化学键类型(化学键图示)

碳氢键是最常见的化学键。例如，在石油和塑料中，三分之二的化学键是碳氢键。长期以来，这些碳氢化合物之间的密切关系阻碍了化学家将它们断开的尝试，这给为碳基分子添加新的附加功能带来了许多困难。

碳氢键的靶向加成反应称为碳氢键活化反应，这是困扰化学家很久的一个挑战，因为碳氢键是分子中不活跃的部分。如果能成功做到这一点，这将是许多化学研究人员的一大乐事。

虽然有机化学和无机化学在过去的几十年里都取得了很大的进步，但仍然没有一种试剂或催化剂可以让化学家将任何东西塞进最强的碳氢键中。

现在，经过近25年的努力，加州大学伯克利分校的一个化学家团队成功地打破了各种碳氢键，为大量新的有机分子的合成打开了大门。

与碳氢键竞争是加州大学伯克利分校的“优良传统”。1982年，化学教授罗伯特·伯格曼(Robert Bergman)首次证明铱(Ir)原子可以破坏有机分子中的碳氢键，它可以将自己置于碳和氢之间，并在它们之间连接一个配体。

罗伯特·伯格曼，加州大学伯克利分校化学教授(已退休)。|图片来源:加州大学伯克利分校

然而，伯格曼的发现并不适合实际操作，因为它需要每一个碳氢键断裂都有一个铱原子的存在。10年后，其他研究人员发现了一种方法，可以使用铱和其他过渡金属(如钨)作为催化剂，达到用一个原子断裂数百万个碳氢键的效果。

20世纪80年代末，现在是加州大学伯克利分校有机化学教授的约翰·哈特维格是伯格曼的研究生，他也研究不活泼的碳氢键。2000年，他在《科学》杂志上发表了一篇论文，描述了如何使用基于铑(Rh)的催化剂将硼(B)插入分子末端的碳氢键中。这种方法的优点是，一旦硼被成功地插入，它可以很容易地被其他化合物取代。

之后研究人员不断改进反应，参与反应的金属由铑变为铱。这种催化反应也被一些制药公司采用，通过修饰不同类型的碳氢键来合成药物。

然而，问题依然存在。当碳链末端的碳氢键是甲基(-CH)时，反应效率很低。例如，将甲烷转化为甲醇(CH₃OH)是一个难以实现的梦想。

甲基中的碳与三个氢原子相连，这个基团通常位于分子链的末端。甲基中的碳氢键是最强的，它们包含的电子最少，反应性最低。

5月15日，哈特维格和他的团队再次在《科学》杂志上发表了最新进展。他们设计了一种新的催化剂，最终突破了这种“最强”的碳氢键。

约翰·哈特维格，加州大学伯克利分校的化学教授。|图片来源:加州大学伯克利分校

新的研究所使用了一种基于铱的新催化剂。在反应中，铱可以打断末端甲基中三个碳氢键中的一个，换句话说，它可以切断一个末端氢原子，然后插入一个硼化合物，该硼化合物可以很容易地被其他更复杂的化学基团取代。

图中的黑球代表碳原子，图的中心显示了一种基于铱(蓝色)的催化剂，它可以切断位于分子末端的甲基(黄色)中的一个氢原子(白色)，并加入一个硼化合物(粉末和红色)。这种化合物可以用更复杂的化学基团代替。图的上部显示了在简单烃链上发生的反应；底部显示了发生在更复杂的碳化合物上的反应。图片来源:John Hartwig/加州大学伯克利分校

这种新型催化剂非常容易操作，其产生的催化反应几乎可以使各种化学物质附着在任何类型的碳氢键上，反应效率是以前催化剂的50到80倍。有了这种催化剂，化学家可以更快地生产出他们以前不愿尝试的分子。不是说这些分子过去不能制造，而是制造的时间可能太长，或者需要的研究成本太高。

为了证明这种新的催化反应的实用性，在实验中，研究人员利用这种技术将一种硼化合物添加到63个不同分子结构的末端碳原子上。然后，硼化合物被任意数量的化学基团取代。结果表明，虽然该反应对末端的碳氢键是特异的，但当分子末端没有碳氢键时，它也可以作用于其他位置的碳氢键。

这项技术可以带来巨大的回报。碳氢化合物是许多工业过程的关键成分。每年有近10亿磅碳氢化合物用于溶剂、制冷剂、阻燃剂、药物合成等工业制造。

利用这种新型催化剂，化学家可以通过微小的结构调整，改变或增强自然界中具有某些固有生物活性的复杂结构的生物活性。其潜在的应用之一是将动植物中的天然化合物改造成具有某些特殊功效的物质，使这些化合物的某些性质变得更好。此外，这项技术还有利于化学家在有机分子末端添加新的化学基团，并聚合成前所未有的长链分子。

哈特维格说，目前的结果只是初步的。由于反应最终产物的产率并不稳定，Hartwig认为仍然有很大的提高空，这意味着他们仍然需要继续制造更好的催化剂。

参考来源:

https://news . Berkeley . edu/2020/05/21/scientists-finally-crack-natures-most-common-chemical-bond/

https://science.sciencemag.org/content/368/6492/736

图片来源:MasterTux/Pixabay