北大发Science后再发Nature:攻克一项有机化学领域重大科学难题!

  芳环作为有机分子骨架最基本的结构之一,广泛存在于药物分子和化工原料之中。然而,由于其 共轭和稳定的环状结构,芳环的选择性开环断裂转化一直面临着键能高(147 kcal/mol)、活性低和选择性难以控制等挑战,是有机化学领域公认的重大科学难题之一。

  虽然自然界通过酶催化能够实现芳环的氧化开环代谢,但是该过程比较复杂,限制了其大规模应用。而在工业生产过程中,石油芳烃裂解和煤炭芳烃液化所依赖的氢化裂解技术往往需要极高的反应温度,且选择性较差。相比之下,化学催化过程具有原料来源丰富,增值转化等优点,但是如何通过化学催化实现芳环的选择性开环十分具有挑战性,更是鲜有文献报道。

  

  图1 通过催化实现芳环的选择性开环断裂转化的挑战

  2021年7月19日,国际顶级期刊《Nature》在线刊登了北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室焦宁教授联合加州大学洛杉矶分校K. Houk教授团队关于芳环选择性催化断裂转化的突破性研究成果,首次解决了惰性芳香化合物难以选择性催化开环转化的重大科学难题!相关研究成果以“Cleaving arene rings for acyclic alkenylnitrile synthesis”为题,发表在《Nature》上。

  论的文第一通讯单位为北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室。北京大学药学院焦宁团队17级博士生邱旭、16级联合培养博士生吴昊、南开大学18级硕士生桑岳迁为共同第一作者,加州大学洛杉矶分校理论计算化学家K. Houk教授与北京大学焦宁教授为论文的共同通讯作者。

  论文链接:

  https://doi.org/10.1038/s41586-021-03801-y

  

  在该研究工作中,研究团队巧妙设计了铜催化的级联活化策略,开发出一种新型的催化惰性碳碳键活化模式:通过产生高活性的双氮宾中间体,首次完成了对苯胺等一系列芳烃衍生物的高选择性开环断裂转化,并实现了对高附加值烯基腈类化合物的高效合成。只需要再经过进一步反应,就可以合成用来制备尼龙66的己二腈等原料。

  该研究不仅实现了温和条件下芳环选择性断裂开环转化,有望为来自原油和煤炭的简单芳烃的高值转化提供新的途径,也会为生物质的降解利用、为功能材料分子及药物活性分子的修饰提供新方法

  

  图2. 芳烃衍生物的级联活化催化开环断裂及转化应用

  “芳环由于其电子共轭特性,结构非常稳固,难以开环断裂转化。就像一块玉石原石,如果不经过切割打磨,难以做成精美的玉器。但自芳环发现以来,科学家一直没有找到切开芳环转化的温和方法,就像找不到切割打磨玉石的工具。” 焦宁教授说道。“而我们的研究成果就像是找到了精准切割原石的‘激光刀’,可以高效实现一些取代芳环的切割开环转化。“

  据悉,焦宁教授自回国以来,带领团队以基于简单来源分子为原料的简洁、高效合成方法学为主要研究内容,通过惰性 C-H/C-C 键活化与重组、自由基反应等过程,发展新的方法学,为活性分子或复杂分子的合成提供简洁、高效途径。

  值得一提的是,早在2019年12月5日,焦宁教授团队独辟蹊径,首次利用硝基甲烷作为简单易得、安全稳定的氮源,完成了施密特反应中叠氮试剂的替代,实现了高附加值酰胺及腈类化合物的高效合成,该成果以Research Report的形式,在线发表在国际顶级期刊《Science》,题为“Nitromethane as a nitrogen donor in Schmidt-type formation of amides and nitriles”。该研究不仅使施密特反应摆脱了对叠氮试剂的依赖,解决了酰胺合成中存在的问题,而且对硝基化合物的应用提供了新的思路,并有望为进一步新反应的发现提供新的策略。

  (来源:北京大学 版权属原作者 谨致谢意)