波恩大学化学家开发可持续催化工艺，缩醛合成更容易、更环保

缩醛是一种非常重要的化合物，它广泛地应用于一些药物的生产制造领域。

前不久，一篇发表在 Angewandte Chemie 杂志上的论文显示：波恩大学的化学家已经开发并优化了可持续的催化工艺，用于从苄基醚和苄基胺与侧链环氧化合物合成缩醛，同时在实验过程还借助了计算机进行模拟。实验证明，这种新方法使得缩醛的合成更容易、更环保。

图 | 将苄基醚原子转化为缩醛（来源：Angewandte Chemie）

该反应的特点是单电子步骤的催化作用，氧化加成的环氧化物开孔，自由基转移步骤的氢原子转移生成苄基，还原消除步骤的有机金属氧反弹。值得注意的是，该反应是基于自然界中经常发生的一种反应机制，但迄今为止很少用于化学合成。

缩醛生产的关键步骤是两个氧原子与一个碳原子的键合。一般而言，化学家用氧化来达到这种效果，强氧化剂通常通过在反应过程中释放一个氧原子来实现这一点，其余的氧化剂则在合成后处理掉。

“然而，在我们的研究过程中，我们描述了一种被称为原子经济的途径，这意味着它不会产生废物，”波恩大学 Kekulé 有机化学和生物化学研究所的 Andreas Gansäuer 教授解释道，“起始分子本身已经含有氧化所需的氧原子，我们开发的催化作用只是转移分子中的氧，从而生成缩醛。”

起始分子包含一个所谓的环氧基，类似于一种“三角形”，其中两个角由碳原子形成，第三个角由氧原子形成。这样的三环结构受到很大的张力，因此在氧原子处很容易断裂，环氧树脂就像压缩弹簧一样储存必要的反作用力。

图 | 将苯甲醚原子转化为缩醛（来源：Angewandte Chemie）

基于自然模型的催化工艺

为了实现这一目标，就需要使用合适的催化剂。

形象地说，氧原子有两个“臂”，它们可以与之形成键。如果环氧环断裂，其中一只手臂就会自由，催化剂暂时与之进行结合，于是这便引发了一系列分子内部的结构重排。在这个序列的最后，氧原子再次释放催化剂，并与所需的碳结合。“这一步被称为氧反弹”，Andreas Gansäuer 教授补充道。

迄今为止，这种反应机制很少用于化学合成，这与自然界的情况截然不同，自然界中经常发生这种反应。例如，肝脏利用“氧反弹”来分解毒素，当然这也需要催化剂，即所谓的 P450 酶，这种催化剂的活性中心含有一个铁原子。“我们的催化剂的核心包括一种常见的无毒金属，即钛。”波恩大学物理与理论化学研究所的 Stefan Grimme 教授解释说。

图 | 自由基 IIa- 顺式（a，b）和 IIa-反式（e，f）的 3D 结构（来源：Angewandte Chemie）

在计算机上模拟催化剂调节

在合成缩醛的过程当中，氧原子被钛吸收，然后再释放它，只有当它将氧与自身结合得足够强而不“依附”太多时，这种方法才会有效。为了适当地调整它的氧亲和力，钛被结合到某些分子，根据结合对象的不同，金属具有更强的氧化性或更容易被还原。

现在最合适的“调谐分子”则是在计算机的帮助下选定的。这里就不得不提到 Grimme 教授研究小组的贡献了，他们开发设计了强大的计算机算法，可以非常快速地模拟催化剂的性能。

依托于计算机的计算和模拟，使得化学家在研究中能够优化他们的催化剂，使其完全将原料转化为所需的缩醛。

理论和实验在质量上相一致，可见对于这种机理研究，计算机模拟对构象空间的自动探索至关重要。“结果很好地证明了实验和理论之间的密切合作，对于开发可持续的催化方法是多么有用。”Andreas Gansäuer 教授说道。

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