三名Umicore科学家讨论了复生可以给各种行业带来的优势

从根本上来说,有必要开发高效的新途径来生产现代社会所需的药品、农用化学品、电子元件和其他化学品。工业合成需要结合高生产力和立体选择性在温和的条件下生产产品。烯烃复分解是生成这些产物的途径之一。继2018年初收购Materia的复分解知识产权后,Umicore已将自己定位为复分解技术的领先提供商。

这次圆桌讨论会聚集了三名Umicore员工:Jessica Gomes-Jelonek、Philip Wheeler和Dick Pederson。每个人都有丰富的复分解研发经验,从业务开发到实验室研究。

首先建立一点背景知识,你会如何描述烯烃复分解?

迪克Pederson:烯烃的复分解就是生成和破坏碳碳双键。它允许我们有效地“交换”两个烯烃分子的取代基,以构建更复杂的分子。如果反应物含有碳碳双键,那么就有机会发生复分解反应。创造新的碳-碳键通常是具有挑战性的,但通过使用复分解催化剂,你可以利用一个非常宽容和非常有效的反应途径。

菲利普•惠勒:对我来说,这个反应之所以如此重要是因为化学键的性质。碳碳键是化学中最重要的键之一。毫不夸张地说,它们是生命的基石。

除了合成,复代的优势在于它所做的一切

杰西卡Gomes-Jelonek

杰西卡Gomes-Jelonek:我认为复代的优势在于它所做的一切,除了合成。由于到达目标分子的路径可能有很多,化学家需要考虑其他有助于他们的因素。使它如此重要的是它能做的所有其他事情:绿色、高效、选择性和高产,并且比其他替代反应途径具有显著优势。

复生化学画新

复分解反应是形成碳碳键的非常有效的方法

惠勒:我还要强调的是,复分解包含了一系列不同的反应,这些反应取决于烯烃基团的位置。它可以用来打开或关闭环,以创造大环或其他有趣的环状分子。研究人员感兴趣的另一个领域是聚合反应——用简单的烯烃原料制造长聚合物。在可控性方面,一个比较有挑战性的复分解反应,叫做交叉复分解。这种类型包括两个分离的烯烃反应物,以形成所需的产物,通常乙烯作为副产物。

既然复分解是许多可能的反应途径之一,那么化学家为什么会选择复分解而不是其他任何一种反应呢?

Pederson:我认为什么设置与其他反应不同的是,复分解是反应中催化剂的宽容程度。这是一个平衡反应,会产生统计上的产品混合物,这意味着当错误的产品形成时,它们可以被回收以制造所需的产品。此外,许多交叉复分解反应可以非常集中或整齐地进行,而不需要过多的溶剂。这使得它在可持续性和成本方面都非常有吸引力:不需要购买、移除、回收或处理任何多余的溶剂!

Gomes-Jelonek:我同意,可持续性是任何工业公司的一个关键区别。但烯烃复分解有时也是能够进行一些更困难的反应的唯一途径,否则可能需要多级级联反应。例如,内酰胺-酰胺官能团分子-在药物化学的许多方面都很重要。在结构上,它们可能是复杂的环状分子,使合成具有挑战性。但研究人员已经多次应用Grubbs催化剂和复分解,在两步过程中以高收率合成这些分子。Grubbs实验室也有其他的例子提供了更好的化学选择性或活性。1

惠勒:化学也很像为手头的工作选择正确的工具。如果我们把每一个化学反应都看作是化学家工具箱里的一个工具,那么对于任何一个反应,化学家都会为正确的应用选择正确的工具。通常,他们能够提出多种合理的反应路线,在这种情况下,归根结底是要确定反应可以带来的其他好处。

Pederson:烯烃复分解是一种非常通用的反应。如果我们看一下反应的热力学,它是相对焓中性的。除非引入或减轻环应变,否则试剂之间很少有热交换,因为反应的起始点和结束点通常在能量方面非常相似。这意味着反应要么由熵驱动,要么由生成物的去除驱动。用1-己烯的复分解生成5-癸烯。在这种情况下,反应的第二个产物将是乙烯,它可以迅速被去除,推动反应形成产物。

