먼저 교차 결합 반응의 일반적인 패턴을 살펴보겠습니다.

교차 결합 화학의 기본 금속

이들은 산화 상태 0(0가 금속)의 10족 금속입니다. 배위 불포화 복합체가 반응에 참여합니다. 세 가지 금속 중 팔라듐이 가장 다재다능하고 니켈은 훨씬 더 좁은 용도로 사용되며 백금은 전혀 사용되지 않습니다.

가장 일반적으로 사용되는 0가 금속 착물

간단하고 쉽게 사용할 수 있는 리간드인 니켈 비스-사이클로옥타디엔 착물, 팔라듐 테트라키스(트리페닐포스핀) 착물, 팔라듐-디벤질리덴아세톤 착물 등 여러 형태로 존재합니다.

트리플레이트

– 매우 중요한 유형의 친전자체로, 수많은 페놀과 에놀화 가능한 카르보닐 화합물의 교차 결합을 가능하게 합니다. 그러나 트리플레이트는 sp2 탄소를 가진 유도체로 제한되는 반면, 할로겐 유도체는 모든 유형의 친전자성 탄소를 가질 수 있습니다.

염소 유도체의 산화 첨가

예를 들어 부피가 큰 치환기를 갖는 트리알킬포스핀(트리스(tert-부틸)포스핀, 트리사이클로헥실포스핀)과 같은 특수 리간드가 필요합니다. 이들 리간드의 효과는 높은 공여체 용량뿐만 아니라 배위 불포화 활성 복합체의 형성을 촉진하는 입체 부피와도 연관되어 있습니다.

재금속화

이것은 고전적인 교차 결합에서 금속의 배위 영역에 친핵체를 로딩하는 주요 방법입니다. 마그네슘, 아연, 주석 및 기타 양극성 금속의 유도체를 사용하면 금속 교환이 쉽게 발생하며 추가 활성화가 필요하지 않습니다.

환원적 제거는 포스핀 킬레이트제에 의해 가속화됩니다.

특히 포스핀 중심과 금속의 결합 사이의 각도(물린 각도)가 정사각형 평면 복합체의 표준 직각보다 큰 경우. 이 유형의 가장 인기 있는 리간드 중 하나는 다음과 같습니다. dppf .

교차 결합 - 촉매 공정

0가 mell의 활성 복합체는 환원 제거 후 자발적으로 재생되어 촉매 주기의 새로운 단계에 들어갑니다. 다이어그램에서 촉매 사이클의 단계는 원으로 배열되어 촉매 자체로 간주되어야 하는 활성 금속 착물을 사이클의 시작 부분에 배치합니다.

클래식 크로스 조합.

네 가지 주요 교차 일치 반응은 다음과 같습니다. 스즈키-미야우라 반응(유기 붕소 화합물과의 교차 커플링), Stille 또는 Kosugi-Migita-Stille 반응(유기 주석 화합물과의 교차 커플링), Negishi 반응(유기 아연 화합물과의 교차 커플링), Kumada 또는 Kumada-Tamao-Corriu-Murahashi 반응(교차- 유기아연 화합물과의 결합).

스즈키-미야우라 반응의 촉매 주기는 금속 교환 단계에 따라 두 가지 변형으로 작동하는데, 이는 4배위 붕소 음이온의 형성(보다 일반적인 경로)을 통해 또는 팔라듐의 추가 리간드 교환을 통해 추가 활성화(지원)가 필요합니다. . 두 경우 모두, 반응에는 산소에 음전하를 띤 견고한 염기가 필요합니다. 같은 이유로 반응은 수산화물 이온의 존재를 제공하는 물의 존재 하에서 매우 자주 수행됩니다.

Big Four에 인접한 것은 말단 아세틸렌과 교차 결합하는 매우 중요한 방법인 Sonogashira 또는 Sonogashira-Hagihara 반응입니다. 이 반응에서는 적어도 공식적으로는 유기 금속 화합물이 친핵체로 사용되지 않고 친핵체 자체인 아세틸렌화물이 사용됩니다. 이온은 말단 아세틸렌의 반응 혼합물에서 직접 얻어집니다. 사실, 이것은 전적으로 사실이 아니며, 이 방법 역시 금속 교환 반응을 기반으로 합니다.

새로운 크로스 조합. 1995-…

이러한 고전적 반응은 모두 1960년대와 70년대에 발견되었으며, 1980년대 초반까지 강력한 유기 합성 방법으로 개발되어 이전에는 접근할 수 없었던 수천 개의 유기 화합물을 합성할 수 있게 되었습니다. 그러나 80년대 초반에 이르러 금속 착물의 반응성을 제어하고 다양한 장애물(예: 환원 제거의 낮은 반응성)을 극복하는 방법에 대한 진지한 이해가 없었기 때문에 이 분야의 개발은 사실상 중단되었습니다. ” 금속의 배위구에서 나온 제품 등 메커니즘을 연구하고 새로운 리간드와 복합체를 만드는 데 집중적인 노력을 기울인 지 15년이 지나야 비로소 진전이 가능해졌고, 1990년대 중반부터 이 과학이 놀라울 정도로 급속한 성장을 시작했습니다. 이 이정표 이후에 발견되고 개발된 방법을 New Cross-Combination이라고 부를 수 있습니다. 이 새로운 화학에서 특별한 위치는 더 이상 C-C 교차 결합이 아니라 탄소와 다른 원자 결합을 형성하는 방법이 차지합니다. 우선, C-N 결합은 형성 반응이 매우 자주 발생하지만 완전히 성공적이지는 않습니다. 아미네이션.

