实现药物分子低成本三氟甲基化浙大成果登《科学

  含氟无机物在自然界中屡见不鲜，但含氟的天然有机物却极为罕见，大多数含氟有机物是通过合成方式获得的。其中，含有三氟甲基的有机物比重较大，这还在于三氟甲基的引入可以显著改善化合物的亲脂性和代谢稳定性。因此，三氟甲基化合物在医药与农药等领域大放异彩，如治疗精神抑郁的药物Prozac、抗病毒药物Letermovir、治疗高血脂的药物Lomitapide等均含有这一特殊集团。

  在目标分子上修饰三氟甲基深受新药研发领域的欢迎，三氟甲基化是生产高的附加价值产品的重要方法。如何安全、高效且低成本地将三氟甲基引入目标分子是有机氟化学最受关注的课题之一。尽管以三氟甲基化试剂作为前体直接在有机分子上引入三氟甲基被视为是生产高的附加价值产品的有效策略，但其成本过高，大部分在每克几百甚至几千元，导致这类方法仅适用于研发，很难直接应用于实际生产。

  研究团队与所开发的反应装置图。（从右到左：莫一鸣、陈一新、何宇晨、宣军、高勇）

  从原子经济、生产所带来的成本、易操作性等方面来看，三氟乙酸是非常理想的三氟甲基来源，相比其他试剂，其价格极其低廉（每公斤约300元）。但三氟乙酸的高氧化电位制约了其直接应用，需要强氧化剂等非常剧烈的条件才能使三氟乙酸转化为可直接与有机分子反应的三氟甲基自由基。这会导致许多对氧化剂敏感的有机分子如含氨基或醛基的分子无法应用在该类体系中，而这类基团广泛存在于一些药物或农药中，极大限制了三氟乙酸的应用场景范围。因此，如何在温和条件下实现对三氟乙酸的直接利用来生产高的附加价值的三氟甲基化产品极具挑战。

  为了克服这一难题，近日浙江大学化学工程与生物工程学院百人计划研究员莫一鸣团队提出了阴离子屏蔽抑制传质的方法，逆转了热力学上的优先氧化顺序，采用光电催化技术实现了对三氟乙酸根的优先氧化并获得具有高附加价值的三氟甲基化产品。这一创新方法不但可以将部分极易被氧化的分子转化为三氟甲基化产品，还可实现高的附加价值三氟甲基化产物的百克级合成。

  三氟乙酸的直接利用的最大难点在于其氧化电位过高（＞2.24 V vs. SCE），如果采用强氧化剂活化三氟乙酸，根据热力学的氧化顺序，往往会导致同一体系中存在的其他有机分子被优先氧化。

  为了解决这一难题最直接的方案就是阻止有机分子于氧化剂“非间接接触”。为此，莫一鸣团队选择光电催化作为技术方法。在光电催化中，光阳极在光照下产生的光生空穴就是“氧化剂”，而阴离子层就像一层屏障一样，阻止有机分子与光阳极非间接接触，从而避免了有机分子的优先氧化。经过大量的实验验证，该团队提出了“阴离子层限制传质从而限制氧化”的选择性氧化机制，并建立了光电催化三氟甲基化的新型方法。

  该方法可兼容多种极易被氧化的有机分子，而且，光电催化体系可稳定运行超过300小时。此外，利用模块化、可放大的光电流微反应装置实现了高的附加价值三氟甲基化产物的百克级合成。

  该项研究不仅为三氟甲基化这一极具实际生产价值的合成方法提供了新思路，而且为传质调控选择性电子转移这一化学工程的重要研究领域开辟了新的道路。

  论文第一作者为化学工程与生物工程学院博士后陈一新，通讯作者为莫一鸣与宣军。