如何獲得“胺”全感？看功能有機(jī)胺的選擇性合成

出品：科普中國
作者：趙康，王紅利，崔新江，石峰（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽

“安得廣廈千萬間，大庇天下寒士俱歡顏”，這句唐代詩圣杜甫的千古名句，傳唱至今。這首詩真切表達(dá)了詩人希望天下窮苦人都能過上安定生活的美好理想和希望，表達(dá)了詩人關(guān)心民生疾苦的寬廣胸襟和濟(jì)世情懷。
古人有古人憂國憂民的思想情懷，今人亦有今人為實(shí)現(xiàn)國家繁榮富強(qiáng)而奉獻(xiàn)自己青春和力量的理想抱負(fù)。
對于現(xiàn)在的化學(xué)家來說，他們經(jīng)常會(huì)使用或者合成各類有機(jī)化合物，且深知這些化學(xué)物質(zhì)的“脾性”（有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)、毒性以及功能應(yīng)用等）。其中，最令化學(xué)家們感興趣的有機(jī)物之一就是有機(jī)胺。

什么是有機(jī)胺？
圖：氨基，由一個(gè)氮原子和兩個(gè)氫原子構(gòu)成，化學(xué)式為-NH2
**有機(jī)胺一般是指有機(jī)類物質(zhì)與氨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的有機(jī)胺化合物，**共分為脂肪胺類、醇胺類、酰胺類、脂環(huán)胺類、芳香胺類、萘系胺類以及其它胺類七大類。根據(jù)有機(jī)胺的氮上取代基數(shù)量的不同還可分為伯胺、仲胺和叔胺。
最簡單且最為人們所熟知的有機(jī)胺是尿素。它又被稱為碳酰胺（carbamide)，其化學(xué)式是CH4N2O，是由碳、氮、氧、氫組成的有機(jī)化合物，是一種白色晶體。
作為一種中性肥料，尿素適用于各種土壤和植物，是目前使用量較大的一種化學(xué)氮肥。
此外，有機(jī)胺還是一類重要的化學(xué)中間體，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥醫(yī)藥、化妝品、生物活性天然產(chǎn)物以及功能材料等精細(xì)化學(xué)產(chǎn)品的合成中。

化學(xué)家對“胺”全感的追求
隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)對有機(jī)胺的需求急劇增加。目前，全球有機(jī)胺的生產(chǎn)能力已超過100萬噸，而有機(jī)胺類化合物的生產(chǎn)主要集中在發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)有機(jī)胺的研究市場潛力巨大。
再加上有機(jī)胺化合物還在人們的社會(huì)生產(chǎn)和生命健康中扮演重要的角色。
因此，很多化學(xué)家專注于開發(fā)一系列經(jīng)濟(jì)高效、簡潔綠色的合成方法用于制備有機(jī)胺類化合物，創(chuàng)造在人們未來社會(huì)生產(chǎn)中可能需要的新型有機(jī)胺結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)有機(jī)胺類化合物的工業(yè)規(guī)模化合成和進(jìn)一步衍生應(yīng)用。
（圖片來源：veer）
通過對有機(jī)胺進(jìn)行合成和改造，為人們的衣食住行和生命健康提供便利和保障，從而為人類創(chuàng)造更美好的物質(zhì)生活，增加人們的 “胺”全感和幸福感，這就是很多化學(xué)家的理想追求。