C-N 결합 형성 가능성

교차 커플링 반응은 1980년대 초부터 알려져 왔으며, 예를 들어 브로모벤젠과 아민의 주석 유도체 반응(Kosugi-Migita 반응)은 C-C 교차 커플링의 Stille 반응과 완전히 유사했습니다. 발견되었습니다. 그러나이 반응은 가능성이 부족할뿐만 아니라 합성 물질이 독성 주석 화합물과 관련되는 것을 꺼려하기 때문에 전혀 사용되지 않았습니다.

주요 임무는 반응에서 아민 자체를 사용하는 방법입니다.

즉, 금속 교환 반응에서 직접적인 리간드 치환으로 친핵체의 배위 영역으로의 로딩을 이동시키는 것입니다. 이 문제는 해결되었으나 생성된 복합체는 환원 제거에 안정적인 것으로 나타났습니다. 적절한 염기가 침착되어 배위된 아민을 탈양성자화한 경우에만 마지막 단계를 시작할 수 있었습니다. 그러나 이 공정에 사용된 첫 번째 유용한 리간드인 트리스(o-톨릴)포스핀은 부반응과 낮은 수율로 인해 아민의 범위를 확장하지 못했습니다.

BINAP는 가장 효과적인 리간드입니다.

브로모 유도체와 트리플레이트와 2차 및 1차 아민의 C-N 교차 결합의 경우 가장 성가신 부수 공정인 브로모 유도체의 환원성 탈할로겐화를 효과적으로 방지할 뿐만 아니라 반응 생성물을 배위 영역 밖으로 밀어내는 데도 도움이 됩니다. 상당한 입체적 부피.

기본 C-N 기술교차 조합

BINAP를 리간드로 사용하고 나트륨 tert-부톡사이드를 염기로 사용합니다. 이 기술을 사용하면 매우 다양한 치환기를 갖는 이전에는 찾기 어려웠던 수천 개의 디알킬아릴, 알킬디아릴, 디아릴 및 트리아릴 아민을 제조할 수 있었습니다. 이 반응, 즉 Hartwig-Buchwald(Bachwold) 반응의 발견은 질소 함유 화합물 합성에 있어 진정한 혁명이었습니다.

새로운 리간드 개발

예를 들어, 입체 인자와 2차 배위 중심으로 인해 금속의 배위 영역을 효과적으로 제어하는 ​​새로운 높은 공여체 포스핀을 사용하면 이러한 문제의 대부분을 해결하고 더 큰 촉매와의 반응에서 염소화 유도체 및 토실레이트를 사용하는 새로운 선택적 프로토콜을 개발할 수 있습니다. 효율성(더 많은 TON)? 방법의 합성 범위를 크게 확장합니다.

C-N 교차 결합에 아미드 사용

낮은 친핵성뿐만 아니라 금속과의 킬레이트 결합으로 인해 환원 제거를 억제하기 때문에 오랫동안 불가능하다고 여겨져 왔습니다. 주로 트랜스킬레이트 XantPhos와 같은 특수 리간드의 도입을 통해서만 이러한 문제를 극복하고 1차 아미드를 C-N 교차 결합을 위한 합법적인 기질로 만드는 것이 가능했습니다.

다양한 질소 화합물(아민, 아미드, 히드라진, 헤테로고리 화합물, 니트로 화합물 등) 합성을 위한 최고의 도구가 된 C-N 교차 결합 외에도 교차 결합 반응을 사용하여 다음을 생성하기 시작했습니다. 거의 모든 비금속 및 준금속, 심지어 일부 금속과도 탄소 결합을 합니다. 탄소-붕소 결합 형성을 위한 이 거의 무한한 다양성(그러나 모든 교차 결합 반응이 동일한 패턴을 따르기 때문에 매우 단조롭습니다. 우리는 이미 꽤 잘 이해하는 방법을 배웠기를 바랍니다) 중에서 선택하겠습니다. 그들의 도움으로 우리는 주요 스즈키-미야우라 반응의 능력을 근본적으로 확장하고 있기 때문입니다. C-C 방식교차 조합.

– 산화 첨가, 금속 교환 및 환원 제거를 포함하는 표준 촉매 주기를 사용하는 일반적인 교차 결합 반응입니다. 디보란 유도체인 비스(피나콜라토)디보론은 일반적으로 친핵체로 사용되며 그 중 절반만 사용됩니다.