维蒂希反应

Wittig反应的结果是三苯基氧化膦,它比烯烃复分解的乙烯副产物更难去除

惠勒:我还想指出只产生乙烯副产物的另一个优点。比较乙烯的形成与在替代反应中形成的副产物,如常用的Wittig或Heck反应。在Wittig反应中,氧化三苯基膦作为化学计量学副产物形成,通常很难从你想要的反应中去除。相比之下,乙烯是一种相对无害的分子,很容易被去除。这可以归结为催化反应的优势,如复分解,优于化学计量反应,如威蒂格反应。赫克反应是催化反应,但它需要预先激活一个伙伴作为卤化物,然后作为副产物释放出来。烯烃复分解的原子效率也更高,因为即使氯化物的原子量也比乙烯大(35 g/mol vs 28 g/mol)。

你认为这个行业在多大程度上采用了复转论?

Pederson:复分解作为一种商业反应已经存在了相当长的时间(大约20年),从那时起,它已被广泛应用于各种行业。作为一种合成新型活性药物成分的方法,在制药行业的采用特别高。大量采用这种方法的部分原因是制药行业用于研究新的反应路线的资金。

惠勒:资本投资可以在如何更好地实施反应方面发挥重要作用。实际催化剂的成本往往被进行复分解反应所需的少量催化剂所抵消。但通常情况下,执行反应的成本在很大程度上取决于所讨论的应用程序。例如,如果我们需要一种专业的催化剂,这是进行具有挑战性的闭环复分解反应的唯一选择,显然这将比更普通的反应更昂贵,需要更多专门的知识。

Gomes-Jelonek:但是复分解并不仅仅局限于制药业。虽然我同意这是一个在研发方面投入巨大的领域,但其他行业也看到了基于该技术的重大改进。例如,复分解已被用于合成电子涂料、信息素和其他精细化学品,如用于汽车工业的材料。这是一种广泛的反应,随着更多技术的发展,这种反应只会继续增长和演变。

您想在工业应用中强调一些具体的例子吗?

惠勒:我们很难仅仅举出一个复分解对化学工业产生影响的例子。碳-碳键在一系列产物中的普遍存在意味着转化能在任何地方都有用。

叶子上的毛毛虫

来源:©Oleksandr Chornyi / Getty Images

合成昆虫信息素通过干扰交配过程提供了一种有针对性和可持续的害虫控制方法

Gomes-Jelonek:就农业产业而言,我想到了一个具体的例子:昆虫信息素的合成。它们是一种很好的可持续的方法,通过破坏交配来帮助保护作物不成为昆虫的受害者,作为雌性吸引配偶的自然气味。在果园中充满雌性的信息素会使雄性昆虫感到困惑,使其无法找到雌性,从而阻止了交配和下一代的幼虫,破坏了水果和树木。昆虫信息素是选择性的,针对害虫而不伤害益虫。文献中有很多例子已经说明了转生催化剂如何选择性地合成昆虫信息素。我想到的一种方法是使用格拉布斯催化剂选择性地合成顺式烯烃,而不是反式烯烃,从而获得高收率。2费洛蒙的发育不就是你参与转义的原因吗,迪克?

Pederson:是的。鲍勃·格拉布斯和我是第一个利用他的转代技术生产昆虫信息素的专利发明者。3.那是在20世纪90年代末,我试图合成更具成本效益的昆虫信息素,用于干扰交配。传统的反应(乙炔化学和溶解金属还原)生产昆虫信息素的成本很高,我有兴趣尝试一些替代方法。我听说过烯烃复分解,所以我打电话给他,他给我寄了一些他的第一代复分解催化剂,我就能用它做一笔生意。但我想提一下另一个应用程序,它是2016年Materia项目的一部分。这涉及到合成一种聚合物来隔离石油管道,然后将其淹没在超过10000英尺(3000米)的深处。他们必须创造一种聚合物材料,可以应对在这样的深度下的温度和压力,结果证明,复分解是他们决定使用的绝缘聚合物的最佳途径。这是一项非常酷的工作。

如果一个公司想要研究复分解来替代他们目前的合成方法,他们必须克服哪些挑战?