有機(jī)胺的合成發(fā)展
提到有機(jī)胺的合成，不得不提的是尿素的合成，為什么呢？
因?yàn)槟蛩氐暮铣刹粌H具有重大的工業(yè)意義，它還代表了有機(jī)化學(xué)的起源。
“有機(jī)化學(xué)”這一名詞于1806年首次由貝采利烏斯提出。當(dāng)時(shí)是作為“無機(jī)化學(xué)”的對立物而命名。19世紀(jì)初，許多化學(xué)家相信，在生物體內(nèi)由于存在所謂的“生命力”才能產(chǎn)生的有機(jī)化合物是不能由無機(jī)化合物合成的。
1824年，德國化學(xué)家弗里德里希·韋勒用氰經(jīng)水解制得草酸，1828年他無意間用加熱的方法又使氰酸銨轉(zhuǎn)化為尿素。氰和氰酸銨都是無機(jī)化合物，而草酸和尿素都是有機(jī)化合物。于是，1828年，韋勒發(fā)表了《論尿素的人工制成》論文，這標(biāo)志著有機(jī)化學(xué)的開端。
化肥（圖片來源：Veer圖庫）
現(xiàn)代工業(yè)上都以氨和二氧化碳為原料生產(chǎn)尿素。世界上第一座這樣的工廠是由德國的法本公司于1922年在Oppau建成投產(chǎn)的，采用的是熱混合氣壓縮循環(huán)。
除了最簡單的有機(jī)胺—尿素，其他種類有機(jī)胺的工業(yè)規(guī)?；铣梢踩〉昧艘欢òl(fā)展。
目前，工業(yè)上有機(jī)胺類化合物的制備方法主要有醇、鹵代烷對氨/胺的烷基化，醛的還原胺化，以及腈的還原等。但這些方法的原料均需多步合成、操作步驟復(fù)雜、污染環(huán)境，且反應(yīng)條件苛刻，所需溫度及壓力較大。
因此，無論在科學(xué)還是工業(yè)生產(chǎn)層面，都需要化學(xué)家們?nèi)ラ_發(fā)創(chuàng)造更加高效簡潔、綠色經(jīng)濟(jì)和符合可持續(xù)發(fā)展原則的有機(jī)胺合成路線。

如何“一步”合成有機(jī)胺？
既然需要發(fā)展更加高效的有機(jī)胺合成路線，那么能夠“一步”合成胺的反應(yīng)具有重要意義。
“烯烴的氫胺甲基化”就是這樣一類典型的串聯(lián)羰基化反應(yīng)，它能夠以“一鍋”的方式將烯烴、合成氣（一氧化碳和氫氣）和原料胺直接轉(zhuǎn)化為更加復(fù)雜的產(chǎn)物胺。
這個(gè)反應(yīng)的原子利用率高達(dá)100%，充分利用了工業(yè)上產(chǎn)生的有毒廢氣一氧化碳，減少了反應(yīng)過程中固廢對環(huán)境的危害，符合綠色化學(xué)的理念和可持續(xù)發(fā)展的要求。
圖片來源：作者自制
在烯烴的氫胺甲基化中，離不開催化劑的催化作用，催化劑是幾乎所有有機(jī)反應(yīng)順利進(jìn)行的關(guān)鍵核心。
目前在氫胺甲基化反應(yīng)中，均相催化劑的反應(yīng)效率和區(qū)域選擇性（反應(yīng)過程中會(huì)生成直鏈胺和支鏈胺）都能取得良好的結(jié)果，但是存在銠、釕貴金屬難以重復(fù)使用的問題。
雖然在雙相催化工藝中銠、釕貴金屬流失的難題在一定程度得到了解決，但是反應(yīng)效率較低。多相催化劑雖然也能在一定程度上實(shí)現(xiàn)銠、釕貴金屬的重復(fù)使用，但是反應(yīng)的活性和產(chǎn)物有機(jī)胺的區(qū)域選擇性難以得到有效保障。
因此，如何設(shè)計(jì)開發(fā)高效的多相催化劑用于氫胺甲基化反應(yīng)，從而獲得優(yōu)異的產(chǎn)率、區(qū)域選擇性以及催化劑可重復(fù)使用性是該研究領(lǐng)域的難題。
近期，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所羰基合成與選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室均多相融合催化課題組設(shè)計(jì)了一種新型的聚合物催化劑。
該聚合物催化劑以雙齒膦配體DPMphos和單齒膦配體p-3vPPh3為共聚單體，并在制備聚合物的過程中利用原位包埋活性金屬銠而制得，被命名為Rh@CPOL-DPMphos&p-3vPPh3。
（圖片來源：Chemical Communications）
在聚合物催化劑中，金屬銠是以單原子分散的形式存在（聚合物催化劑的球差電鏡表征圖上，每一個(gè)白色的點(diǎn)代表一個(gè)活性單原子銠位點(diǎn)）。
聚合物催化劑的球差電鏡表征圖
（來源：Chemical Communications）
該催化劑在通過烯烴的氫胺甲基化合成功能有機(jī)胺的反應(yīng)中呈現(xiàn)良好的反應(yīng)性能，反應(yīng)產(chǎn)率高達(dá)90%、直鏈胺選擇性高達(dá)99%，對于不同的原料烯烴和原料胺展均現(xiàn)出良好的底物普適性，并且在聚合物催化劑的重復(fù)使用過程中沒有發(fā)現(xiàn)活性金屬銠的流失。
和目前已報(bào)道的多相銠基催化劑相比，該聚合物催化劑展示出更加優(yōu)異的活性和區(qū)域選擇性。

