电化学将碳转化为有用的分子

一项化学合作带来了一种创造性的方式来利用二氧化碳，甚至是健康的：通过电合成将其整合到一系列对药物开发至关重要的有机分子中。

在这个过程中，团队做出了一个创新的发现。通过改变电化学反应器的类型，他们可以生产两种完全不同的产品，这两种产品在药物化学中都很有用。

该团队的论文“电化学反应器决定了N-杂芳烃羧基化中的位点选择性”，发表在《自然》杂志上。该论文的共同主要作者是中国四川大学的博士后研究员彭宇和张文，以及孙国权。

由文理学院化学和化学生物学教授宋林领导的康奈尔团队此前曾利用电化学过程将简单的碳分子拼接在一起，形成复杂的化合物，消除了对贵金属或其他催化剂促进化学反应的需求。

对于新项目，他们将目光投向了一个更具体的目标：吡啶，这是FDA批准的药物中第二普遍的杂环。杂环是有机化合物，其中分子的原子连接成环状结构，其中至少有一个不是碳。这些结构单元被认为是“药效团”，因为它们经常存在于药用活性化合物中。它们也常见于农用化学品中。

研究人员的目标是制造羧化吡啶，即附加二氧化碳的吡啶。将二氧化碳引入吡啶环可以改变分子的功能，并可能帮助它与某些靶标结合，例如蛋白质。然而，这两种分子不是天然的伙伴。吡啶是一种反应性分子，而二氧化碳通常是惰性的。

“将二氧化碳直接引入吡啶的方法很少，”该论文的共同资深作者Lin和四川大学的Da-Gang Yu说。“目前的方法有非常严重的局限性。

Lin的实验室将其在电化学方面的专业知识与Yu的团队在利用二氧化碳进行有机合成方面的专长相结合，他们能够成功地制造出羧化吡啶。

“电化学给你提供了杠杆，可以调动足以激活一些最惰性分子的潜力，”林说。“这就是我们能够实现这种反应的方式。

该团队的偶然发现是在他们进行电合成时出现的。化学家通常以两种方式之一进行电化学反应：在未分割的电化学电池中(其中提供电流的阳极和阴极在同一溶液中)或在分裂的电化学电池中(其中阳极和阴极由多孔分隔器隔开，该分隔器阻止大有机分子但允许离子通过)。

一种方法可能比另一种更有效，但它们都生产相同的产品。

Lin的研究小组发现，通过从分裂的细胞切换到未分裂的细胞，他们可以选择性地将二氧化碳分子附着在吡啶环的不同位置上，从而产生两种不同的产物：未分裂细胞中的C4-羧化和分裂细胞中的C5-羧化。

“这是我们第一次发现，通过简单地改变电池，我们称之为电化学反应器，你完全改变了产品，”林说。“我认为，对它为什么发生的机制理解将使我们能够继续将相同的策略应用于其他分子，而不仅仅是吡啶，并可能以这种选择性但受控的方式制造其他分子。我认为这是一个可以推广到其他系统的一般原则。

虽然该项目的二氧化碳利用形式不会解决气候变化的全球挑战，但林说，“这是朝着以有用的方式使用过量二氧化碳迈出的一小步。