Gomes-Jelonek:从广义上讲,该行业将面临两类不同的挑战:一类是复分解反应的一般性挑战,另一类是具体应用的挑战。因为每个反应都是真正定制的,每个催化剂、客户和反应的需求都是不同的。很难说主要的挑战将是什么,因为它实际上是根据具体情况来考虑的。

除了筛选催化剂、温度、压力等典型变量外,我们还会考察Brønsted和Lewis酸添加剂。

菲利普·惠勒

Pederson:杰西卡说得完全正确。我认为,总的来说,有一些事情是每个公司都需要考虑的。给定我想要的产品,我能从现成的原料中得到可行的反应吗?如果是,我可以很容易地散装得到这些试剂吗?这就是为什么种子油通常是有利的,因为它们是便宜的,可用的试剂。有时,确定最佳路线就像进行反合成一样简单:例如,看看我们可以在哪里插入一个双键,然后氢化,或者如果产品确实含有双键,我们需要根据它的位置进行反合成。

惠勒:还有其他因素需要考虑。包括我们在内的许多研究小组长期以来一直在优化工业复分解反应,因此对于如何提高工业性能,如收率、产物选择性和催化剂周转量,我们有很多了解。例如,除了筛选催化剂、温度、压力等典型变量外,我们还会研究Brønsted和Lewis酸添加剂。这些添加剂有助于减缓极性基团向催化剂中心的协调,在某些情况下,改变底物构象以促进产物的形成。

你们都认为在复分解催化领域下一个最大的创新会在哪里发展?

Gomes-Jelonek:我认为我们会看到交叉复分解在不同行业中越来越受欢迎。我们最近看到的一个例子是脂肪酸碳链的缩短。4通常脂肪酸链不能用于特定的应用,因为它们太长,这导致不利的性质。但通过复分解反应和适当的配体选择,我们可以为特定的应用定制长度,例如通过创建聚合物或表面活性剂来实现生物技术工业。5

Pederson:我认为在立体选择性合成中可以采用复分解反应的一个更令人兴奋的领域。我们已经讨论过昆虫信息素的研究,但这在其他行业非常常见。如果我们能给我们的客户提供一个反应,我们可以明确地说:‘如果你有一个顺式烯烃,你会得到一个顺式烯烃产品;如果有反式烯烃,就会得到反式烯烃产物。“这对很多行业都很有用!”不仅保证了产物的立体化学,而且还保证了后续可能发生的反应;比如手性氧化和氢化等等。

惠勒:我认为最后的障碍之一是化学家自己的思想。当化学工程师或化学家想到涉及烯烃的反应时,首先想到的一些反应是经典的有机化学反应,如Wittig反应或Horner-Wadsworth-Emmons反应,但与烯烃复分解相比,这些反应是低效的。在我看来,复分解将很快成为任何烯烃反应的第一个着眼点,这仅仅是因为这种化学反应是多么成功。

小组辩论资料

Jessica Gomes Jelonek博士她在学习化学时对复分解反应产生了兴趣。在研究了简单的石化烯烃复分解反应中的多相和多相化复分解催化剂后,她在博士论文期间开始研究可再生资源的复分解,特别是植物油的复分解。Jessica于2010年开始在Umicore工作,并参与了第一批复分解催化剂的开发和扩大规模。在过去的一年里,她一直在Umicore担任技术销售经理。

菲利普·惠勒博士曾在Materia担任业务发展经理,在被收购后加入Umicore。他的科学背景意味着他带来了数据驱动的方法来定义和实施Umicore的医药行业的商业战略。Philip现在在Umicore担任业务拓展经理。

理查德(迪克)佩德森博士他是Umicore研发组的负责人,拥有28年的工业经验,其中22年使用Grubbs的钌烯烃复分解催化剂。他创办了TillieChem公司,利用烯烃复分解生产昆虫信息素,用于生物理性害虫控制市场,后来将TillieChem的知识产权卖给了Materia。他为推进Grubbs的钌烯烃复分解技术做出了一些重要贡献,这些贡献包括合成新型螯合卡宾复分解催化剂,大量昆虫信息素的生产,参与发明了Elevance可再生资源公司在其每年4亿英镑的生物炼油厂中使用的烯烃分解过程,以及最近发现的立体保留复分解催化剂的发明者。他拥有31项已发行专利,17篇同行评审的出版物和3本关于钌烯烃复分解过程商业化的书籍章节。

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