간접적이지만 친전자체-친전자체의 직접적인 결합에는 추가 시약, 환원제의 참여가 필요합니다. 즉, 촉매 과정이 될 수 없으며 더욱이 선천적 결함, 즉 교차 및 교차 혼합물의 형성으로 고통받습니다. 호모 커플링. 먼저 Miyaura 보릴화를 사용하여 친핵체 중 하나를 친핵체로 변환하면 상세한 Suzuki-Miyaura 교차 결합을 사용할 수 있습니다.

Suzuki-Miyaura 교차 결합과 결합하면 두 개의 할로겐 유도체 또는 트리플레이트에서 두 개의 아릴 부분을 연결하는 동일한 목표를 달성하지만 "하나의 플라스크" 모드에서는 결합할 수 없는 일련의 별도 반응이 필요합니다.

지금까지 교차 결합 반응을 논의할 때 그룹 10을 벗어나지 않았습니다. 이는 팔라듐의 지배적인 역할과 탄소-탄소 결합 형성 반응에서 니켈의 중요하지만 보조적인 역할과 일치합니다. 지금까지 다른 어떤 요소도 C-C 교차 조합에서 이 쌍을 대체할 수 없었습니다. 그러나 다른 원소와의 탄소 결합으로 전환하자마자 팔라듐과 니켈의 헤게모니는 끝납니다. 그 옆에는 또 다른 거대한 촉매 작용이 나타납니다. 구리는 11족의 원소로, Cu(1+)의 주요 원자가 상태는 Ni(0)과 동일한 d 10 구성을 갖습니다. 이 요소가 그 자체로 매우 특이한 특이성을 가지고 있음에도 불구하고 매우 유사한 화학에 참여할 수 있는 것으로 밝혀진 것은 놀라운 일이 아닙니다. 이와 같은 것에서 은이 보이지 않는다는 것은 놀라운 일이지만, 전자 구성을 고려한다면 Ag(1+)는 Pd(0)의 튀는 이미지일 뿐입니다.

구리교차는 가장 오래된 교배이다.

우리가 현재 교차 결합이라고 부르는 반응을 일으키는 구리의 능력은 100년 넘게 알려져 왔습니다. Ullmann-Goldberg 반응(Goldberg가 아니라 때때로 쓰여지듯이 Fritz Ullmann은 Irma Goldberg의 남편임)은 20세기 전반에 걸쳐 디아릴- 및 트리아릴아민, 아릴아미드 및 기타 화합물의 합성에 사용되었습니다. 이 반응에는 매우 엄격한 조건이 필요하며 활성 미분된 구리를 시약이나 촉매로 사용합니다.

Gilman cuprate와 할로겐 유도체의 반응

또한 일반적인 교차 결합은 화학양론적일 뿐입니다. 이 반응은 1950년대부터 알려져 널리 사용되었습니다. 이 반응에서 친전자성 시약은 친핵성 SN2 치환으로 인해 구리의 배위 영역으로 들어갑니다. 따라서 이 반응에 대한 가상 메커니즘은 환원 제거 후 원래 원자가 상태의 재생과 함께 산화 상태의 전형적인 교차 결합 변화를 포함합니다.

2010년 노벨 화학상은 일본과 미국의 과학자들에게 수여되었습니다: Richard Heck, Eiichi Nagishi (러시아어 과학 문헌에서는 그의 성은 "Negishi"로 표기됩니다)그리고 스즈키 아키라(Akira Suzuki)는 "팔라듐 촉매 교차 결합 반응" 개발로 수상했습니다. 노벨 위원회는 수상자들이 “우리 일상 생활을 개선할 수 있는 복잡한 분자를 합성하기 위해 탄소 원자를 결합하는 새롭고 더 효율적인 방법을 개발했다”고 설명합니다. 전문 화학자와 동조하는 커뮤니티는 기뻐하고 있습니다. 최근 몇 년간의 경향과 전문가 예측과는 달리, 상은 생화학 및 거대분자를 연구하는 거의 생화학적 방법(화학의 경우)이 아니라 가장 "진짜"인 방법에 대해 수여되었습니다. ”, 합성유기화학. 보통 사람들은 당황합니다. 이들은 어떤 사람들이고, 그들이 개발한 방법(매우 이해할 수 없는 공식으로 표현됨)이 왜 우리에게 그토록 중요한가요?

교차 결합 반응, 특히 노벨상 수상자들의 명명된 반응과 일반적인 유기 화학에서의 촉매 반응의 중요성과 특이성을 이해하려고 노력해 봅시다.

촉매작용 및 교차 결합

아마도 우리는 촉매 반응이 다른 모든 화학적 상호작용과 어떻게 다른지부터 시작해야 할 것입니다. 이러한 반응에는 초기 시약의 일부가 아니고 반응 생성물의 일부가 아니며 반응에서 소비되지 않지만 진행에 큰 영향을 미치는 촉매인 "제3의 물질"이 포함됩니다. 첫 번째 촉매는 활성화 에너지(화학 공정을 시작하기 위해 극복해야 하는 에너지 장벽)를 낮춤으로써 반응을 가속화했습니다.

