通晓十八般武艺的PhilBaran这次又玩起了……炸药

▎学术经纬/报导

说到美国斯克里普斯研讨所（The Scripps Research Institute, TSRI）的Phil S. Baran教授，从事化学研讨的人大概会毫不吝惜地以各式各样的标签来奖励他：有机组成界天才、发Science和Nature就像刷微博相同简略……有机组成范畴威望、诺贝尔化学奖得主E. J. Corey教授曾点评他“抢先同行20年”，足以看出他在科学研讨中惊人的造就。Phil Baran教授不仅仅专心于天然产品全组成，在有机组成办法学的研讨中也取得了丰盛的作用。他开展的新组成办法不只是局限于在试验室中进行的反响，而是着眼于实践使用，完成工业化出产，乃至还发明了在茶杯、水桶中进行的反响，让学术界与工业界为之张口结舌。

Phil S. Baran教授（图片来历：参考资料[1]）

最近，他又将目光瞄准含能资料，与美国陆军部属的CCDC陆军研讨试验室（CCDC US Army Research Laboratory）的Jesse J. Sabatini博士团队协作，完成了含能资料分子四亚甲基替代环丁基硝酸酯1四种立体异构体与两种区域异构体克量级规划的高效制备，由此证明了区域异构与立体化学对含能资料分子的物理性质具有非常要害的影响。这两个要素在以往相关范畴的研讨中没有得到满意的注重，而这项作业则初次强调了其重要性，为人们日后进一步开展含能资料供给了学习。相关作业宣布在J. Am. Chem. Soc.上。

立体化学与区域异构对含能资料的影响（图片来历：参考资料[3]）

含能资料是指含有爆破性基团的化合物，或是含有氧化剂和可燃物的混合物，这类物质能独立发作化学反响并输出能量，在军用炸药、发射药及火箭推进剂等方面具有重要的使用。前期的黑火药（KNO3、硫磺、木炭按必定份额混合）、三硝基甲苯（TNT）、硝化甘油（NG）、黑索金（RDX）等炸药成分均归于含能资料范畴。跟着科技的开展，人们又规划了1,3,3-三硝基氮杂环丁烷（TNAZ）、六硝基六氮杂异伍兹烷（HNIW，又称CL-20）、八硝基立方烷（ONC）等高密度、高氮含量的含能资料。

现在，人们首要经过理论核算的办法来评价含能资料的功能体现，其间资料的密度（ρ）、开始熔融温度（Tm）、爆破后的构成能（ΔH）、爆轰压力（Pcj）、爆轰速度（Vdet）等参数均是衡量其功能的重要目标。根据这些数据，人们规划出一系列高氮、高氧含量的含能资料，关注点首要在于资料分子的元素组成、几许构型、电荷分布等。在理论猜测中，区域异构和立体化学对其分子能量影响很小，因而很少作为考虑的要害。但是，这两个要素在化学相关的其他研讨范畴都具有不容忽视的位置，会很大程度上影响一种化合物的物理特性。例如，下图中用于医治骨质疏松症、糖尿病视网膜病变等缓慢疾病的αVβ3拮抗剂两种区域异构体在DMSO中的溶解度具有显着的差异，从而影响其药效。除此之外，天然的玫瑰醚具有两种不同的立体异构体，反式玫瑰醚香气浓艳清甜，伴跟着生果和薄荷香气，而顺式玫瑰醚香气则激烈尖利，带有绿意与金属质感。

组成含能资料的应战及立体化学与区域异构对化合物物理特性的影响（图片来历：参考资料[3]）

理论上讲，1具有四种非对映异构体，除此之外还包含其他区域异构体，这些异构体经过理论核算能量差异很小，而相应的物理特性则需求经过规划组成道路进行制备才能够承认。

探求立体化学与区域异构对含能资料功能体现的影响（图片来历：参考资料[3]）

这一问题便交给Phil Baran教授来处理，他经过奇妙的规划，每种异构体别离以3至5步反响进行克量级规划的高效制备。其间化合物2和3均可从富马酸二甲酯动身，在光照条件下发作[2+2]环加成，得到环丁基四甲酸甲酯8，8经过复原、硝酸酯化便得到2；碱性条件下差向异构化后再进行C=C双键复原、硝酸酯化则得到3。10与丁炔二酸二甲酯发作1,4-加成、分子内Wittig环化的串联进程得到11，随后氢化并进一步转化得到4。

六种含能资料分子异构体的组成道路（图片来历：参考资料[3]）

全顺式的立体异构体5在组成中非常具有应战性，以往的组成手法仅能以最高6%的总产率得到5。Phil Baran教授将组成道路加以改进，以二乙酸丁炔二酯与马来酸酐作为质料，发作[2+2]环加成后，得到的酸酐粗产品无需别离，直接挑选性复原其间一个羰基得到环丁烯并丁内酯，再进行C=C双键复原便得到稠合双环中间体13，13经过后续转化得到5。

他们相同还组成了1的其间两种区域异构体来探求区域异构对含能资料分子物理性质的影响。中间体14在电化学的条件下发作环化是组成1,1,2,2-四替代硝酸酯6的要害，相比之下，热环化的办法作用不抱负。1,1,3,3-四替代硝酸酯7则能够经过16与丙二酸二乙酯发作两次亲核替代、维护基消除等过程简略制得。

随后，他们对六种异构体的物理性质及其他功能体现的重要参数进行测定，并挑选TNT、三羟甲基乙烷三硝酸酯（TMETN）作为参照。几种异构体试验测得的ρ、ΔH、Pcj、Vdet等数值非常挨近，但Tm不同较为显着。抱负的熔铸炸药需满意熔融温度与分化温度至少相差75 ℃，且在80 ℃至125 ℃之间便进入熔融状况，2、5和6可作为候选含能资料在熔铸炸药中得到使用。4在室温下为液体，因而可作为高能增塑剂用于制造推进剂，其凝固点远低于现有的增塑剂TMETN，因而在制备高能冰点共晶资猜中具有稀少难得的优势。

六种含能资料分子异构体的物理性质及其他功能体现重要参数的测定（图片来历：参考资料[3]）

总归，这项作业的含义不止是宣布了一篇化学威望期刊的文章那样简略，而是具有极为重要的启发性，协助含能资料的研讨者从头认识到区域异构与立体化学在该范畴的研讨中不行忽视的位置。

有人曾以戏谑的口吻给Phil Baran教授写了一封题为“Slow down, Phil”的信，其原文如下，仅供消遣。

“Slow down, Phil”原文（图片来历：参考资料[4]）

题图来历：参考资料[1]

参考资料

[1] The Sultan of Synthesis. Retrieved Aug 12, 2019, from https:///feature/the-sultan-of-synthesis/7261.article

[3] Lisa M. Barton et al., (2019). Impact of Stereo- and Regiochemistry on Energetic Materials. J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.9b06961

[4] Slow down, Phil. Retrieved Aug 12, 2019, from https://syntheticremarks.com/slow-down-phil/