现代炼金术士正在使化学更环保

由PaulChirik教授领导的一组化学家正在寻找方法，用更便宜、更环保的替代品来替代对环境不利的贵金属。

古代炼金术士试图将铅和其他普通金属变成黄金和铂金。普林斯顿大学PaulChirik实验室的现代化学家正在改变依赖于环境不友好的贵金属的反应，寻找更便宜和更环保的替代品来替代药物生产和其他反应中的铂、铑和其他贵金属。

他们发现了一种革命性的方法，使用钴和甲醇来生产一种癫痫药物，而这种药物以前需要铑和二氯甲烷(一种有毒溶剂)。EdwardsS.Sanford化学教授Chirik说，他们的新反应速度更快、成本更低，而且对环境的影响可能要小得多。“这突出了绿色化学的一个重要原则——更环保的解决方案也可能是化学上的首选解决方案，”他说。该研究于5月25日发表在《科学》杂志上。

“药物发现和过程涉及各种奇异元素，”奇里克说。“我们大约在10年前就开始了这个项目，它确实是出于成本的考虑。铑和铂金等金属非常昂贵，但随着工作的发展，我们意识到它不仅仅是定价。......如果你考虑从地下挖出铂金，就会存在巨大的环境问题。通常，您必须深入约一英里并移动10吨泥土。这会产生大量的二氧化碳足迹。”

Chirik和他的研究团队与Merck&Co.,Inc.的化学家合作，寻找更环保的方法来制造现代药物化学所需的材料。该合作得到了美国国家科学基金会的学术与行业联络资助机会(GOALI)计划的支持。

一个棘手的方面是，许多分子具有反应不同的右手和左手形式，有时会产生危险的后果。美国食品和药物管理局有严格的要求，以确保药物一次只有一只“手”，称为单一对映体药物。

Chirik说：“化学家们面临着发现仅合成一种药物分子而不是合成两种药物分子然后分离的方法的挑战。”“历史上以铑等贵金属为基础的金属催化剂一直致力于解决这一挑战。我们的论文表明，一种在地球上储量更丰富的金属钴可以用来合成癫痫药物Keppra，只需一只手即可。”

五年前，Chirik实验室的研究人员证明，钴可以制造单一对映体有机分子，但只能使用相对简单且无药用活性的化合物，并且使用有毒溶剂。

他说：“我们受到启发，将我们的原理论证转化为现实世界的例子，并证明钴的性能优于贵金属，并且可以在更环保的条件下工作。”他们发现他们的新钴基技术比获得专利的铑方法更快、更具选择性。

“我们的论文展示了一种罕见的情况，在这种情况下，地球上丰富的过渡金属可以在合成单一对映异构体药物时超越贵金属的性能，”他说。“我们开始转向的是，地球上储量丰富的催化剂不仅取代了贵金属催化剂，而且它们具有明显的优势，无论是前所未见的新化学物质，还是提高反应性或减少环境足迹。”

不仅贱金属比稀有金属更便宜、更环保，而且新技术在甲醇中运行，甲醇比铑所需的氯化溶剂更环保。

“药物分子的制造由于其复杂性，是化学工业中最浪费的过程之一，”Chirik说。“产生的大部分废物来自用于进行反应的溶剂。该药物的专利途径依赖于二氯甲烷，这是一种对环境最不友好的有机溶剂。我们的工作表明，地球上丰富的催化剂不仅在绿色溶剂甲醇中运行，而且在这种介质中也能发挥最佳性能。

“对于地球上丰富的金属催化剂来说，这是一个变革性的突破，因为这些催化剂在历史上并不像贵金属那样坚固。我们的工作表明，金属和溶剂介质都可以更加环保。”

该论文的第一作者、Chirik实验室的前研究生MaxFriedfeld指出，甲醇是使用贵金属的单手化学的常用溶剂，但这是第一次证明它在钴系统中有用.

Chirik说，钴对绿色溶剂的亲和力令人惊讶。“十年来，基于地球上丰富的铁和钴等金属的催化剂需要非常干燥和纯净的条件，这意味着催化剂本身非常脆弱。通过在甲醇中操作，不仅反应的环境状况得到改善，而且催化剂更易于使用和处理。这意味着钴在氢化以外的许多应用中应该能够与贵金属竞争甚至胜过贵金属。”

研究人员指出，与默克公司的合作是做出这些发现的关键。

Chirik说：“这是学术与工业合作的一个很好的例子，并强调了最基本的——电子在钴和铑中的流动方式有何不同?-可以告知应用程序-如何以更可持续的方式制造重要药物。我认为可以肯定地说，如果默克和普林斯顿的两个团队独立行动，我们就不会发现这一突破。”

默克公司工艺研究与开发部催化实验室的副首席科学家MichaelShevlin说，关键是体积，他也是该论文的合著者。

Shevlin说：“我们可以快速建立大型实验阵列，覆盖更多数量级的化学空间，而不是仅仅尝试一些实验来检验假设。”“协同作用是巨大的;MaxFriedfeld和[合著者兼研究生]AaronZhong等科学家可以在我们的实验室进行数百次实验，然后将最有趣的结果带回普林斯顿进行详细研究。他们在那里学到的东西会影响到这里的下一轮实验。”

Chirik的实验室专注于“均相催化”，即使用溶解在工业溶剂中的材料进行反应的术语。

“均相催化通常是这些贵金属的领域，它们位于元素周期表的底部，”奇里克说。“由于它们在元素周期表中的位置，它们往往会经历非常可预测的电子变化——一次两个——这就是为什么你可以用这些元素制作珠宝，因为它们不会氧化，它们不会与氧。所以当你研究地球上丰富的元素时，通常是元素周期表第一行的元素，电子结构——电子在元素中的移动方式——发生变化，所以你开始得到单电子化学，这就是为什么您会看到这些元素生锈之类的东西。

Chirik的方法提出了整个领域的根本转变，加州大学欧文分校的化学教授VyDong说，他没有参与这项研究。“保罗的转变是通过单电子氧化而不是双电子途径发生的，”她说。“这听起来差别不大，但对于化学家来说，这是一个巨大的差别。这就是我们关心的——事物在键和原子层面上是如何运作的。当你谈论通过你通常期望的一半电子发生的路径时，这是一件大事。……这就是为什么这项工作真的很令人兴奋。你可以想象，一旦我们摆脱了那个模式，你也可以开始将它应用到其他事情上。”

Chirik说：“我们在元素周期表的一个领域工作，人们很长一段时间都没有研究过，因此有大量新的基础化学。”“通过学习如何控制这种电子流，世界向我们敞开了大门。”