쌀. 1. 촉매작용의 개략도

그러나 많은 경우 촉매는 반응 속도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 경로를 변경하고 선택성을 높이며 궁극적으로 완전히 다른 반응 생성물을 생성할 수 있습니다. 그림에서. 그림 1은 반응 중 에너지 변화를 보여줍니다. 비촉매 반응(검은색 선)의 경우 활성화 에너지(즉, 반응을 시작하는 데 필요한 에너지)는 더 높지만 반응은 하나의 전이 상태(최대점)만 통과합니다. 촉매(빨간색 선)를 사용하면 활성화 에너지가 감소하고 여러 전이 상태를 통과합니다(이 경우 일반적으로 필요하지 않음). 이것이 일반적으로 촉매의 작동 메커니즘이다.

유기 반응의 경우 선택성 증가와 탄소 원자의 필수 활성화가 특히 중요합니다. 큰 유기 분자가 상호 작용할 때 각 모화합물에는 결합이 일어날 수 있는 여러 활성 중심(탄소 원자)이 있습니다. 결과적으로, 비촉매 유기 반응에서는 생성물의 혼합물이 생성되는 것이 일반적이며, 그 중 목표 생성물이 반드시 주요 부분을 구성하지는 않습니다. 분자가 더 복잡할수록 더 많은 생성물이 존재합니다. 따라서 합성과 표적 유기 분자(약물 또는 인공 합성 천연 화합물)가 복잡할수록 반응의 선택성과 표적 생성물의 수율을 높이는 문제가 더욱 심각해집니다.

스즈키 아키라

팔라듐 촉매 교차 결합 반응이 성공적으로 해결하는 것은 바로 이러한 작업입니다. 반응 경로는 어떻게 바뀌나요? 실제로 촉매는 시약과 상호 작용합니다. 소위 전이 상태의 형성에 참여합니다 (따라서 활성화 에너지의 변화). 출발 물질에서 출발 물질로 이동하는 동안 반응 혼합물에 형성된 복합체입니다. 반응 생성물.

실제로 모든 결합 반응은 두 개의 큰 반응 그룹, 즉 두 개의 서로 다른 유기 단편의 응축(결합)이 발생하는 교차 결합(또는 교차 결합)(대부분 두 개의 초기 화합물에서 얻어짐)과 동종 결합으로 나뉩니다. 하나의 동일한 출발 물질로부터 동일한 단편이 나오는 경우. 교차 결합 반응은 연구 및 합성 용도에 더 흥미롭습니다. 이 경우 반응에 다양한 단편을 도입하여 더 큰 스펙트럼의 화합물을 얻을 수 있기 때문입니다. 교차 결합 반응을 연구할 때 동종 결합은 종종 바람직하지 않은 부차적인 반응으로 발생합니다. 따라서 선택성을 높이기 위해서는 시약의 비율, 촉매의 농도, 용매의 종류, 온도 등 합성조건을 엄격하게 준수할 필요가 있다.

역사와 화학

리차드 헥

촉매로서 금속염과 복합체의 사용은 유기 화학에 혁명을 일으켰고 개별 부품에서 큰 분자의 "구성"을 완전히 다른 수준으로 가져왔습니다. 장기적으로 현재 노벨상 수상자들의 작품의 전신은 거의 100년 전에 수상자가 된 프랑스 화학자 빅터 그리나르(Victor Grignard)의 작품으로 간주될 수 있습니다. 그는 당시 합성 화학의 핵심이었던 유기마그네슘 화합물 종류인 그리냐르 시약을 만들었습니다. 이 시약은 처음으로 서로 다른 성질의 유기 화합물을 서로 "교차 연결"하는 것을 가능하게 했습니다. 혁신은 할로겐 유도체의 탄소 원자와 할로겐 사이에 마그네슘 원자를 도입하여 유기 금속 화합물을 생성하는 것입니다. 그런 다음 이 시약은 다양한 화합물(카르보닐, 할로겐 유도체, 티올, 유기 아민 및 시안화물)과 효과적으로 반응하여 원래 유기 단편을 이들과 가교 결합합니다. 이는 화학에 완전히 새로운 가능성을 열었을 뿐만 아니라 새로운 문제도 야기했습니다. "그리나르" 반응은 종종 그다지 선택적이지 않았습니다. 시간이 지나면 새로운 요구 사항이 결정됩니다.

20세기 70년대에 Richard Heck는 팔라듐 촉매에서 알켄(이중 결합이 하나인 탄화수소)과 할로겐 유도체의 상호 작용인 작은 분자에서 큰 분자를 "조립"하기 위한 금속 착체 촉매 작용 버전을 제안했습니다.

