現(xiàn)代煉金術(shù)士正在使化學(xué)更環(huán)保

由PaulChirik教授領(lǐng)導(dǎo)的一組化學(xué)家正在尋找方法，用更便宜、更環(huán)保的替代品來替代對環(huán)境不利的貴金屬。

古代煉金術(shù)士試圖將鉛和其他普通金屬變成黃金和鉑金。普林斯頓大學(xué)PaulChirik實驗室的現(xiàn)代化學(xué)家正在改變依賴于環(huán)境不友好的貴金屬的反應(yīng)，尋找更便宜和更環(huán)保的替代品來替代藥物生產(chǎn)和其他反應(yīng)中的鉑、銠和其他貴金屬。

他們發(fā)現(xiàn)了一種革命性的方法，使用鈷和甲醇來生產(chǎn)一種癲癇藥物，而這種藥物以前需要銠和二氯甲烷(一種有毒溶劑)。EdwardsS.Sanford化學(xué)教授Chirik說，他們的新反應(yīng)速度更快、成本更低，而且對環(huán)境的影響可能要小得多。“這突出了綠色化學(xué)的一個重要原則——更環(huán)保的解決方案也可能是化學(xué)上的首選解決方案，”他說。該研究于5月25日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

“藥物發(fā)現(xiàn)和過程涉及各種奇異元素，”奇里克說。“我們大約在10年前就開始了這個項目，它確實是出于成本的考慮。銠和鉑金等金屬非常昂貴，但隨著工作的發(fā)展，我們意識到它不僅僅是定價。......如果你考慮從地下挖出鉑金，就會存在巨大的環(huán)境問題。通常，您必須深入約一英里并移動10噸泥土。這會產(chǎn)生大量的二氧化碳足跡。”

Chirik和他的研究團隊與Merck&Co.,Inc.的化學(xué)家合作，尋找更環(huán)保的方法來制造現(xiàn)代藥物化學(xué)所需的材料。該合作得到了美國國家科學(xué)基金會的學(xué)術(shù)與行業(yè)聯(lián)絡(luò)資助機會(GOALI)計劃的支持。

一個棘手的方面是，許多分子具有反應(yīng)不同的右手和左手形式，有時會產(chǎn)生危險的后果。美國食品和藥物管理局有嚴格的要求，以確保藥物一次只有一只“手”，稱為單一對映體藥物。

Chirik說：“化學(xué)家們面臨著發(fā)現(xiàn)僅合成一種藥物分子而不是合成兩種藥物分子然后分離的方法的挑戰(zhàn)。”“歷史上以銠等貴金屬為基礎(chǔ)的金屬催化劑一直致力于解決這一挑戰(zhàn)。我們的論文表明，一種在地球上儲量更豐富的金屬鈷可以用來合成癲癇藥物Keppra，只需一只手即可。”

五年前，Chirik實驗室的研究人員證明，鈷可以制造單一對映體有機分子，但只能使用相對簡單且無藥用活性的化合物，并且使用有毒溶劑。

他說：“我們受到啟發(fā)，將我們的原理論證轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實世界的例子，并證明鈷的性能優(yōu)于貴金屬，并且可以在更環(huán)保的條件下工作。”他們發(fā)現(xiàn)他們的新鈷基技術(shù)比獲得專利的銠方法更快、更具選擇性。

“我們的論文展示了一種罕見的情況，在這種情況下，地球上豐富的過渡金屬可以在合成單一對映異構(gòu)體藥物時超越貴金屬的性能，”他說。“我們開始轉(zhuǎn)向的是，地球上儲量豐富的催化劑不僅取代了貴金屬催化劑，而且它們具有明顯的優(yōu)勢，無論是前所未見的新化學(xué)物質(zhì)，還是提高反應(yīng)性或減少環(huán)境足跡。”

不僅賤金屬比稀有金屬更便宜、更環(huán)保，而且新技術(shù)在甲醇中運行，甲醇比銠所需的氯化溶劑更環(huán)保。

“藥物分子的制造由于其復(fù)雜性，是化學(xué)工業(yè)中最浪費的過程之一，”Chirik說。“產(chǎn)生的大部分廢物來自用于進行反應(yīng)的溶劑。該藥物的專利途徑依賴于二氯甲烷，這是一種對環(huán)境最不友好的有機溶劑。我們的工作表明，地球上豐富的催化劑不僅在綠色溶劑甲醇中運行，而且在這種介質(zhì)中也能發(fā)揮最佳性能。

