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小身材大能量氢气(2)
氢气的给药方式主要有直接吸入、饮用富氢水、注射氢气生理盐水、使用含氢眼药水以及含氢沐浴产品和化妆品等[13]。氢气吸入是最直接的摄入方法,通过肺泡的换气作用,氢气经血液循环快速到达身体的各个部位发挥作用。饮用富氢水是最便捷的方法,有望成为疾病预防和治疗的有效手段。含氢溶液的静脉注射和局部使用是临床上使用最广泛的,氢气生理盐水的注射已经在包括失血性休克模型和急性胰腺炎等多种疾病模型中得到应用。含氢眼药水可以用于减轻视网膜损伤[14]。
图1 氢气在医学上的应用领域
3 氢气在合成化学中的用途
氢气是非常重要的工业原料,在合成中具有广泛应用,可以用作合成氨、甲醇、醛等,也可以用作还原剂,还原烯烃、醛、酮等不饱和键。氨的主要用途是用于制造氮肥,是目前世界上产量第二大的化学品,氢气是合成氨的主要原料。合成氨是一个可逆反应,早期需要在高温高压下进行,通过加入催化剂可以降低反应的温度和压力。2017年,中国科学院大连化学物理研究所的陈萍等[15]报道了一种过渡金属-氢化锂的“双活性中心”的催化剂体系,在温和的条件下实现了氨的合成,该实验结果证明了双中心作用机制下,可实现温和条件下氨的合成,为低温高效的氨合成催化剂的设计和开发提供了思路[16]。甲醇是有机合成工业中的主要原料之一,可以用来制备甲醛、对苯二甲酸二甲酯、醋酸、聚乙烯醇等。一氧化碳和氢气的混合气体称为水合气,可由煤、焦炭等气化产生,经过纯化后送至合成系统合成甲醇[17]。图2 是氢气用于合成氨和甲醇的化学反应方程式。
图2 氢气用于合成氨和甲醇
图3 氢甲酰化反应
烯烃的氢甲酰化反应是用于合成醛类化合物的重要方法之一,是指在过渡金属催化下烯烃与H2和CO 反应得到比原烯烃多一个碳的醛(图3)。由于醛是非常重要的工业原料,它既能被还原成低氧化态醇,又能被氧化成高氧化态羧酸及其衍生物,还能发生还原胺化得到有机胺等多种重要的化学 品,因此烯烃的氢甲酰化反应是当今工业上规模最大的工业反应之一[18,19]。在支链氢甲酰化反应中,如果使用手性催化剂,则可以得到光学活性醛,称为不对称氢甲酰化。中国科学院上海有机化学研究所的丁奎岭课题组[20]以及南方科技大学的张绪穆课题组[21]都发展了各自的手性膦配体(图4),成功实现烯烃的不对称氢甲酰化反应。如2006年,张绪穆课题组[22]发展了一类手性双齿膦-亚膦酰胺配体(R,S)-NEt-Yanphos 2 (结构2),该配体中含有两个手性联萘和一个二苯基膦(PPh2)配位单元,与萘骨架相连处含有一个NEt 基团,能与铑形成一个非常紧密的手性空间,在铑催化的苯乙烯衍生物和醋酸乙烯酯的不对称氢甲酰化反应中给出了优异的对映选择性(最高转换数TON = )。该催化体系与以往的Rh/(R,S)-BINAPHOS 催化体系相比,反应的区域选择性相当,反应压力更低,对映选择性更好。2008年,丁奎岭课题组[23]以苯环作为骨架发展了一种C2对称的手性双齿膦酸酯配体3 (结构3),苯环的邻位上有两个亚磷酸酯,同时与磷相邻的两个酚氧环能提供很大的位阻,使铑催化中心形成一个较大位阻差异的反应空腔,该配体在铑催化苯乙烯衍生物、醋酸乙烯酯和丙烯腈的不对称氢甲酰化反应中显示出了较高的区域选择性和对映选择性(最高TON = )。随后,他们又 合成了基于二茂铁骨架的手性双齿膦酸酯配体4 (结构4),发现该手性配体在铑催化的苯乙烯衍生物和醋酸乙烯酯的不对称氢甲酰化反应中,都表现出了很好的区域选择性,但对映选择性仅在醋酸乙烯酯中较好,在苯乙烯衍生物中对映选择性不理想[24]。2018年,张绪穆课题组[25]在(R,S)-NEt-Yanphos 2 的基础上又发展了新的双齿膦-亚膦酰胺配体5 (结构5),用于α-甲基苯乙烯类化合物的不对称氢甲酰化,得到了1,1-二取代非官能团化烯烃的不对称氢甲酰化的最好结果,该催化体系能将反应规模放大到克级,同时不影响反应的对映选择性。
图4 不对称氢甲酰化反应手性催化剂
在催化剂的作用下,氢气与不饱和有机化合物(如烯烃、炔烃、醛、酮和亚胺等)的反应称为催化氢化,具有高效、经济及清洁的优点,是非常重要的反应之一,在工业中应用非常广泛。如通过苯催化加氢得到的环己烷,可用于生产环乙醇、环己酮及制造尼龙-66 的单体己内酰胺等[26];将植物油氢化能得到人造奶油,可以作为奶油的替代品使用;在肥皂及甘油的制备过程中也涉及到氢化。如果在手性催化剂的存在下,氢气分子加成到有机化合物的不饱和键中,诱导产生具有光学活性产物则称为不对称催化氢化,它广泛应用于天然产物、药物等的合成中。美国的Knowles 教授在1968年应用手性膦配体与金属铑形成的手性催化剂实现了不对称催化氢化,虽然实验结果不是很理想,但该反应开创了不对称催化合成手性分子的先河。随后,Knowles 教授利用不对称催化氢化实现了治疗帕金森病的L-多巴胺的合成。日本的Noyori 教授以手性双齿膦配体BINAP 与过渡金属形成手性催化剂实现了高效的不对称催化氢化,为多种手性药物的工业合成提供了方法[27]。这两位科学家由于在不对称催化氢化方面所做出的杰出贡献而荣获2001年的诺贝尔化学奖。迄今为止,科学家们已经发展出了许多高效的手性配体及催化剂,应用于羰基化合物、亚胺、烯烃等不饱和键的不对称催化氢化中。如南开大学化学学院的周其林课题组[28-33]发展了一系列高效的基于手性螺环的催化剂用于不饱和羰基酸、酮、亚胺、烯胺等的不对称催化氢化。图5 是周其林课题组发展的手性螺环膦-噁唑啉配体的铱络合物催化剂用于不饱和羰基酸的不对称氢化,显示出了优异的反应活性和对映选择性,最高能得到99.8%的对映选择性,转换数TON 最高达,反应操作简单,条件温和,所需压力较低(<12 大气压)。相比现有的手性钌铱催化剂,更适合实际应用。以该类手性铱催化的不饱和羰基酸的不对称氢化为关键步骤,合成了多种手性药物和手性天然产物,大大扩展了手性铱催化剂的应用范围。
文章来源:《航空航天医学杂志》 网址: http://www.hkhtyxzz.cn/qikandaodu/2021/0407/1134.html
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