中國科大汪義豐教授團隊利用自旋中心轉(zhuǎn)移（Spin-center shift）機理，從廉價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化合物的新途徑。北京時間3月5日，國際著名學術(shù)期刊《科學》雜志以“First Release”形式在線發(fā)布了該項工作。
氟是元素周期表電負性最大的元素，同時氟原子具有很小的原子半徑，因此含氟有機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，可以提高對細胞膜的滲透性、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物卻是生命科學和材料科學等領(lǐng)域的“寵兒”。從廉價易得的原料出發(fā)，通過高效、溫和的途徑制備單氟和雙氟有機物一直是科研和產(chǎn)業(yè)界的熱點問題。 已經(jīng)報導(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，汪義豐教授團隊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合成單氟、雙氟化物。在生物合成DNA的過程中，一個關(guān)鍵的步驟是通過自旋中心轉(zhuǎn)移機制切斷碳-氧鍵，受這一機理啟發(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化反應(yīng)，合成了結(jié)構(gòu)多樣的雙氟和單氟有機化合物。 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碳-氟鍵，使得碳原子和官能團（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)物二氟化物的一個碳-氟鍵，使另一個官能團（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，消除一個氟離子同時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)，消除第二個氟離子，并引入另一個新的成分，生成單氟有機物。 第一作者、博士生余友杰經(jīng)過了大量的艱苦實驗才完成這項工作。他笑著說：“我都快堅持不下去了，幸好汪老師一直鼓勵我。”共同第一作者特任副研究員張鳳蓮博士在K. N. Houk教授（UCLA）的指導(dǎo)下，經(jīng)過一年多的理論計算和機理研究，最終從實驗和理論上證實了碳-氟鍵斷裂經(jīng)歷了自旋中心轉(zhuǎn)移的機理，并找到了控制脫氟進程的關(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。審稿人高度評價這一成果：“發(fā)展了面向單氟和雙氟有機化合物的全新合成方法。” 該工作受國家自然科學基金、中國科學院和中國科學技術(shù)大學項目資助。 論文鏈接： https://science.sciencemag.org/content/early/2021/03/03/science.abg0781