“對于地球上豐富的金屬催化劑來說，這是一個變革性的突破，因為這些催化劑在歷史上并不像貴金屬那樣堅固。我們的工作表明，金屬和溶劑介質(zhì)都可以更加環(huán)保。”

該論文的第一作者、Chirik實驗室的前研究生MaxFriedfeld指出，甲醇是使用貴金屬的單手化學(xué)的常用溶劑，但這是第一次證明它在鈷系統(tǒng)中有用.

Chirik說，鈷對綠色溶劑的親和力令人驚訝。“十年來，基于地球上豐富的鐵和鈷等金屬的催化劑需要非常干燥和純凈的條件，這意味著催化劑本身非常脆弱。通過在甲醇中操作，不僅反應(yīng)的環(huán)境狀況得到改善，而且催化劑更易于使用和處理。這意味著鈷在氫化以外的許多應(yīng)用中應(yīng)該能夠與貴金屬競爭甚至勝過貴金屬。”

研究人員指出，與默克公司的合作是做出這些發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵。

Chirik說：“這是學(xué)術(shù)與工業(yè)合作的一個很好的例子，并強調(diào)了最基本的——電子在鈷和銠中的流動方式有何不同?-可以告知應(yīng)用程序-如何以更可持續(xù)的方式制造重要藥物。我認為可以肯定地說，如果默克和普林斯頓的兩個團隊獨立行動，我們就不會發(fā)現(xiàn)這一突破。”

默克公司工藝研究與開發(fā)部催化實驗室的副首席科學(xué)家MichaelShevlin說，關(guān)鍵是體積，他也是該論文的合著者。

Shevlin說：“我們可以快速建立大型實驗陣列，覆蓋更多數(shù)量級的化學(xué)空間，而不是僅僅嘗試一些實驗來檢驗假設(shè)。”“協(xié)同作用是巨大的;MaxFriedfeld和[合著者兼研究生]AaronZhong等科學(xué)家可以在我們的實驗室進行數(shù)百次實驗，然后將最有趣的結(jié)果帶回普林斯頓進行詳細研究。他們在那里學(xué)到的東西會影響到這里的下一輪實驗。”

Chirik的實驗室專注于“均相催化”，即使用溶解在工業(yè)溶劑中的材料進行反應(yīng)的術(shù)語。

“均相催化通常是這些貴金屬的領(lǐng)域，它們位于元素周期表的底部，”奇里克說。“由于它們在元素周期表中的位置，它們往往會經(jīng)歷非常可預(yù)測的電子變化——一次兩個——這就是為什么你可以用這些元素制作珠寶，因為它們不會氧化，它們不會與氧。所以當(dāng)你研究地球上豐富的元素時，通常是元素周期表第一行的元素，電子結(jié)構(gòu)——電子在元素中的移動方式——發(fā)生變化，所以你開始得到單電子化學(xué)，這就是為什么您會看到這些元素生銹之類的東西。

Chirik的方法提出了整個領(lǐng)域的根本轉(zhuǎn)變，加州大學(xué)歐文分校的化學(xué)教授VyDong說，他沒有參與這項研究。“保羅的轉(zhuǎn)變是通過單電子氧化而不是雙電子途徑發(fā)生的，”她說。“這聽起來差別不大，但對于化學(xué)家來說，這是一個巨大的差別。這就是我們關(guān)心的——事物在鍵和原子層面上是如何運作的。當(dāng)你談?wù)撏ㄟ^你通常期望的一半電子發(fā)生的路徑時，這是一件大事。……這就是為什么這項工作真的很令人興奮。你可以想象，一旦我們擺脫了那個模式，你也可以開始將它應(yīng)用到其他事情上。”

Chirik說：“我們在元素周期表的一個領(lǐng)域工作，人們很長一段時間都沒有研究過，因此有大量新的基礎(chǔ)化學(xué)。”“通過學(xué)習(xí)如何控制這種電子流，世界向我們敞開了大門。”