【中科院之聲】告別劇毒光氣，科研人員找到綠色羰基合成新路徑 | 科技前線
含氮羰基化合物（異氰酸酯及其衍生脲類化合物等）在新材料、醫(yī)藥、農(nóng)藥等領(lǐng)域用途廣泛。目前，工業(yè)上主要采用光氣法制備含氮羰基化合物。然而，這一方法中不僅光氣有劇毒，還會副產(chǎn)大量腐蝕性的鹽酸。因此，擺脫光氣來生產(chǎn)含氮羰基化合物是綠色化學的一項重要目標。
中國科學院蘭州化學物理研究所何林團隊等避開劇毒光氣，以CO、CO2作為羰源，原創(chuàng)性地提出同步胺識別策略，破解了相似屬性胺不易區(qū)分的關(guān)鍵難題，成功實現(xiàn)了催化胺羰化合成非對稱脲。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學》。
光氣法難以識別胺
作為重要的一類含氮羰基化合物，非對稱脲類化合物可以與蛋白形成多個穩(wěn)定的氫鍵，含脲官能團的藥物與靶點相互作用具有獨特的生物活性，在藥物發(fā)展和藥物化學領(lǐng)域具有重要作用。
非對稱脲的結(jié)構(gòu)中連接在同一羰基位點的含氮片段不同，在構(gòu)筑這樣獨特結(jié)構(gòu)的過程中，如何精準識別具有微小差異的胺分子組合極具挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)的光氣法難以區(qū)分這一微小差異，采用分步組裝的辦法，可以在CO與氯氣反應生成光氣后利用一種胺與光氣發(fā)生反應，生成所需的異氰酸酯中間體/酰氯，再由異氰酸酯/酰氯與另一種胺后續(xù)反應生成非對稱脲。
同步胺識別解難題
催化胺氧化羰化是生產(chǎn)脲的最直接路線，但采用兩種不同胺作為底物時，對稱脲與非對稱脲會同時生成，使得選擇性難以調(diào)控。
針對這一挑戰(zhàn)，科研人員提出了同步胺識別策略：利用位阻效應，實現(xiàn)鈷中心識別一級胺/氨氣發(fā)生親核羰化生成金屬-酰基；利用氧化還原性，實現(xiàn)銅中心識別二級胺優(yōu)先發(fā)生電子轉(zhuǎn)移生成自由基。
由此，在胺催化羰化這一個轉(zhuǎn)化中融入親核羰化與自由基羰化兩種模式，確保羰基兩側(cè)精準引入兩種不同的胺片段，形成非對稱脲獨特反應窗口。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，NH3也可以發(fā)生催化羰化活化，與二級胺反應制備相應的非對稱脲。一個分子含有一級胺與二級胺時也能發(fā)生分子內(nèi)識別，從而形成環(huán)化的非對稱脲。近百個組合實例均產(chǎn)生了具有優(yōu)勢的非對稱產(chǎn)物，進一步證實了在胺識別羰化這一過程中獨特的反應機制。
▲光氣法分步合成與催化羰基化合成非對稱脲；同步識別策略一步合成非對稱脲。
全新羰化模式用途廣
這種全新的羰化模式不僅適用于烷基胺，還適用于各種芳香胺和鹵代胺。研究團隊還開發(fā)了一種電熱催化耦合過程，利用電化學方法將CO2還原為CO，然后進行銅/鈷熱催化氧化羰基化反應，生成非對稱脲，化學選擇性高達93%。實驗表明，接力反應性能與直接采用CO路線相當。
利用非光氣路線的胺催化羰基化轉(zhuǎn)化，可完成一些小分子成藥的直接合成，比如用于治療精神分裂癥和躁狂抑郁癥的藥物卡利拉嗪。無需光氣，便可從CO出發(fā)與相應的胺反應得到89%的目標產(chǎn)物。
▲從一氧化碳/二氧化碳出發(fā)合成非對稱脲；小分子成藥非光氣路線合成。
該研究為非對稱脲提供了更為綠色、安全的制備路線，為含氮羰基化合物的非光氣流程再造奠定科學基礎(chǔ)，也為藥物合成等工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造全新機遇。來源：中國科學院蘭州化學物理研究所
