化学家们一直认为将氮加入到碳-氢键需要在催化剂的反应活性和选择性之间做出权衡。但是由伊利诺伊大学的化学家们研究出的新型锰基催化剂为研究人员提供了一个高效且低成本的方案。

伊利诺斯州化学教授M. Christina White领导的研究小组在Nature Chemistry发表了他们的工作。该催化剂将在今年秋天从Sigma-Aldrich购买。

“氮存在于药物和具有强效生物活性的自然分子中，”White说。“我们所报告的反应允许化学家把天然产物和含醇类候选药物转换一个碳-氢键，使三个碳原子远离醇到达氮原子。将碳-氢键转换为碳氮键的反应可以改变分子的溶解度或分子生物特性，加速药物发现。”

基于贵金属比如铑的这些类反应催化剂，具有活性却并不具有选择性，意味着它们会在目标外的位置发生。White实验室过去的一项成就，铁基催化剂，具有高度选择性并准确地插入氮，但活性较低且只与较弱的键反应。

“普遍认为反应的活性和选择性具有反向关联性，特别是对于困难的碳-氢键功能化转换，”White说。“就像使用高压水枪和牙医的冲水器之间的差别。当变得更有选择性和针对性时，可能会变得不那么有效。当更强力和更有效时，却失去了细微调整的能力。

“我们发现了一种催化剂，挑战了反应性和活性之间的范式，”White说。

在预测和控制化学反应活性方面，虽然贵金属长期以来受人追捧，White小组探究了在地壳中大量存在的金属的性质。考虑到铑基催化剂和铁基催化剂的不同催化机制后，研究人员猜测，锰可能处于混合反应活性和选择性的中间状态。但相反，他们发现锰基催化剂非常活跃，甚至超过铑，同时保持着铁基催化剂高度的选择性。

“这种催化剂的特别之处是它吸收了两类催化剂的优点，把它们结合到一起，”研究生Jennifer Griffin说，并与现在哈佛大学博士后研究生Shauna Paradine一起作为论文的第一作者。”“我一直认为碳-氢催化反应的活性和选择性是两种相互排斥的属性。现在，通过观察这些不同的金属，我们发现它们可以同时具有。”

相比于铑和其他贵金属，锰还具有几个优点，研究人员说。锰含量比铑含量丰富1000万倍，所以用于大型药品生产更具有成本效益。此外，锰毒性更小。发现锰存在于身体中的酶，同时作为多种维生素的成分。这表明，任何带有这类催化剂的药物或化合物可具有更高的浓度，不需要昂贵而漫长的净化过程。

“这项研究展示了这类金属的重要性，有望取代更加昂贵的贵金属，” Griffin说。“这是令人兴奋的，期待着用于其他过程催化剂的开发。”

研究人员希望高反应性和高选择性的结合，将帮助那些正致力于识别和合成新药的化学家们。通过将氮或其他官能团添加到之前无法到达的位置，分子结构或官能团的微妙调整可极大程度地改变体内分子的工作方式，影响它与其它分子相互作用的方式或溶解度。

“在药物化学领域，想象利用选择性和反应性催化剂把氮放到分子不同的位置，为探索全新官能化领域开辟了途径，”论文的合著者之一研究生Jinpeng Zhao说。“这改变了人们修改生物活性分子的方式，并在为自然界分子增加功能的方面提供了可能性。”

例如，通过化学修改抗生素分子改变候选药物，White小组展示它的能力，结合利用先前开发的铁基催化剂安装氧气，和新型锰基催化剂安装氮气。

研究人员将继续探索地球金属催化其他反应碳氢键，为药物研发开辟途径。他们还将探索其他的锰基催化系统，研究不依赖于附近醇基的分子间反应。

“最终我们的目标是开发一套高活性和选择性的催化剂，使你能够在复杂分子结构中精确地将氧气、氮气和碳加入到每种复杂类型的碳-氢键中，” White说。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby     校正：摩天轮