《【光明日报】中国科大发现廉价简洁可见光催化体系 有望促进有机合成新药规模化生产》

  • 来源专题:中国科学院亮点监测
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2019-04-06
  • 脱去羧基,将自由基片段从羧基的紧密束缚中释放出来,是有机合成尤其是新药合成领域最受关注和最有前景的方向之一。全世界科学家们设计各种催化剂来尝试挑战,中国科大的青年科学家团队独辟蹊径,发明了一种廉价简洁的催化剂体系,成果以研究长文的形式日前在线发表在国际权威期刊《科学》上。

      羧酸化合物在生活和生产中占据着重要地位,我们身边很多耳熟能详的物质都是羧酸化合物,比如构成蛋白质的基本物质氨基酸、食用醋的重要成分乙酸等。

      将羧酸化合物中的羧基脱去,产生的自由基片段,在材料、制药等行业中都有重要用途。传统的脱羧方法往往是在高温下进行,这种方法会产生数量众多、种类不明的各种副产品,导致最终产品无法在产业中方便使用。

      近年来,科学界尝试使用光催化反应的手段实现脱羧转化,利用光照来激发电子跃迁,进而通过电子转移过程产生自由基片段,实现在温和条件下化学键的断裂与重组。相比于传统的加热反应,具有操作简单、易于控制和节能环保等优点。光催化体系已成功应用于多种复杂功能分子的合成,展现出突出的催化合成价值和工业应用潜力。

      然而,目前光催化剂的类型主要为贵金属配合物(如铱、钌等)或有机染料,结构复杂且价格昂贵。这使得光催化工业体系成本高昂,流程复杂,控制难度大。因此,开发新型廉价多功能的光催化体系已经成为未来发展的重要方向。

      中国科大研究团队首次提出了基于可见光激发的分子间电荷转移用于光氧化还原催化的新概念,发现了一种简单易得、高效环保的非金属阴离子复合物光催化体系,仅仅使用廉价的碘化钠、三苯基膦(彩色胶卷显象的抗氧剂)和羧酸酯原料的三者的协同反应,成功实现了脂肪羧酸衍生物脱羧反应。

      该催化体系可以驱动氧化还原循环,简化光催化体系,降低光催化剂成本。利用该体系,中国科大傅尧和尚睿研究团队成功将多种天然、非天然氨基酸脱去羧基官能团,该反应在产量达到克级规模时仍可保持较高的催化效率,这也意味着产业化的可行性。

      这种新型光催化体系大大降低了催化剂成本,成功实现了温和条件下一系列重要的脱羧脱胺偶联反应,突破了传统反应的限制,解决了过渡金属在功能化合物和药物合成中残留等问题,为生物质羧酸分子转化、手性药物合成和多肽修饰提供了新的手段,具有重要的合成化学价值和良好的工业应用前景。

      该工作得到《科学》审稿人的高度评价:“这个工作可能会在光氧化还原催化领域引发新的研究方向,基于盐、膦以及电子受体的三组份组成氧化还原活性配合物,从而避免传统的过渡金属或者复杂的染料催化剂。”“这项工作给我们提供了一个非常有趣的概念:在不需要昂贵的过渡金属或者有机染料的作用下实现脱羧烷基化转化的方法,这对许多合成化学家来说可能是个好消息,催化体系非常简单、具有很好的应用前景,许多化学家将很快会使用该方法解决一些合成上的问题。”

相关报告
  • 《在可见光条件下有机敏化TiO2光催化剂对供-供-受体π结构中三苯胺基产氢驱动的影响》

    • 来源专题:可再生能源
    • 编译者:董璐
    • 发布时间:2015-07-30
    • 该论文主要关注生产氢从水和可再生能源来源,并通过空间位阻形成良好的光催化性能。报告同时指出只有在紫外光照射下,宽带隙半导体的活性才能发挥。然而,在金属络合物敏化剂的使用过程中,仍暴露了一些存在的困难,如资源的有限性,综合成本高和净化、环境毒性的困难。另一方面,有机染料作为光敏剂,在形式上表现出比金属配合物更强的捕光能力和廉价的特征,同时呈现出多样化的特点。染料的稳定性,在光反应中染料的解吸和重组的等问题仍然亟待解决。
  • 《【光明日报】中国科大建成新型光学量子行走实验系统》

    • 来源专题:中国科学院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2018-08-01
    •         中国科学技术大学郭光灿院士团队提出基于时间复用的新型量子行走方案,建成了50步的光学量子行走实验系统,并基于该系统首次直接测量具有手征对称性的量子行走中的体拓扑不变量。该成果6月26日发表在《物理评论快报》上。   量子行走是量子信息领域的重要研究方向,理论上已经证明基于该模型可以实现普适的量子计算。尽管目前已有多种实现量子行走的物理系统,但如何提高其行走规模一直是个重大难题。   郭光灿院士团队李传锋研究组通过多年尝试,成功建成可以进行大规模量子行走的量子光学实验系统。该系统基于时间复用的共线干涉框架,使用共线切割的双折射晶体实现自旋-轨道耦合,避免了额外的光子损耗。这种新型的设计使得该系统非常稳定,特别适合实现基于光子的大规模量子行走。研究组以0.945的高保真度演示了基于可预报单光子的50步的量子行走。   拓扑物态是由量子效应导致的与某些拓扑性质相联系的新物态,是近几十年物理学领域的研究热点。拓扑物态天然具有抵抗局域退相干的能力,所以在实现量子信息任务中也具有潜在应用价值。拓扑物态在凝聚态和冷原子等系统中已有大量的实验研究。近来,量子行走系统越来越多地被用于研究具有自旋-轨道耦合的物理系统的拓扑性质。通常的方法是基于体-边界对应原理,通过对边界态的研究反推物理系统的体拓扑性质。直接观测系统的体拓扑性质是拓扑物态研究中的热点和难点,其困难在于需要完全测定系统的基态波函数。   该研究组通过巧妙设计,成功实现对光学量子行走系统末态波函数的完整重构,进而直接读取具有手征对称的量子行走的体拓扑不变量。该光学量子行走实验平台对于进一步研究拓扑物态具有重要应用价值。   审稿人高度评价这一成果,认为该工作对量子行走中卷绕数的直接测量很新颖,也触及这个快速发展的领域的核心。该工作中用于实现大规模量子行走的实验装置是新颖的,相信可以在将来研究量子行走现象中发挥作用。