有機化合物中引入氟原子可以改變分子的物理、化學和生物性質,因此含氟有機化合物在醫藥、農藥及材料領域有著非常重要的用途。目前市場上近25%的藥物含有至少一個氟原子,近30%的農藥含有氟原子。此外,含18F同位素標記的有機分子在臨床上也有著重要的用途。
有機氟化合物,是有機化合物分子中與碳原子連接的氫被氟取代的一類元素有機化合物。分子中全部碳-氫鍵都轉化為碳-氟鍵的化合物稱全氟有機化合物,部分取代的稱單氟或多氟有機化合物。由于氟是電負性最大的元素,多氟有機化合物具有化學穩定性、表面活性和優良的耐溫性能等特點。
很多有機氟化合物有重要的用途。例如,聚四氟乙烯可作人造關節的部件,長期用于人體內;全氟萘烷和全氟三丙胺的混合乳劑可作為氟碳代血液;全氟環丁烷可作食品發泡劑;全氟三丁胺乳劑可替換大白鼠的全部血液而使動物仍能正常存活。
但是,迄今為止發現的天然存在的含氟有機化合物為數不多,絕大部分的含氟有機化合物需要人工合成。因此,碳氟鍵的形成成為有機合成的一個重要研究方向。
碳氟鍵主要可分為C(sp2)–F鍵和C(sp3)–F鍵。目前C(sp3)–F鍵的形成主要有兩種方法:親核氟代和親電氟化。相比之下,第三種方法------自由基氟化研究甚少,其有機合成應用價值也未能體現出來。
中科院上海有機化學研究所天然產物合成化學院重點實驗室李超忠課題組在研究催化型的Hunsdiecker反應過程中發現,以硝酸銀為催化劑,商品化的試劑Selectfluor為氟源,脂肪酸在室溫至65oC溫度下即可在水相中脫羧氟代,以較高的效率生成相應的氟代烷烴(J.Am.Chem.Soc.2012,134,10401–10404.)。課題組由此首次提出了“金屬參與的氟原子轉移自由基反應”這一概念以及相應的三價銀介導的新穎反應機理。
在此基礎上,課題組設計進行了烯烴的自由基氨氟化反應(J.Am.Chem.Soc.2013,135,4640–4643.)和磷氟化反應(J.Am.Chem.Soc.2013,135,14082–14085.)。上述反應均在水相中進行,條件溫和,底物適用范圍廣,且具有良好的區域選擇性和官能團兼容性,體現了自由基氟化反應的優勢。這些研究成果不僅拓展了自由基氟化反應應用范圍,也為“銀促進的氟原子轉移”這一論點提供了更多佐證。
可以預計,銀催化的自由基氟化反應將在含氟有機小分子和氟材料的合成中發揮重要作用。這方面的研究正在繼續當中。
上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院和上海市科委的大力資助。