Heck이 개발한 교차 결합 회로는 그림 1에 나와 있습니다. 2. 첫 번째 단계에서는 그리냐르 시약과 개략적으로 유사한 중간 유기팔라듐 화합물이 형성됩니다. 그런 다음 알켄 탄소 원자는 새로운 탄소-탄소 결합 형성의 핵심 단계인 벤젠 고리의 활성 탄소 원자를 공격합니다. 그 후, 금속 원자(보통 착물로 반응에 참여함)와 할로겐화물(이 경우 브롬)이 착물에서 분리되어 최종 반응 생성물이 형성됩니다. 이후 10년 동안 Nagishi와 Suzuki는 반응 기술을 개선했습니다. 첫 번째는 수정된 Grignard 시약(마그네슘이 아니라 유기아연)을 도입할 것을 제안했습니다. 이는 팔라듐 원자에 대한 탄소 원자의 친화성을 증가시켰고, 두 번째는 아연을 붕소로 대체하여 반응에서 물질의 독성을 감소시킬 것을 제안했습니다. 혼합물.

적용 가치

가장 어려운 일은 남아 있습니다. 이 모든 것이 필요한 이유를 설명하는 것입니다. “현대 유기화학은 거의 예술입니다. 합성 과학자들은 플라스크와 시험관에서 기적적인 화학적 변형을 수행합니다. 그 결과, 인류 전체는 새롭고 더욱 효과적인 의약품, 정밀 전자공학, 첨단 소재를 사용하고 있습니다. 2010년 노벨 화학상은 화학자들의 작업에서 가장 중요한 도구 중 하나가 된 반응에 대해 수여되었습니다.” 노벨 위원회는 이 발견을 설명하려고 합니다.

나기시 에이이치

그러나 수상자들의 이름이 발표된 직후 나기시와의 기자회견에서 기자들은 그에게 어떤 구체적인 물질이 상을 주었는지, 교차결합을 통해 얻은 화합물이 인류에게 가장 중요한 것이 무엇인지 끈질기게 질문해 당혹스러울 뻔했다. 과학자. Nagishi는 팔라듐 촉매와 교차 결합 반응이 신물질, 약물, 천연 화합물 등 다양한 목적을 위해 다양한 물질을 합성하는 데 사용된다고 설명하려고 했습니다. 중요한 것은 출발 시약과 제품의 목적에 관계없이 작은 분자에서 큰 분자를 구성할 수 있다는 것입니다.

플라스틱, 의약품, 전자 산업용 재료 등 사실상 끝없이 다양한 물질이 Nagishi, Heck 및 Suzuki가 창안한 방법을 사용하여 합성될 수 있습니다.

의약 화학에서 교차 결합의 중요성을 설명하기 위해 제약 회사 GlaxoSmithKline의 전문가가 수행하고 Angewandte Chemie(doi: 10.1002/anie.201002238)에 게재된 약물 합성에 사용되는 유기 반응에 대한 리뷰가 있습니다.

다이어그램에서 볼 수 있듯이(다단계 변환 체인의 각 반응을 별도의 반응으로 계산할 때) 팔라듐 촉매 조합은 모든 "의료" 반응의 17%를 차지합니다. 이것이 가장 일반적입니다. 축합 및 알킬화와 함께 반응 유형.

러시아 흔적?

저명한 러시아(소련) 과학자들도 금속 복합체 촉매 작용에 참여했는데, 이는 이미 "상금 부족"에 분개할 수 있게 만들었습니다(Academician Tsivadze와의 인터뷰 www.cultradio.ru/doc.html?id=375166&cid= 44). 실제로 러시아 연구원 학자 Irina Petrovna Beletskaya는 이 주제의 개발에 상당한 공헌을 했습니다. 2005년에 알켄 복분해로 노벨상을 받은 이리나 페트로브나(Irina Petrovna)는 모스크바 주립대학교 화학부에서 크리스마스 강의를 하면서 교차 결합으로 노벨상을 받을 것이라고 예측했습니다. 그들이 2005년 노벨상을 준 것에 대해.” 그러나 합성 화학자들은 Beletskaya의 기여가 현재 수상자들의 작업보다 훨씬 적다는 것을 인정하지만, 상을 받은 것은 의심할 여지 없이 그녀의 장점을 인정한 것입니다. 다음은 2003년에 학자 벨레츠카야 자신이 노벨상을 위한 투쟁의 전망에 대해 말한 내용입니다. “안타깝게도 우리는 여기서 경쟁할 수 없습니다. 우리는 단순히 다른 순서의 기술적 능력을 가지고 있습니다. 로켓 기지도 없고 재료도 없습니다. 그리고 우리가 중요한 종합을 달성하더라도 그것은 단지 이론적 중요성만 가질 것입니다. 실제로 이를 구현하는 것은 불가능합니다. 필요한 산업이 없습니다. 원칙적으로 그러한 작업의 결과는 신약이어야 하며 이는 수백만 달러의 투자입니다. 그리고 누구도 우리에게 투자한 적이 없을 뿐만 아니라, 앞으로도 그렇게 하지 않을 것입니다. 공무원이 수입 의약품을 직접 구매할 것이라고 굳게 확신한다면 왜 국산 의약품 생산을 개발해야 합니까?”

