眾所周知，水是通用溶劑，能夠溶解多種化學物質。但在化學實驗室中，所選擇的溶劑幾乎都是有機的。水與多種不同類型的分子發(fā)生反應，科學家無法從復雜的反應中得到良好的結果，許多有機合成化學家將水視為一種危害。近日，美國化學會ACS C&EN新聞欄刊登了“For organic chemists, micellar chemistry offers water as a solvent”一文，特別強調了膠束化學對有機合成的新發(fā)展。
【膠束與膠束化學】
在過去的幾年中，一小群化學家一直嘗試在水中化學合成。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，形成膠束微球，從而形成一個有機分子反應區(qū)域，這些顆粒的內部環(huán)境對有機分子很友好，它們就像微小的燒瓶，在有機反應時并將有機分子與周圍的水分子隔離。
膠束化學（通常是水中的化學）比在有機溶劑中進行相同的反應更具環(huán)境友好性，而有機溶劑中的許多物質是有毒的，且有機溶劑占藥物分子制造過程中產生廢物的50％-80％。而膠束化學的好處遠不只是綠色，它還使反應具有更高收率、反應條件更溫、副產物更少。不少科學家堅信這可以改變合成化學的世界。
膠束（顯示出切面圖）通常能夠實現(xiàn)在水中無法發(fā)生的反應，例如這種Pd催化的Buchwald-Hartwig胺化反應。（紅色=溴，藍色= 氮）
自然界在早于人類在水中制造分子?！皵?shù)十億年的時間里，自然界已經優(yōu)化水中各種反應，比如，Krebs循環(huán)在細胞（主要是水）中進化，并通過分解有機分子來產生化學燃料?！?相比之下，化學家只有一個至兩個世紀的時間來優(yōu)化化學反應，仍然需要大量時間、精力和金錢來理解和完善在有機溶劑中的反應。在化學實驗室中，溶劑也具有某種惰性，要改變這種惰性是極其困難的。
Bruce Lipshutz論述了在膠束中進行的合成化學。加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的化學家于2008年開始研究，證明膠束化學與烯烴交叉復分解反應兼容，該反應通常在二氯甲烷等有機溶劑中進行（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，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（Green Chem. 2018，DOI：10.1039 / C7GC03866F）。路易斯維爾大學的Sachin Handa用膠束化學執(zhí)行Buchwald-Hartwig胺化（ACS Catal. 2019，DOI：10.1021 / acscatal.9b02622），和與負碳離子中間體的反應（ACS Catal. 2020，DOI：10.1021 / acscatal.0c01196）。上述所有這些典型的反應都需要有機溶劑。這是因為它們的某些成分，例如碳負離子通常被認為與水不相容。化學家還提出膠束還可以發(fā)揮其他作用，例如將反應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。
【水中化學】
世界三大藥企之一諾華（Novartis）的科學家在2016年比較了使用有機溶劑（紅色）和膠束化學（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、產率更高以及更少溶劑的優(yōu)點。在反應中使用更高濃度的試劑，并且優(yōu)化了實驗流程，所以所需的水更少。
【膠束化學的挑戰(zhàn)】
即使膠束化學具有誘人的賣點，但仍存在許多挑戰(zhàn)。如，一些膠束過程仍然需要有機溶劑來分離和純化反應產物；水里殘留的有機和無機化合物未經處理就排放。且現(xiàn)在人們對它的基本規(guī)則仍然知之甚少，它仍然需要反復試驗。水中的化學反應機理與溶劑中的不同，我們需要更精確地了解膠束聚合中的情況，并確定反應物和催化劑在膠束系統(tǒng)中的位置。
球形膠束的化學合成更復雜，因為表面活性劑可能還起著其他作用，如乳化、分散以及表面張力效應。
盡管起初科學家不相信膠束化學能起作用，且人們不完全了解，膠束化學的優(yōu)點依舊明顯。膠束化學家們知道很難挑戰(zhàn)使用有機溶劑的慣性作，但希望鏟開胸懷，克服先入為主的想法，傳播這些技術。
