眾所周知，水是通用溶劑，能夠溶解多種化學(xué)物質(zhì)。但在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，所選擇的溶劑幾乎都是有機(jī)的。水與多種不同類型的分子發(fā)生反應(yīng)，科學(xué)家無法從復(fù)雜的反應(yīng)中得到良好的結(jié)果，許多有機(jī)合成化學(xué)家將水視為一種危害。近日，美國化學(xué)會ACS C&EN新聞欄刊登了“For organic chemists, micellar chemistry offers water as a solvent”一文，特別強(qiáng)調(diào)了膠束化學(xué)對有機(jī)合成的新發(fā)展。
【膠束與膠束化學(xué)】
在過去的幾年中，一小群化學(xué)家一直嘗試在水中化學(xué)合成。膠束是由具有水溶性頭和油溶性尾的表面活性劑分子自組裝而成。在水中，表面活性劑形成球形，其水溶性頭朝外，而油溶性尾端向內(nèi)，形成膠束微球，從而形成一個(gè)有機(jī)分子反應(yīng)區(qū)域，這些顆粒的內(nèi)部環(huán)境對有機(jī)分子很友好，它們就像微小的燒瓶，在有機(jī)反應(yīng)時(shí)并將有機(jī)分子與周圍的水分子隔離。
膠束化學(xué)（通常是水中的化學(xué)）比在有機(jī)溶劑中進(jìn)行相同的反應(yīng)更具環(huán)境友好性，而有機(jī)溶劑中的許多物質(zhì)是有毒的，且有機(jī)溶劑占藥物分子制造過程中產(chǎn)生廢物的50％-80％。而膠束化學(xué)的好處遠(yuǎn)不只是綠色，它還使反應(yīng)具有更高收率、反應(yīng)條件更溫、副產(chǎn)物更少。不少科學(xué)家堅(jiān)信這可以改變合成化學(xué)的世界。
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自然界在早于人類在水中制造分子?！皵?shù)十億年的時(shí)間里，自然界已經(jīng)優(yōu)化水中各種反應(yīng)，比如，Krebs循環(huán)在細(xì)胞（主要是水）中進(jìn)化，并通過分解有機(jī)分子來產(chǎn)生化學(xué)燃料。” 相比之下，化學(xué)家只有一個(gè)至兩個(gè)世紀(jì)的時(shí)間來優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)，仍然需要大量時(shí)間、精力和金錢來理解和完善在有機(jī)溶劑中的反應(yīng)。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，溶劑也具有某種惰性，要改變這種惰性是極其困難的。
Bruce Lipshutz論述了在膠束中進(jìn)行的合成化學(xué)。加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的化學(xué)家于2008年開始研究，證明膠束化學(xué)與烯烴交叉復(fù)分解反應(yīng)兼容，該反應(yīng)通常在二氯甲烷等有機(jī)溶劑中進(jìn)行（Org.Lett. 2007，DOI：10.1021 / ol800028x）。此后，他開始研究其他一些常見的合成反應(yīng)，例如Sonogashira偶聯(lián)（Org.Lett. 2008，DOI：10.1021 / ol801471f），Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)（Org.Lett. 2008，DOI：10.1021 / ol801712e），和光催化反應(yīng)（Green Chem. 2018，DOI：10.1039 / C7GC03866F）。路易斯維爾大學(xué)的Sachin Handa用膠束化學(xué)執(zhí)行Buchwald-Hartwig胺化（ACS Catal. 2019，DOI：10.1021 / acscatal.9b02622），和與負(fù)碳離子中間體的反應(yīng)（ACS Catal. 2020，DOI：10.1021 / acscatal.0c01196）。上述所有這些典型的反應(yīng)都需要有機(jī)溶劑。這是因?yàn)樗鼈兊哪承┏煞?，例如碳?fù)離子通常被認(rèn)為與水不相容。化學(xué)家還提出膠束還可以發(fā)揮其他作用，例如將反應(yīng)物和催化劑濃縮在同一位置，這可以加快合成速度，只需使用較少催化劑。不同尺寸，形狀和取代基的新型表面活性劑可以優(yōu)化膠束，并用于特定反應(yīng)。
【水中化學(xué)】
世界三大藥企之一諾華（Novartis）的科學(xué)家在2016年比較了使用有機(jī)溶劑（紅色）和膠束化學(xué)（黃色）制作未公開的活性藥物成分（API）的兩種方法（見下圖）。
諾華的科學(xué)家以膠束工藝制造API，與傳統(tǒng)方法中優(yōu)化的過程相比，新方法具有更快、更便宜、產(chǎn)率更高以及更少溶劑的優(yōu)點(diǎn)。在反應(yīng)中使用更高濃度的試劑，并且優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)流程，所以所需的水更少。
【膠束化學(xué)的挑戰(zhàn)】
即使膠束化學(xué)具有誘人的賣點(diǎn)，但仍存在許多挑戰(zhàn)。如，一些膠束過程仍然需要有機(jī)溶劑來分離和純化反應(yīng)產(chǎn)物；水里殘留的有機(jī)和無機(jī)化合物未經(jīng)處理就排放。且現(xiàn)在人們對它的基本規(guī)則仍然知之甚少，它仍然需要反復(fù)試驗(yàn)。水中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與溶劑中的不同，我們需要更精確地了解膠束聚合中的情況，并確定反應(yīng)物和催化劑在膠束系統(tǒng)中的位置。
球形膠束的化學(xué)合成更復(fù)雜，因?yàn)楸砻婊钚詣┛赡苓€起著其他作用，如乳化、分散以及表面張力效應(yīng)。
盡管起初科學(xué)家不相信膠束化學(xué)能起作用，且人們不完全了解，膠束化學(xué)的優(yōu)點(diǎn)依舊明顯。膠束化學(xué)家們知道很難挑戰(zhàn)使用有機(jī)溶劑的慣性作，但希望鏟開胸懷，克服先入為主的想法，傳播這些技術(shù)。