알렉산드라 보리소바,
"가제타.루"

화학 과학 후보자 Olga Belokoneva.

현대인은 새로운 항생제, 항암제, 항바이러스제, 식물 보호 제품, 마이크로 전자공학용 발광 분자 등 점점 더 복잡하고 정교한 물질을 요구합니다. 2010년 노벨상은 주어진 화학 구조를 가진 독특한 화합물을 생성하기 위한 보편적인 도구를 제공함으로써 화학 산업에 획기적인 발전을 촉발한 유기 화학의 발전을 인정했습니다.

네기시 반응의 예를 이용한 팔라듐 촉매의 교차 결합 반응.

Richard F. Heck은 1931년 미국 스프링필드에서 태어나 캘리포니아 대학교에서 학위를 받았습니다. Heck은 현재 미국 델라웨어 대학교의 명예 교수입니다. 미국 시민.

네기시 에이이치는 1935년 중국 창춘에서 태어나 펜실베이니아 대학교에서 학위를 받았습니다. 현재 미국 퍼듀대학교 명예교수로 재직 중이다. 일본 시민.

스즈키 아키라(Akira Suzuki)는 1930년 일본 무카와(Mukawa)에서 태어나 홋카이도 대학(일본)에서 학위를 받았습니다. 현재 같은 대학 명예교수로 재직 중이다. 일본 시민.

노벨상 수상 후 퍼듀대학교에서 강의 중인 네기시 교수.

델라웨어 대학교에서 강의하는 Richard Heck(1960년대 후반).

2010년 9월 모스크바에서 열린 러시아 과학 아카데미 유기화학 연구소 국제 심포지엄에서 스즈키 아키라.

화학을 사랑해야 합니다. 이것은 원자와 분자의 세계에서 일어나는 과정을 설명하는 매우 아름다운 과학입니다. 화학은 존중되어야 합니다. 왜냐하면 과학자들이 창조한 화합물을 통해 인간은 야생의 자연 세계와는 매우 다른 문명을 창조할 수 있었기 때문입니다. 의류, 건축 자재, 도로, 자동차, 컴퓨터 등 우리 주변의 세계가 어떻게 작동하는지 이해하려면 화학을 알아야 합니다.

진보의 길에서 사람에게 필요한 물질이 더 복잡할수록 물질 생성으로 이어지는 화학 반응도 더 복잡해졌습니다. 처음에 화학자들은 시행착오를 거쳐 반응 과정을 예측하고 특정 제품의 합성을 위한 최적의 조건을 만드는 방법을 배웠습니다. 그때부터 특이하고 복잡한 물질을 합성하는 것이 가능해졌습니다. 유익한 특성. 대부분은 유기 화합물입니다.

모든 살아있는 유기체는 유기 화합물로 구성됩니다. 이것이 자연이 작동하는 방식입니다. 절대적으로 모든 유기 분자의 "분자 골격"은 상호 연결된 탄소 원자의 다소 복잡한 사슬입니다. 탄소-탄소 결합은 아마도 지구상의 모든 생명체에게 가장 중요한 화학 결합일 것입니다.

다른 모든 원자와 마찬가지로 탄소 원자는 전자 구름 층으로 둘러싸인 양전하를 띠는 핵입니다. 그러나 화학자들의 경우 외부 층에만 관심이 있습니다. 왜냐하면 화학 반응이라고 하는 변형이 일반적으로 외부 구름에서 발생하기 때문입니다. 화학 반응 중에 원자는 외부 전자층을 완성하여 8개의 전자가 핵 주위를 "회전"하도록 노력합니다. 탄소 원자 자체에는 외부 전자가 4개만 있으므로 다른 원자와의 화학적 결합을 통해 탐나는 안정된 "8"을 달성하기 위해 4개의 "외계인" 구름을 사회화하려고 노력합니다. 따라서 가장 단순한 유기 분자인 메탄에서 탄소 원자는 4개의 수소 원자와 함께 전자를 "소유"합니다.

이제 자연에서 발견되는 것과 유사한 매우 복잡한 유기 분자를 합성해야 한다고 상상해 보십시오. 천연 물질은 종종 유익한 특성을 가지고 있습니다. 즉, 빛을 방출하고 항종양, 항균, 진통 효과가 있으며 중합됩니다. 그리고 실험실 합성을 확립하는 것은 매우 유혹적인 작업입니다. 단백질 분자는 유전공학적 방법을 사용해 합성하지만, 비단백질 분자는 화학 실험실에서 손으로 '조리'해야 하기 때문에 쉽지 않습니다. 몇몇 작은 유기 분자는 미래의 복잡한 자연 구조의 구성 요소 역할을 합니다. 어떻게 하면 서로 상호작용할 수 있나요? 결국, 유기 분자의 탄소 원자는 안정적이며 다른 원자와 반응할 의도가 없습니다.

