文 ｜ 《中国科学报》 记者 叶满山
“非对称脲”虽然不被大众所熟知，但它在医药和农业领域却扮演着举足轻重的角色。作为抗肿瘤试剂、除草剂、杀虫剂以及超分子黏合材料的关键成分，非对称脲展现出广泛且重要的应用潜力。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所（以下简称兰州化物所）研究员何林团队与武汉大学教授雷爱文团队合作，在催化羰基化领域取得重要进展——成功利用一氧化碳或二氧化碳替代剧毒光气，高效合成含氮羰基化合物非对称脲。
该研究成果不仅为化学工业带来更为安全、环保的生产方式，也为新药研发、材料科学等提供了全新的可能性。相关论文发表于《科学》。
将催化羰基化作为突破口
催化反应，这一神秘的过程蕴含着巨大能量。在该反应中，催化剂自身不变，却能显著影响反应的进行，仿佛一位无形的“指挥家”，引领化学反应向着人们期望的方向前进。
2016年，何林在德国完成学业后选择回国，进入兰州化物所工作。面对诸多研究方向，她凭借敏锐的科研直觉和对国家需求的深刻理解，将目光投向了胺的氧化羰基化这一相对冷门但潜力巨大的领域。
胺的氧化羰基化产物——含氮羰基化合物，在新材料、医药、农药等多个领域都展现出广泛的应用前景。然而，工业上主要采用的传统制备方法——光气法，不仅合成过程复杂、危险，需要分步进行，还涉及剧毒光气，并且会产生大量腐蚀性盐酸。如何找到一种更安全、高效的合成方法，成为科研界亟待解决的问题。
在何林看来，要推动这一领域的绿色可持续发展，必须探索新的合成路径。
于是，她决定将催化羰基化作为突破口，尽管这一方向在国际上的研究相对较少，但她坚信这是未来科研的重要方向。通过不断尝试新的催化剂、优化反应条件，何林力求找到最高效、环保的胺的氧化羰基化合成方法。
科研路上充满“荆棘”
非对称脲是一种特殊的化学物质，其结构里含有一个羰基，羰基的两边连接着两种不同的胺分子片段。但目前工业上很难直接制造非对称脲，因为其两边的胺不一样，难以精确控制。因此，业内采用了一个分步的方法，即光气法。
据了解，光气法首先通过一氧化碳与氯气反应生成剧毒光气，这一步为后续反应创造了条件；接着，利用一种胺与光气反应，生成异氰酸酯或酰氯作为中间产物，相当于将第一个胺“安装”到羰基上；最后，再用另一种胺与这个中间产物反应，成功将第二个胺也“安装”到羰基上，从而生成所需的非对称脲衍生物，完成整个制备过程。
然而，该过程会产生很多腐蚀性强的盐酸，对设备和环境造成危害。为此，研究团队经过多角度思考和调研总结，提出了同步胺识别的概念。这一创新性思路让非对称脲的合成变得简单而高效。
何林说：“我们首创性地利用上述同步识别效应，采用不同胺作为底物，通过生成的金属酰胺和自由基反应，实现选择性地一步生成高值非对称脲。在羰基源方面，既可以采用一氧化碳，也可以从二氧化碳出发，实现对光气法含氮羰基化合物合成的流程再造。”
不过，如何确保在一步反应中，两种不同的胺都能准确“找到”自己的位置，形成非对称脲，成为摆在研究团队面前的一大难题。
“我们获得了一级胺与二级胺共存时，钴中心仅活化一级胺的单晶结构的关键证据，再结合雷爱文团队利用快速扫描X射线吸收精细结构光谱揭示的二级胺与铜中心作用优先生成自由基证据，有望一步通过亲核性进攻形成金属酰基关键物种，然后等后一半胺的片段接上去时，就可以利用金属铜中心得到胺的自由基。”何林介绍说，这一发现如同黑暗中的一束光，照亮了团队的前进方向。
然而，要将该发现转化为实际可行的合成方法，还需要大量实验和验证。团队成员不断尝试和优化，终于找到最佳的催化体系和反应条件。当第一份非对称脲成功合成时，团队成员都沸腾了。那一刻，所有的辛苦和付出都化为无尽的喜悦和自豪。
更值得一提的是，这一创新不仅减少了对有毒原料的依赖，还为二氧化碳的利用开辟了新途径，具有重要的环保意义。
成功的关键离不开合作
2023年8月，研究团队向《科学》提交了预投稿，邮件发送后仅过了两个多小时就收到了其副主编的回信：“看起来这是一个引人入胜且有价值的研究结果！我鼓励你们提交全文。”这份来自权威期刊的认可，让团队成员倍感振奋。
然而，第一轮审稿并不顺利——《科学》编辑作出了拒稿的决定。面对这一挫折，团队成员并没有气馁。他们仔细阅读了审稿意见，认真反思了工作中的不足。今年8月，研究团队再次向《科学》提交了修改后的论文。经过第二轮审稿，论文被顺利接收，科研成果得到了国际同行的认可。
“这项研究能够成功离不开合作。”何林着重强调了与雷爱文团队的紧密合作，“我们创新性地融合了亲核羰基化与自由基转化的半反应，共同绘制出反应历程的全貌，这为发现非对称脲的独特反应窗口奠定了坚实基础。”
何林进一步介绍，该研究还成功应用了该团队开发的新方法，实现了小分子成药的直接合成，如合成卡利拉嗪—— 一种用于治疗精神分裂症和躁狂抑郁症的药物。他们的方法仅需一步反应，就能以89%的高得率获得目标产物，且副产物仅为水，显著简化了传统制备流程。
“这一成果的背后，是我们提出的同步识别性活化概念。”何林解释说，这是一种全新的催化羰基化反应模式，为药物合成等领域带来新机遇。目前，团队正在积极推动多元醇酯高端基础油的设计合成与润滑性能测试全链条合作，期望通过联合攻关在该领域取得新突破。
未来，研究团队计划继续深耕一氧化碳、二氧化碳的催化利用领域，依托兰州化物所低碳催化与二氧化碳重点实验室，聚焦实际应用场景，开展原创性工作。他们特别希望通过学科交叉平台的联动，激发新的研究思路。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adl0149
