电化学将碳转化为有用的分子

一项化学合作带来了一种创造性的方法，可以将二氧化碳用于良好甚至健康的用途：通过电合成将其整合到一系列对药物开发至关重要的有机分子中。

在此过程中，研究团队有了创新发现。通过改变电化学反应器的类型，他们可以生产两种完全不同的产品，这两种产品都可用于药物化学。

该团队的论文“电化学反应器决定了N-杂芳烃羧基化中的位点选择性”，该论文于1月5日发表在《自然》杂志上。该论文的共同主要作者是博士后研究员PengYu和WenZhang，以及中国四川大学的Guo-QuanSun。

由文理学院化学与化学生物学教授宋琳带领的康奈尔团队此前曾使用电化学过程将简单的碳分子缝合在一起形成复杂的化合物，无需贵金属或其他催化剂以促进化学反应。

对于新项目，他们将目光投向了一个更具体的目标：吡啶，这是FDA批准的药物中第二常见的杂环化合物。杂环是有机化合物，其中分子的原子连接成环状结构，其中至少一个不是碳。这些结构单元被认为是“药效团”，因为它们经常出现在药用活性化合物中。它们也常见于农用化学品中。

研究人员的目标是制造羧化吡啶，即附加有二氧化碳的吡啶。将二氧化碳引入吡啶环的优势在于它可以改变分子的功能并可能帮助它与某些目标结合，例如蛋白质。然而，这两个分子并不是天然的伙伴。吡啶是一种反应性分子，而二氧化碳通常是惰性的。

“将二氧化碳直接引入吡啶的方法很少，”该论文的共同资深作者Lin和四川大学的Da-GangYu说。“目前的方法有非常严重的局限性。”

Lin的实验室将其在电化学方面的专业知识与Yu团队在有机合成中利用二氧化碳的专业知识相结合，他们能够成功地制造出羧化吡啶。

“电化学为您提供了拨入足以激活一些最惰性分子的潜力，”林说。“这就是我们能够实现这种反应的方式。”

该团队在进行电合成时偶然发现了这一发现。化学家通常以两种方式之一进行电化学反应：在未分隔的电化学电池中(其中提供电流的阳极和阴极位于同一溶液中)或在分隔的电化学电池中(其中阳极和阴极由一种多孔分隔器，可阻挡大的有机分子但允许离子通过)。一种方法可能比另一种更有效，但它们都生产相同的产品。

Lin的团队发现，通过从分裂细胞切换到未分裂细胞，他们可以选择性地将二氧化碳分子连接到吡啶环的不同位置，从而产生两种不同的产物：未分裂细胞中的C4-羧化和分裂细胞中的C5-羧化。

“这是我们第一次发现，只要简单地改变电池，我们称之为电化学反应器，就可以完全改变产品，”林说。“我认为对它发生的原因的机械理解将使我们能够继续将相同的策略应用于其他分子，而不仅仅是吡啶，并且可能以这种选择性但受控的方式制造其他分子。我认为这是可以推广的一般原则到其他系统。”

虽然该项目的二氧化碳利用形式不会解决气候变化的全球挑战，林说，“这是朝着以有用的方式使用过量二氧化碳迈出的一小步。”

合著者包括博士后研究员王毅和博士生陆志鹏;和四川大学的研究人员。