革命性的催化劑能夠模擬酵素實現更簡單、更有效率的生產
伊利諾大學的化學家們開發出一種酵素啟發催化劑,簡化了醚的合成過程,使其更有效率、用途更廣泛。 這項突破使複雜醚的合成只需更少的步驟和材料,並有望在化學和工業領域中廣泛應用。
伊利諾大學開發的一種受酵素啟發的新型小分子催化劑能將醇和烯保持在恰到好處的距離和位置,以連接成醚,而醚是許多消費品和藥品的關鍵功能成分。 圖片來源:Jose Vazquez
受酵素的啟發,伊利諾大學厄巴納-香檳分校的化學家們創造了一種催化劑,它能簡化醚類化合物的合成過程,而醚類化合物是眾多藥物、食品、個人護理產品和其他消費品中的重要成分。 這種催化劑將兩種化學成分以最佳的距離和方向排列,使它們能夠發生反應,而無需傳統合成方法通常需要的額外步驟和數量。
在伊利諾大學化學教授克里斯蒂娜-懷特(M. Christina White)的領導下,研究人員在Science雜誌上發表了他們的研究成果。
懷特說:”醚是非常重要的分子–它們存在於萬物之中–我們的方法確實簡化了製造它們的過程,也讓我們製造出了以前無法製造的醚。我們的靈感總是來自大自然。 “
研究的第一作者、研究生斯文-卡斯特(Sven Kaster)說,製造醚的理想成分是一種醇和一種稱為烯的碳氫化合物,但它們混合在一起不會自行反應。 教科書上的方法是將質子從酒精中分離出來,使其反應,但這樣會產生一種混合的雞尾酒產物,必須從中提取所需的醚。 此外,這種方法還需要大量的成分才能產生足夠有用的乙醚,這對於複雜的貴重成分來說並不實用。
“我們採取了不同的方法來解決問題,”卡斯特說。 “我們不想活化酒精,也不想使用大量的反應物”。
研究人員開發出了含有金屬鈀的自組裝小分子催化劑,這種催化劑可以裂解烯烴中碳和氫之間的鍵,使其與酒精反應。 他們將此催化劑命名為SOX。 然而,僅僅使烯發生反應還不足以產生研究人員想要的醚。
他們從生物學中尋找靈感,研究自然界中的酵素是如何催化複雜反應的:把反應組合放在一起,以正確的方向進行反應。 他們製造出了一種具有特定幾何形狀和電子特性的SOX 催化劑Sven-SOX,這樣活化烯和醇就能恰到好處地排列在一起,生成所需的醚。
「這就好比,如果兩個人想要牽手,他們必須緊緊靠在一起。 但要更輕鬆地完成這個動作,他們還必須朝向正確的方向,」懷特說。 “我們把這兩種功能(接近和位置)結合在一起,建立了我們自己的自組裝’酶’,但成分很簡單”。
Sven-SOX 催化劑在廣泛的醚生成反應中都能發揮作用。 研究人員生產了130 多種醚,包括迄今為止用其他方法難以生產的複雜、笨重的醚。
“我們的方法的主要優勢在於通用性。我們可以製造出許多以前沒有製造過的醚,它們可能具有新的或有用的功能,”卡斯特說。 “我們可以用非常笨重、通常很難組合在一起的成分製造醚。我們的反應條件也非常溫和,正因為如此,我們可以容忍非常敏感的基團,在教科書方法下,這些基團通常會發生我們不希望發生的反應。
示範該過程的影片。 資料來源:伊利諾大學香檳分校
接下來,研究人員計劃探索其他小分子催化劑,這些催化劑可能具有類似酵素的特性,用於製造其他類別的化學物質。 他們也將繼續探索醚反應以及如何優化這些反應。
懷特說:「這確實凸顯了基礎科學的重要性,以及小分子像酵素一樣發揮作用的能力。這項工作向我們展示了今後如何考慮設計這種催化劑,以及如何利用酵素在自然界中使用的工具。 我們希望將其融入未來的催化劑設計中,以解決化學、醫學和工業中的重要問題。
編譯自/ SciTechDaily