탄소 원자를 "저어" 반응성으로 만드는 것은 진정한 노벨상 수상 과제입니다. 세기 초, 1912년 노벨상 수상자 Victor Grignard는 처음으로 탄소를 더욱 활동적으로 만드는 방법을 발견했습니다. 그는 이를 마그네슘 원자와 연결했으며 그 결과 탄소는 안정성을 잃고 다른 원자를 "찾기 시작"했습니다. 탄소 원자와 화학 결합을 형성합니다. 그리고 전체적으로 노벨상의 존재 전체에 걸쳐 두 개의 탄소 원자 사이의 결합을 생성하는 합성 방법의 개발로 화학 분야에서 5개의 (!) 상이 수여되었습니다. Grignard 외에도 Otto Diels와 Kurt Alder(1950), Herbert C. Brown과 Georg Wittig(1979), Yves Chauvin이 이 중요한 문제를 해결한 공로로 상을 받았습니다. ), Robert H. Grubbs와 Richard R. Schrock(2005). ).

마지막으로, 탄소-탄소 결합을 생성하는 새로운 방법으로 2010년 노벨상도 수상되었습니다. 노벨 위원회는 “유기 합성에서 팔라듐 촉매를 사용한 교차 결합 반응의 사용”으로 Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi 및 Akira Suzuki에게 상을 수여했습니다. 교차 결합 반응은 서로 다른 분자에 위치한 두 탄소 원자 사이에 화학 결합이 형성되는 유기 반응입니다.

현재 수상자들의 연구에 의해 시작된 '팔라듐 시대' 이전에 유기 화학자들은 여러 단계를 거쳐 블록으로부터 복잡한 분자를 합성해야 했습니다. 반응에서 시약의 높은 활성으로 인해 많은 수의 부가 화합물이 형성되어 최종 생성물의 수율이 부족했습니다. 팔라듐의 사용은 매우 성공적인 솔루션이었습니다. 그것은 탄소 원자의 이상적인 "만남의 지점"으로 밝혀졌습니다. 팔라듐 원자에서는 두 개의 탄소 원자가 서로 너무 가까워서 상호 작용이 시작될 수 있습니다. 팔라듐에 대한 반응은 높은 수율로 발생합니다 원하는 제품원치 않는 측면 프로세스 없이.

올해 노벨상 수상자들은 팔라듐과 관련된 두 가지 유형의 반응에 대한 방법을 개발했습니다. 두 반응 모두에서 친전자성(전자 밀도 결핍)과 친핵성(과도한 전자 밀도)의 두 시약이 상호 작용합니다. 친전자성 물질은 항상 말단 수소 원자가 할로겐 원자(X = 염소, 브롬, 요오드)로 대체된 탄화수소 분자(R)입니다. 그러나 친핵제는 다릅니다. 한 경우(반응식 1)에는 올레핀 분자(하나의 이중 결합을 가진 선형 탄화수소)가 사용되고 다른 경우(반응식 2)에는 유기금속 화합물(M = 아연, 붕소 또는 주석)이 사용됩니다. 먼저, 팔라듐 원자와 친전자성 물질의 복합체가 형성되고, 이 복합체는 친핵성 화합물과 상호작용합니다.

팔라듐을 포함한 전이 금속을 유기 합성에 사용한다는 아이디어는 현재 노벨상 수상자들이 연구하기 오래 전에 나타났습니다. 1950년대 독일에서 팔라듐 촉매는 에틸렌을 페인트, 가소제, 아세트산 생산의 중요한 원료인 아세트알데히드로 산업적으로 산화시키는 데 처음으로 사용되었습니다.

당시 Richard Heck은 델라웨어에 있는 화학 회사에서 일하고 있었습니다. 그는 Wacker 공정에 관심을 갖게 되었고 팔라듐을 사용한 실험을 시작했습니다. 1968년에 Heck은 올레핀을 사용한 유기금속 합성에 관한 일련의 과학 논문을 발표했습니다. 그 중에는 간단한 올레핀 분자를 벤젠 고리와 "가교"하는 새로운 방법이 있습니다. 이 반응의 생성물은 비닐벤젠이며, 이로부터 플라스틱 폴리스티렌이 얻어집니다.

4년 후 그는 올레핀을 사용하여 오늘날 Heck 반응이라고 불리는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 업적으로 그는 노벨상을 받았습니다. 혁신은 올레핀뿐만 아니라 친전자성 물질로서 할로겐과 탄화수소 화합물을 사용하는 데에도 있었습니다. 오늘날 우리는 Heck 반응을 사용하여 항염증제인 나프록센, 천식 치료제인 싱귤레어, 마이크로 전자공학용 발광 화합물, 일반적인 화학 요법 약물인 탁솔을 얻습니다. 별로 사소하지 않은 방법으로(여러 단계에 걸쳐) 이 방법을 사용하면 천연 약물인 모르핀과 그 화학적 변형을 얻는 것이 가능합니다. 지옥 반응은 스테로이드 호르몬(성 호르몬, 부신 호르몬)과 스트리크닌의 합성에도 사용됩니다.

