是解決該問題的有效途徑，美國埃默里大學的研究人員就在該領域取得重大進展；而他的課題組則是發展了金屬調控自由基策略，同樣實現了C-H鍵的精準轉化。
從“肥皂”下手
脂肪羧酸是常見的大宗化學品之一，人們每天用的肥皂就是脂肪酸鹽。用這樣廉價的原料制備高附加值的化學品具有很高的經濟價值。
通常，使用羧酸作為導向基，實現C-H鍵的選擇性脫氫反應是非常重要的有機反應，但困難也顯而易見。劉國生解釋說，這些困難在于羧酸的弱配位能力，使脂肪羧酸導向的C-H鍵選擇性活化具有極大的挑戰性，這就對催化劑設計提出了極高的要求。
此外，脂肪羧酸導向的C-H鍵選擇性活化還有另一個挑戰，即如何實現脫氫反應生成不飽和雙鍵。由于該過程很難通過烯醇互變的途徑來進行，導致其很難實現；其次，生成的烯烴產物具有更高的反應活性并參與催化劑的競爭配位，容易導致催化活性降低及副反應的發生。
據了解，過去幾年，余金權團隊發展了多類含氮配體，實現多個C-H鍵選擇性活化及轉化新反應。在該研究中，余金權團隊發展了具有五元環螯合結構的吡啶—吡啶酮新配體，成功實現了脂肪羧酸的催化脫氫反應，高效制備出α,β—不飽和羧酸。
有意思的是，利用具有六元環螯合結構的吡啶—吡啶酮的新配體，不僅可以實現C-H鍵活化，還可以催化α,β—不飽和羧酸的C-H鍵活化。為此，研究人員還巧妙地設計了串聯的C-H鍵炔基化/環化反應，從脂肪酸一步得到了分子結構復雜的丁烯內酯類化合物，而這一結構也廣泛存在于藥物分子中。
“這樣的選擇性控制是前所未見的?！泵鎸@樣的結果，劉國生感嘆道。而對于選擇性的根源，研究人員認為，五元螯合配體骨架比較剛性，同時配位的張角比較小，使得催化劑結構更為剛性。而六元螯合配體比較柔性，兩種配體在C-H鍵活化中表現出不同的反應活性。
另外，脂肪酸中的sp3 C-H鍵較為柔性，而產物α,β-不飽和羧酸中的sp2 C-H鍵剛性更強，C-H鍵活化的過渡態中需要催化劑結構有比較大的扭曲，所以剛性的五元螯合配體只適合催化sp3 C-H鍵的活化，六元螯合配體則可以催化兩步C-H鍵活化的串聯反應。
如此精妙的催化劑對反應選擇性的調控，令人嘆為觀止，這也正是有機化學的魅力所在?！叭绻延袡C化學家比作魔法師，催化劑就是有機化學家手中驅動和調控化學反應的魔杖?！眲f，通過后續催化劑和催化體系的進一步優化，相信這一新反應有光明的產業化應用前景。
