上科大李智課題組本研合作，新型醇鈉團簇X@RONa催化劑助力綠色化學合成

從偶然的研究探索中獲得新的科學發現，在科學發展的歷程中不乏“無心插柳”的故事。然而，“偶然”表象背后不為人知的是科學家對真理持之以恒地追求，對未知領域的不懈求索。讓偶然成為必然，讓可能成為現實，需要科學家具備敏銳的觀察力、深入的思考力和靈感的捕捉力。

近日，上?？萍即髮W物質科學與技術學院教授李智帶領本科生-研究生團隊接力探索，將“偶然間”發現的新物質通過實驗和論證不斷探索，最終取得原創性研究成果，在線發表于化學領域國際期刊《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。

李智（左）與研究生姚嘉麟（右）

一個“偶然發現”

烷基醇鈉試劑（RONa）是化學領域一類極其常見廉價的化學試劑。但很少有人知道，在這類試劑之中卻能發掘出意外驚喜：只要向其中加入一點氯化鈉等鹽類，就可以獲得一種結構非常復雜精巧的新物質——內嵌陰離子X的動態籠狀醇鈉團簇(RONa)₁₂·NaX（X@RONa）。只需極少量這種新物質就能高效催化重要的新化學反應，為化工制藥等行業引入綠色生產力。

X@RONa是上科大物質學院2021屆本科畢業生張子寧在校期間，在進行科研實踐時的意外發現。當時，還只是大二學生的張子寧申請并加入了李智教授的課題組，他接收到的科研任務是在課題組前期工作的基礎上，開發合成醌類維生素的新方法。在實驗中，他發現烷基醇鈉試劑對于維生素合成具有高催化活性。

對科技創新人才的培養需要教師引導學生帶著目標進行思考和學習，在實踐探索中觸發靈感。李智鼓勵他利用學院精密的分析設備去仔細研究可能存在于反應液固兩相中的中間產物，從而尋找真正的催化劑。通過多次實驗后，他們獲得了一種晶體。本以為這可能只是普通的氯化鈉，在好奇心的驅使下張子寧進行了X射線晶體衍射測試，發現這居然是一種由高度對稱的納米級籠狀團簇分子組成的晶體，即后來被稱為X@RONa的新物質類型中的一種。他們還發現，這種籠狀團簇不僅具有精妙神奇的結構，而且還可能是他們一直苦苦尋找的全新催化劑。

圖1. X@RONa催化的以氯苯為前體的苯炔胺基化反應

“接力”闖前沿

對新物質新功能的探索需要非凡的細致和耐心，也需要深入的交流討論和集思廣益。在最初發現X@RONa后的一次組內交流中，張子寧與研究生姚嘉麟注意到該團簇很可能實現了氯苯的活化反應，而這正是有機合成領域一直以來的難題。通過氯苯活化合成的苯胺類化合物在藥物、化工、材料領域都有著極其重要的應用。目前業界最佳的合成方法是過渡金屬催化法，但活化效果不佳，且存在體系復雜、試劑成本高、危廢較多、重金屬殘留等固有問題。而由X@RONa催化劑活化氯苯將有可能打破傳統，成為兼具成本和“綠色”優勢的新技術。

在張子寧畢業后，姚嘉麟接手了X@RONa的深入研究工作。在李智的指導下，他不僅進行了大量而細致的實驗研究，還對反應機理進行了理論計算研究。經過數年潛心探索，研究團隊尋找到了最佳的X@RONa催化劑配方和工藝，實現了從氯苯出發的百克級苯胺合成，證實了該反應的原理并非是過渡金屬催化機理，而是苯炔機理。不僅如此，通過成功實現苯炔放大反應，加之經濟廉價的催化劑原料，合成方法的成本、效率和綠色程度都遠遠優于現有技術。至此，從實驗室“偶然”得到的新物質開始，師生經過辛勤地實驗、思考和探究，最終取得了令人興奮而激動的科研成果?！澳軌蛲瓿蛇@個課題，離不開李老師足夠的耐心、課題組融洽的實驗氛圍和組員之間毫無保留的相互交流，還要感謝學院和學校提供優渥的科研條件?！?姚嘉麟如是說。

圖2.百克級放大反應案例

創新土壤滋養人才成長

研究成果從萌芽到收獲，得益于上科大開放又充滿活力的科研氛圍，以及其提供的一流科研設施。在導師的指導下，研究生和本科生的科研工作實現了有機融合，通過探索“本研協同”的培養模式，滿足了對創新人才進行個性化教學和差異化培養的需求。

在上科大，本科生不僅有機會融入科研團隊，獨立操作先進的科研設備，甚至還能開展前沿的研究項目，這已逐漸成為學校的常規培養模式。張子寧便是這一群體中的典型代表和受益者。

對于研究生而言，科研資源更是豐富而全面。學校不僅擁有先進的硬件和軟件設施，還因地處張江綜合性國家科學中心的優勢位置，學生們在學習和科研過程中可以利用周邊的科研機構和大型科學裝置開展實驗研究。姚嘉麟在研究過程中便運用了上科大物質學院分析測試平臺的液態靶X射線單晶衍射儀、超算中心的理論計算資源，以及鄰近的國家蛋白質科學研究（上海）設施的強場核磁共振波譜儀等眾多科研資源。這些高端的科研平臺和設備極大地促進了對新物質體系的深入研究。

論文標題：Scalable Transition-Metal-Free Synthesis of Aryl Amines from Aryl Chlorides through X@RONa-Catalyzed Benzyne Formation

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c00426