1977년 네기시 에이이치(Ei-ichi Negishi)는 친핵제로서 올레핀 대신 아연 화합물을 처음으로 사용했습니다. 이러한 시약은 불필요한 부산물을 생성하지 않으며 최종 생성물의 수율이 매우 높습니다. Negishi 반응을 통해 화학자들은 "Heck에 따르면" 합성이 불가능한 복잡한 작용기를 함께 "연결"할 수 있었습니다.

2년 후, 스즈키 아키라(Akira Suzuki)는 친핵체로서 붕소 원자를 포함하는 화합물을 처음으로 사용했습니다. 유기 붕소 화합물의 안정성, 높은 선택성 및 낮은 화학적 활성으로 인해 스즈키 반응은 실제 적용 관점에서 가장 유용한 반응 중 하나가 되었습니다. 산업 생산. 붕소 화합물은 독성이 낮으며 참여 반응이 발생합니다. 온화한 조건. 이 모든 것은 곰팡이 질병으로부터 작물을 보호하는 수단인 살균제 Boscalid와 같은 수십 톤의 제품을 생산할 때 특히 중요합니다.

스즈키 방법의 인상적인 성과 중 하나는 1994년 하와이 산호에서 발견되는 천연 독인 팔라톡신을 합성한 것입니다. 팔라톡신은 탄소 원자 129개, 수소 원자 223개, 질소 원자 3개, 산소 원자 54개로 구성되어 있습니다. 그러한 거대한 유기 분자의 합성은 화학자들에게 다른 업적을 달성하도록 영감을 주었습니다. 스즈키 반응은 천연 화합물의 화학에서 강력한 도구가 되었습니다. 결국 시험관에서 인공 유사체를 합성하고 그 특성을 천연 물질과 비교해야만 특정 천연 화합물의 화학 구조를 확실하게 확인할 수 있습니다.

요즘 유기화학자들의 시선은 주로 의약품 창고라 할 수 있는 세계 해양으로 향하고 있다. 바다 생활, 또는 오히려 그들이 분비하는 생리 활성 물질은 오늘날 신약 개발의 주요 원천으로 작용합니다. 그리고 Negishi와 Suzuki의 반응은 과학자들에게 도움이 됩니다. 따라서 화학자들은 필리핀 멍게에서 다손아미드 A를 합성하여 장암 퇴치에 좋은 결과를 보였습니다. 이탈리아 해안의 해면에서 추출한 드래그마시딘 F의 합성 유사체는 HIV와 헤르페스에 영향을 미칩니다. 네기시(Negishi) 반응을 사용하여 합성되는 카리브해 해면의 디스코더몰리드는 기능적 활성이 탁솔과 매우 유사합니다.

팔라듐 촉매는 실험실에서 천연 화합물을 합성하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 기존 약물을 변형하는 데도 도움이 됩니다. 지난 세기 중반부터 황색포도상구균을 치료하는 데 사용된 항생제인 반코마이신에서 이런 일이 일어났습니다. 약물을 사용하기 시작한 이후 시간이 지남에 따라 박테리아는 약물에 대한 내성을 갖게 되었습니다. 이제 팔라듐 촉매작용의 도움으로 우리는 저항성 박테리아 개체도 처리할 수 있는 반코마이신의 새로운 화학적 변형을 점점 더 많이 합성해야 합니다.

빛을 방출할 수 있는 유기 분자는 LED 생산에 사용됩니다. 이러한 복잡한 분자는 또한 Negishi 및 Suzuki 반응을 사용하여 합성됩니다. 발광 분자의 화학적 변형을 통해 전류의 영향으로 청색광의 강도를 높일 수 있습니다. 유기발광다이오드(OLED)는 두께가 몇 밀리미터에 불과한 초박형 디스플레이를 생산하는 데 사용됩니다. 이러한 디스플레이는 이미 휴대폰, GPS 내비게이터, 야간 투시 장치에 사용되고 있습니다.

팔라듐 촉매를 이용한 합성은 제약 산업, 식물 보호 제품 생산, 첨단 소재 등에 사용됩니다. 교차 결합 반응을 사용하면 거의 모든 분자 구성의 천연 화합물 유사체가 생성될 수 있으며 이는 복잡한 유기 분자의 구조와 특성 간의 관계를 이해하는 데 매우 중요합니다.

Heck, Suzuki 및 Negishi의 반응은 다른 화학자들에 의해 지속적으로 수정되고 보완됩니다. 이러한 혁신 중 하나는 올해의 노벨 물리학상과 관련이 있습니다. 과학자들은 그래핀의 분자 격자에 팔라듐 원자를 부착할 수 있었고, 생성된 고체 지지체 촉매는 수성 환경에서 스즈키 반응을 수행하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 그래핀의 실제 사용은 미래의 문제이며, 팔라듐 촉매에 대한 교차 결합 반응은 이미 인류에게 큰 도움이 되었지만 실제로는 승리의 행진이 이제 막 시작되었습니다.