研究人员开发可持续的催化过程

乙缩醛是重要的化合物，例如用于某些药物的生产中。现在，一种新方法使它们的合成更容易且对环境更友好。波恩大学的化学家开发并优化了可持续催化工艺。还使用了最先进的计算机模拟。该反应基于自然界中经常发生的机理，但是迄今为止很少用于化学合成中。结果发表在Angewandte Chemie杂志上。

乙缩醛生产中的关键步骤是将两个氧原子键合到一个碳原子上。化学家经常通过氧化来实现这种安排。通常使用强氧化剂通过在反应过程中释放一个氧原子来实现这一目标。其余氧化剂必须在合成后进行处理。

波恩大学有机化学与生物化学研究所的AndreasGansäuer博士解释说：“但是，在我们的研究中，我们描述了一条称为原子经济的路径，这意味着它不会产生废物。” 。“起始分子本身已经含有氧化所需的氧原子。我们开发的催化作用只是简单地转移了分子中的氧，从而产生了乙缩醛。”

起始分子包含所谓的环氧基团，是一种“三角形”，其中两个角由碳原子形成，第三个角由氧原子形成。这样的三环承受很大的张力，因此在氧原子上容易断裂。环氧树脂像压缩弹簧一样存储必要的反应能量。

基于自然模型的催化

为了实现该目标，需要合适的催化剂。形象地讲，氧原子有两个“臂”，它们可以与之形成键。如果环氧环断裂，这些臂之一将变为自由。催化剂现在暂时与其结合。这引发了分子内部(分子内)重排的序列。在该序列的最后，氧原子再次释放催化剂，而是与所需的碳结合。“这一步骤称为氧气回弹，”Gansäuer说。

迄今为止，这种机制很少用于化学合成中，这与自然界中的做法大不相同：例如，肝脏利用“氧气反弹”来分解毒素。这也需要催化剂，即所谓的P450酶。它们的活性中心含有一个铁原子。波恩大学物理与理论化学研究所的Stefan Grimme博士解释说：“我们催化剂的核心还包括一种普通的无毒金属，即钛。”

在计算机上进行催化剂调优

在缩醛合成过程中，钛首先吸收氧原子，然后再次释放氧原子(氧化之后是所谓的还原)。这只有在氧与氧之间足够牢固地结合而不会过多“粘着”的情况下才有效。为了适当地调节其氧亲和力，钛与某些分子(其配体)结合。然后，取决于结合伴侣，金属具有更强的氧化作用或可以更容易地被还原。如今，借助于计算机来选择最合适的“调节分子”。Grimme教授周围的研究小组专门从事此任务：近年来，它开发了可以非常快速地模拟催化剂性能的算法。

这使研究人员能够优化催化剂，使其完全将起始原料转化为所需的缩醛。Gansäuer说：“结果很好地证明了实验与理论之间密切合​​作对开发可持续催化方法的有用性。”

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