中國(guó)科大汪義豐教授團(tuán)隊(duì)利用自旋中心轉(zhuǎn)移（Spin-center shift）機(jī)理，從廉價(jià)易得的三氟乙酸衍生物出發(fā)合成出用途廣泛的雙氟化物和單氟化物，開發(fā)了一種制備含氟有機(jī)化合物的新途徑。北京時(shí)間3月5日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“First Release”形式在線發(fā)布了該項(xiàng)工作。
氟是元素周期表電負(fù)性最大的元素，同時(shí)氟原子具有很小的原子半徑，因此含氟有機(jī)物具有很多奇妙的性質(zhì)。比如向藥物分子引入氟原子或含氟基團(tuán)，可以提高對(duì)細(xì)胞膜的滲透性、代謝穩(wěn)定性以及生物可利用度等。因此，自然界幾乎不存在的含氟有機(jī)物卻是生命科學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的“寵兒”。從廉價(jià)易得的原料出發(fā)，通過高效、溫和的途徑制備單氟和雙氟有機(jī)物一直是科研和產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)問題。 已經(jīng)報(bào)導(dǎo)的方法大多利用氟化或氟烷基化試劑向分子中引入氟原子，汪義豐教授團(tuán)隊(duì)選擇從成本低廉的三氟化物入手，通過碳-氟鍵的選擇性活化來(lái)合成單氟、雙氟化物。在生物合成DNA的過程中，一個(gè)關(guān)鍵的步驟是通過自旋中心轉(zhuǎn)移機(jī)制切斷碳-氧鍵，受這一機(jī)理啟發(fā)，他們發(fā)現(xiàn)該過程也可以用于三氟乙酸衍生物的碳-氟鍵斷裂，并成功發(fā)展了分步可控的脫氟官能團(tuán)化反應(yīng)，合成了結(jié)構(gòu)多樣的雙氟和單氟有機(jī)化合物。 圖：自旋中心轉(zhuǎn)移反應(yīng)過程第一次剪斷三氟甲基中一個(gè)碳-氟鍵，使得碳原子和官能團(tuán)（用方塊表示）成鍵，生成二氟化物；自旋中心轉(zhuǎn)移反應(yīng)過程第二次剪開產(chǎn)物二氟化物的一個(gè)碳-氟鍵，使另一個(gè)官能團(tuán)（用三角形表示）和碳原子成鍵，生成一氟化物。/插畫：崔劼 合成方法是將三氟乙酰胺或者三氟乙酸酯等含三氟甲基的分子，路易斯堿-硼烷化合物和擬引入的新成分置于同一反應(yīng)體系。在加熱條件下，先產(chǎn)生路易斯堿-硼自由基，然后與三氟甲基分子作用，發(fā)生一次自旋中心轉(zhuǎn)移過程，消除一個(gè)氟離子同時(shí)生成二氟甲基自由基。該自由基可以與擬引入的新成分反應(yīng)，得到雙氟產(chǎn)物。如果需要單氟化物，則再一次發(fā)生自旋中心轉(zhuǎn)移反應(yīng)，消除第二個(gè)氟離子，并引入另一個(gè)新的成分，生成單氟有機(jī)物。 第一作者、博士生余友杰經(jīng)過了大量的艱苦實(shí)驗(yàn)才完成這項(xiàng)工作。他笑著說：“我都快堅(jiān)持不下去了，幸好汪老師一直鼓勵(lì)我?！惫餐谝蛔髡咛厝胃毖芯繂T張鳳蓮博士在K. N. Houk教授（UCLA）的指導(dǎo)下，經(jīng)過一年多的理論計(jì)算和機(jī)理研究，最終從實(shí)驗(yàn)和理論上證實(shí)了碳-氟鍵斷裂經(jīng)歷了自旋中心轉(zhuǎn)移的機(jī)理，并找到了控制脫氟進(jìn)程的關(guān)鍵因素。該合成方法條件溫和，選擇性好，在醫(yī)藥、農(nóng)藥和其他含氟特種材料等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。審稿人高度評(píng)價(jià)這一成果：“發(fā)展了面向單氟和雙氟有機(jī)化合物的全新合成方法?！?/strong> 該工作受國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)項(xiàng)目資助。 論文鏈接： https://science.sciencemag.org/content/early/2021/03/03/science.abg0781