（圖片來源：Chemical Communications）

那么，為什么該聚合物催化劑具有優(yōu)異的區(qū)域選擇性呢？
主要有以下兩點(diǎn)原因，一是聚合物催化劑內(nèi)擁有多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)（不同尺寸的介孔通道），能將活性金屬銠包埋在孔道內(nèi)部，有利于通過孔道的空間限域來提升產(chǎn)物直鏈胺、降低產(chǎn)物支鏈胺的生成速率，從而提高反應(yīng)的區(qū)域選擇性。
二是聚合物催化劑中的雙齒膦配體DPMphos能夠和活性金屬銠形成有益配位構(gòu)型，這也促進(jìn)了區(qū)域選擇性的提升。
總之，聚合物催化劑中多級(jí)孔道的空間限域和雙齒膦配體的配位作用協(xié)同促進(jìn)了氫胺甲基化反應(yīng)區(qū)域選擇性的提升。
該聚合物催化劑雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離工業(yè)應(yīng)用還非常遙遠(yuǎn)，且催化劑本身也存在一些不足，比如，催化劑制備成本高等。
但是，該聚合物催化劑的開發(fā)能在一定程度促進(jìn)有機(jī)胺合成領(lǐng)域的發(fā)展，為設(shè)計(jì)更高效、實(shí)用性更強(qiáng)的合成有機(jī)胺的催化劑提供啟發(fā)。

結(jié)語
一項(xiàng)有意義的科學(xué)研究從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用進(jìn)而服務(wù)大眾，本就是漫長艱辛且曲折的過程，需要許多科學(xué)家和科研團(tuán)隊(duì)十年如一日的努力鉆研和奮斗。這也是科學(xué)研究和科學(xué)家的價(jià)值所在。
正如我國核物理學(xué)家、“兩彈一星”元?jiǎng)族X三強(qiáng)院士所說“科學(xué)經(jīng)歷的是一條非常曲折、非常艱難的道路”。一個(gè)國家的發(fā)展和強(qiáng)大離不開科學(xué)創(chuàng)新，而一個(gè)重要且有價(jià)值的科研成果自然也離不開優(yōu)秀的科研人員的刻苦鉆研。
民族復(fù)興征程遠(yuǎn)，眾志成城莫等閑。真誠希望這篇文章能夠使更多人從科普中獲取一些知識(shí)，更加堅(jiān)定有志于未來從事科研的年輕人的理想信念，進(jìn)而為社會(huì)的發(fā)展和祖國的繁榮富強(qiáng)做出貢獻(xiàn)。

編輯｜王婷婷
參考文獻(xiàn)：
1. https://baike.baidu.com/
2. http://wikipedia.moesalih.com/
3. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cc/d2cc02469a