2021年又一篇Science！中国科大分步裁剪碳-氟键 三氟巧变双单氟

中国科大汪义丰教授团队利用自旋中心转移（Spin-center shift）机理，从廉价易得的三氟乙酸衍生物出发合成出用途广泛的双氟化物和单氟化物，开发了一种制备含氟有机化合物的新途径。北京时间3月5日，国际著名学术期刊《科学》杂志以“First Release”形式在线发布了该项工作。

氟是元素周期表电负性最大的元素，同时氟原子具有很小的原子半径，因此含氟有机物具有很多奇妙的性质。比如向药物分子引入氟原子或含氟基团，可以提高对细胞膜的渗透性、代谢稳定性以及生物可利用度等。因此，自然界几乎不存在的含氟有机物却是生命科学和材料科学等领域的“宠儿”。从廉价易得的原料出发，通过高效、温和的途径制备单氟和双氟有机物一直是科研和产业界的热点问题。

已经报导的方法大多利用氟化或氟烷基化试剂向分子中引入氟原子，汪义丰教授团队选择从成本低廉的三氟化物入手，通过碳-氟键的选择性活化来合成单氟、双氟化物。在生物合成DNA的过程中，一个关键的步骤是通过自旋中心转移机制切断碳-氧键，受这一机理启发，他们发现该过程也可以用于三氟乙酸衍生物的碳-氟键断裂，并成功发展了分步可控的脱氟官能团化反应，合成了结构多样的双氟和单氟有机化合物。

图：自旋中心转移反应过程第一次剪断三氟甲基中一个碳-氟键，使得碳原子和官能团（用方块表示）成键，生成二氟化物；自旋中心转移反应过程第二次剪开产物二氟化物的一个碳-氟键，使另一个官能团（用三角形表示）和碳原子成键，生成一氟化物。/插画：崔劼

合成方法是将三氟乙酰胺或者三氟乙酸酯等含三氟甲基的分子，路易斯碱-硼烷化合物和拟引入的新成分置于同一反应体系。在加热条件下，先产生路易斯碱-硼自由基，然后与三氟甲基分子作用，发生一次自旋中心转移过程，消除一个氟离子同时生成二氟甲基自由基。该自由基可以与拟引入的新成分反应，得到双氟产物。如果需要单氟化物，则再一次发生自旋中心转移反应，消除第二个氟离子，并引入另一个新的成分，生成单氟有机物。

第一作者、博士生余友杰经过了大量的艰苦实验才完成这项工作。他笑着说：“我都快坚持不下去了，幸好汪老师一直鼓励我。”共同第一作者特任副研究员张凤莲博士在K. N. Houk教授（UCLA）的指导下，经过一年多的理论计算和机理研究，最终从实验和理论上证实了碳-氟键断裂经历了自旋中心转移的机理，并找到了控制脱氟进程的关键因素。该合成方法条件温和，选择性好，在医药、农药和其他含氟特种材料等领域有一定的应用前景。审稿人高度评价这一成果：“发展了面向单氟和双氟有机化合物的全新合成方法。”

该工作受国家自然科学基金、中国科学院和中国科学技术大学项目资助。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2021/03/03/science.abg0781

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信息来源：化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部

文字：赵小娜、范琼

插画：崔劼

编辑：孙宗哲

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