2021年1月19日
研究人员开发了一种新技术，使乙酰基的合成更简单，更环保。乙酰基是用于生产特定医疗剂的关键化合物。
催化剂复合物的计算机生成结构，在活性中心减少了钛。图片来源：©AG Grimme教授，Fabian Bohle/波恩大学。
在波恩大学化学家已经设计并改善了新的可持续催化方法。研究人员还使用了最先进的计算机模拟。该反应基于一种经常发生在自然界中的机制，但迄今为止的化学合成中并未使用太多。该研究的结果已在Angewandte Chemie杂志。
在乙酰生产过程中，主要步骤是将两个氧原子粘合到一个碳原子。通常，化学家通过氧化意识到这种排列。强大的氧化剂通常用于通过在反应过程中排放氧原子来实现这一目标。合成后，必须处理剩余的氧化剂。
但是，在我们的研究中，我们描述了一条被称为原子经济学的路径，这意味着它不会产生浪费。起始分子本身已经包含氧化所需的氧原子。我们开发的催化只会在分子中移动这种氧。
波恩大学Kekulé有机化学与生物化学研究所教授AndreasGansäuer博士
起始分子包括一个所谓的环氧基团，一种“三角形”，其中两个角由碳原子形成，第三个角度包括氧原子。诸如此类的三个环保持在很大的张力之下，因此很容易在氧原子上分解。环氧树脂倾向于存储类似于压缩弹簧的所需反应能量。
基于自然模型的催化
为了实现这一目标，需要使用适当的催化剂。从隐喻的意义上讲，氧原子包括两个可用于形成键的“臂”。如果环氧环分解，则其中一个氧气将变得自由。现在，催化剂暂时与之结合。
这触发了一系列分子内部（分子内）重排。当系列结束时，氧原子再次排出催化剂，而是附着在首选的碳上。“此步骤称为氧气反弹，”甘努尔说。
到目前为止，这种机制在化学合成中尚未使用太多 - 与自然相反：例如，肝脏使用“氧气反弹”来崩解毒素。这也需要催化剂或所谓的P450酶。它们的活跃中心包括铁原子。
“我们催化剂的核心还包括一种常见和无毒的金属，即钛，”波恩大学物理和理论化学研究所的Stefan Grimme教授解释说。
催化剂在计算机上调整
当发生乙酰合成时，氧原子首先被钛吸收，然后再次释放出来（氧化遵循所谓的还原）。这只有在它结合足够强的氧气而不“粘合”的情况下，这才有效。它的氧亲和力通过结合钛与特定分子（即其配体）进行适当调节。
基于结合伙伴，金属具有更略有较强的氧化效果，或者可以更容易降低。如今，计算机被用来选择最合适的“调整分子”。由Grimme教授领导的研究团队专门从事这项任务：在过去的几年中，该团队创建了算法，从而可以对催化剂属性进行非常快速的模拟。
这使这项研究的研究人员能够改善其催化剂，使其完全将起始材料转化为首选的乙酰乙烯。
结果表明，实验与理论之间的密切合作非常有用，用于开发可持续催化方法。
波恩大学Kekulé有机化学与生物化学研究所教授AndreasGansäuer博士
甘努尔博士和格里姆博士都是波恩大学的跨学科研究领域（TRA）“物质和基本互动的基础”的成员。六个不同的TRA将来自广泛的学科和学科的科学家聚集在一起，以合作卓越大学的未来研究主题。
该研究由德国研究基金会DFG资助，并获得了Gottfried Wilhelm Leibniz奖和Konrad Adenauer基金会的赠款。
期刊参考：
Funk，P。，等。（2021）在还原条件下的氧化：从二苯甲酸乙二醇到具有完美原子经济的乙烯二世（III）催化。Angewandte Chemie。doi.org/10.1002/anie.202013561。
资源：https://www.uni-bonn.de/the-university