含氟無(wú)機(jī)物在自然界中屢見(jiàn)不鮮，但含氟的天然有機(jī)化合物卻極為罕見(jiàn)，大多數(shù)含氟有機(jī)物是通過(guò)合成方式獲得的。其中，含有三氟甲基的有機(jī)化合物比重較大，這主要是因?yàn)槿谆囊肟梢燥@著改善化合物的親脂性和代謝穩(wěn)定性。因此，三氟甲基化合物在醫(yī)藥與農(nóng)藥等領(lǐng)域大放異彩，如治療精神抑郁的藥物Prozac、抗病毒藥物L(fēng)etermovir、治療高血脂的藥物L(fēng)omitapide等均含有這一特殊集團(tuán)。
在目標(biāo)分子上修飾三氟甲基深受新藥研發(fā)領(lǐng)域的歡迎，三氟甲基化是生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的重要方法。如何安全、高效且低成本地將三氟甲基引入目標(biāo)分子是有機(jī)氟化學(xué)最受關(guān)注的課題之一。盡管以三氟甲基化試劑作為前體直接在有機(jī)分子上引入三氟甲基被視為是生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的有效策略，但其成本過(guò)高，大部分在每克幾百甚至幾千元，導(dǎo)致這類(lèi)方法僅適用于研發(fā)，很難直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)與所開(kāi)發(fā)的反應(yīng)裝置圖。（從右到左：莫一鳴、陳一新、何宇晨、宣軍、高勇）
從原子經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)成本、易操作性等方面來(lái)看，三氟乙酸是非常理想的三氟甲基來(lái)源，相比其他試劑，其價(jià)格極其低廉（每公斤約300元）。但三氟乙酸的高氧化電位制約了其直接應(yīng)用，需要強(qiáng)氧化劑等非常劇烈的條件才能使三氟乙酸轉(zhuǎn)化為可直接與有機(jī)分子反應(yīng)的三氟甲基自由基。這會(huì)導(dǎo)致許多對(duì)氧化劑敏感的有機(jī)分子如含氨基或醛基的分子無(wú)法應(yīng)用在該類(lèi)體系中，而這類(lèi)基團(tuán)廣泛存在于一些藥物或農(nóng)藥中，極大限制了三氟乙酸的應(yīng)用范圍。因此，如何在溫和條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)三氟乙酸的直接利用來(lái)生產(chǎn)高附加值的三氟甲基化產(chǎn)品極具挑戰(zhàn)。
研究背景與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了克服這一難題，近日浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院百人計(jì)劃研究員莫一鳴團(tuán)隊(duì)提出了陰離子屏蔽抑制傳質(zhì)的方法，逆轉(zhuǎn)了熱力學(xué)上的優(yōu)先氧化順序，采用光電催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三氟乙酸根的優(yōu)先氧化并獲得具有高附加價(jià)值的三氟甲基化產(chǎn)品。這一創(chuàng)新方法不僅可以將部分極易被氧化的分子轉(zhuǎn)化為三氟甲基化產(chǎn)品，還可實(shí)現(xiàn)高附加值三氟甲基化產(chǎn)物的百克級(jí)合成。
這一成果于北京時(shí)間5月10日刊登在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》上。
三氟乙酸的直接利用的最大難點(diǎn)在于其氧化電位過(guò)高（＞2.24 V vs. SCE），如果采用強(qiáng)氧化劑活化三氟乙酸，根據(jù)熱力學(xué)的氧化順序，往往會(huì)導(dǎo)致同一體系中存在的其他有機(jī)分子被優(yōu)先氧化。
為了解決這一難題最直接的方案就是阻止有機(jī)分子于氧化劑“直接接觸”。為此，莫一鳴團(tuán)隊(duì)選擇光電催化作為技術(shù)手段。在光電催化中，光陽(yáng)極在光照下產(chǎn)生的光生空穴就是“氧化劑”，而陰離子層就像一層屏障一樣，阻止有機(jī)分子與光陽(yáng)極直接接觸，從而避免了有機(jī)分子的優(yōu)先氧化。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該團(tuán)隊(duì)提出了“陰離子層限制傳質(zhì)從而限制氧化”的選擇性氧化機(jī)制，并建立了光電催化三氟甲基化的新型方法。
放大合成DNA堿基類(lèi)似物的三氟甲基化產(chǎn)品，反應(yīng)化學(xué)式以及放大反應(yīng)裝置
該方法可兼容多種極易被氧化的有機(jī)分子，而且，光電催化體系可穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)300小時(shí)。此外，利用模塊化、可放大的光電流微反應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)了高附加值三氟甲基化產(chǎn)物的百克級(jí)合成。
該項(xiàng)研究不僅為三氟甲基化這一極具實(shí)際生產(chǎn)價(jià)值的合成方法提供了新思路，而且為傳質(zhì)調(diào)控選擇性電子轉(zhuǎn)移這一化學(xué)工程的重要研究領(lǐng)域開(kāi)辟了新的道路。
論文第一作者為化學(xué)工程與生物工程學(xué)院博士后陳一新，通訊作者為莫一鳴與宣軍。
（文 柯溢能/圖片 由課題組提供）
