近日,南方科技大学本科毕业生、美国麻省理工学院博士生张翀赫在Science发表了一篇一作论文,值得注意的是这篇论文只有三位作者,其他两位作者都是他的导师。
据他介绍,本次研究为如何高效合成重氮硼烷这一类分子提供了答案。
重氮硼烷,是重氮化合物和叠氮化合物的类似物。科学家们理所应当地期待重氮硼烷具有其相似的反应性。
而自 19 世纪以来,基于重氮化合物和叠氮化合物的反应已数不胜数,将这些反应类比到重氮硼烷上,能够让人们发现无数种新型的硼化反应。
自 1956 年硼氢化反应和 1979 年“铃木偶联”反应被发现以来,硼化反应一直是一个热门话题。
同时,硼化反应也是现代合成化学中一类非常重要的反应,它可以高效地进行官能团的转化和构建碳骨架,从而能够合成有医药价值的分子或有材料应用价值的分子。
因此,本次发现有助于更高效、更低成本地合成药物或合成功能材料。
其实,张翀赫在本科时就接触到了这类化学知识。在本科老师的指导下,张翀赫曾在实验室工作两年,并发表了一些论文。
他也是从那时意识到这类分子的重要性,但是至今任未被人所合成出来。
进入麻省理工学院之后,为了更高效地开展此课题,张翀赫同时加入两位教授的课题组,以便能够获得所需要的实验仪器进行试验。
研究中,他希望探寻一类新型的硼宾前体并探寻其新型硼化反应的可行性。但是,在实验初期重氮硼烷并不是他的目标分子,而是另外一个分子。
为此,他和导师在这个分子上进行了为期一年的研究,包括化合物的合成、表征、以及反应性的探究。
尽管他发现此分子确实可以在一定程度上达到预期,即能够作为硼宾前体释放硼宾。但是,对于其中的机理,他一直没有理解清楚。
而且,将其用于硼化反应也会带来很大的局限性,以至于很难进行应用推广。
于是,他和导师做了一个大胆的决定:放弃已经研究一年多的体系,探寻一个大家都已经有所构想、但至今从未被成功合成的分子——重氮硼烷。
现在看来这是一个十分有风险的决定,因为合成此化合物十分困难,可能耗时一年也是颗粒无收,而放弃之前的体系又意味着短时间内不会有学术成果。
不过,张翀赫当时并没有想特别多,只是根据所学的化学知识坚信重氮硼烷肯定可以稳定存在,只不过要选好一条非常完美的合成路线。
决定做这个课题之后,张翀赫并没有立即做实验,而是闭关学习了一周的文献。
借此,他查到了一个大家并不是经常用到的重氮转移试剂,其性质也符合稳定合成重氮硼烷化合物的预期。
接着,张翀赫便立即开展实验,在一个礼拜后便获得了十分不错的结果——成功获得了此化合物的核磁数据。
之后两个礼拜里,张翀赫又分别获得其他的表征结果,包括最为重要的单晶 X 射线衍射分析,这一表征的成功表明他将能够合成这一化合物。
至此,他和导师仅用了三个礼拜便合成了本次化合物,并花费三个多月完成了其余工作。
“可以说,自从决定冒着风险转战阵地,我们便一帆风顺。三个礼拜得到关键数据,三个月完成实验工作,一个月完成论文的撰写和修改,投稿后一个多月接到修改要求,又经过一个礼拜论文被接受。”其表示。
日前,相关论文以《N-杂环卡宾-稳定重氮苯的合成和反应性》(Synthesis and reactivity of an N-heterocyclic carbene–stabilized diazoborane)为题发在Science[1]。
张翀赫是第一作者,美国麻省理工学院的克里斯托弗·C·卡明斯(Christopher C. Cummins)教授和小罗伯特·J·吉利德(Robert J. Gilliard Jr.)教授担任共同通讯作者。
两位审稿人评价本次工作是硼化学领域的重大突破。其中一位审稿人表示很多课题组都曾尝试过合成这一类化合物,然而最终都以失败告终,因此看到本次设计出来的合成路线让其感到惊叹不已。
据张翀赫介绍,本次化合物的重要性在于它是一个优良的硼宾前体,并用被来尝试做一些新型的硼化反应。
目前,课题组最主要的计划就是探寻这些硼化反应的可行性。当然,他和导师也会改进重氮硼烷的合成路线,争取缩短合成步骤,并使用更便宜的化学试剂来完成合成。
参考资料:
1.Zhang, Chonghe, Christopher C. Cummins, and Robert J. Gilliard Jr. "Synthesis and reactivity of an N-heterocyclic carbene–stabilized diazoborane."Science385.6706 (2024): 327-331.
运营/排版:何晨龙
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