科学家利用铁和自由基化学的精妙组合，开创了一种更安全、更快速合成卡宾的方法——这种分子动力源是现代医药与材料领域的核心。新方法的效率较以往技术提升100倍。
卡宾（carbenes）是寿命短、高反应活性的碳原子，通常用于药物合成和材料开发中至关重要的化学反应。在实验室里，这使得卡宾尤其难以制备，因为形成它们的方法有限且通常具有危险性。
该研究的合著者、俄亥俄州立大学文理杰出教授兼化学与生物化学系教授戴维·纳吉布（David Nagib）表示，俄亥俄州立大学研究人员首次发现了一种方法，使得生产这些金属卡宾变得容易得多。
他表示："我们的目标始终是探索能否找到前人未发现的新方法来获取卡宾。因为如果能以更温和的催化方式驾驭它们，就能实现新的反应活性，这正是我们取得的成果。"
研究人员通过使用铁作为金属催化剂，然后将其与易产生自由基的氯基分子结合，偶然发现了这种卡宾制备方法。这些成分协同作用形成了所需结构的卡宾，其中包括许多前所未有的新型卡宾。随后，为引发化学反应，这些卡宾会通过张力键快速附着到其他分子上，形成三角形的环丙烷结构。
这种三角形分子片段对药物和农用化学品的合成至关重要，部分原因在于其微小尺寸和特殊能量。尽管合成这种（药物中最常见的）结构存在多种方法，但该团队的研究灵感源于寻找最优制备途径。
纳吉布说："我们实验室执着于尽快找到制备环丙烷的最佳方法。我们专注于发明更好的工具来制造更优质的药物，在此过程中，我们解决了卡宾领域的一个重大难题。"
该研究近期发表于《科学》(Science)杂志。
在破解化学领域最大挑战之一的同时，团队还发现其方法在水中表现优异，这表明未来甚至有望在活细胞内可靠地生成金属卡宾以发现新药物靶点。据纳吉布称，这种新方法比其实验室过去十年开发的化学工具效率提升约100倍。
"我们实验室本质上是个工具开发实验室，"他表示，"对我而言，衡量工具价值或吸引力的标准在于他人是否采用你的工具。"
团队预期这项发现将产生深远影响，因为对科学家而言，获得制备和分类卡宾的新途径意味着当前耗能的多步生产工艺可变得更简单安全。对消费者而言，该技术开发的未来药物可能更廉价、更高效、起效更快且药效更持久。
纳吉布指出，这项工作可预防抗生素、抗抑郁药物以及治疗心脏病、新冠肺炎和HIV感染药物的短缺问题。
此外，鉴于该团队成果具有开创性意义，他们希望确保这种变革性的有机化学工具能被全球大小研究实验室和药物制造商广泛采用。纳吉布称，保证其策略未来可行性的最有效途径之一是持续改进现有技术。
"俄亥俄州立大学的团队以最卓越的协作方式共同开发了这个工具，"他说，"因此我们将加速探索其适用的催化剂类型，力求制备各类高挑战性、高价值的分子。"
其他俄亥俄州立大学合著者包括Khue Nguyen、Xueling Mo、Bethany DeMuynck、Mohamed Elsayed、Jacob Garwood、Duong Ngo和Ilias Khan Rana。该研究获得美国国家科学基金会、国立卫生研究院和布朗基础科学研究所的资助。