芳環(huán)開(kāi)環(huán)：《Nature》發(fā)表焦寧研究團(tuán)隊(duì)芳烴衍生物斷裂轉(zhuǎn)化新突破
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7月19日，北京大學(xué)藥學(xué)院天然藥物及仿生藥物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室焦寧研究團(tuán)隊(duì)在《自然（Nature）》在線發(fā)表了題為《芳環(huán)斷裂制備烯基腈》的最新研究論文，報(bào)道了關(guān)于芳環(huán)選擇性催化斷裂轉(zhuǎn)化的突破性研究成果。
通過(guò)仿生設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)提出級(jí)聯(lián)活化的策略，首次解決了惰性芳香化合物選擇性催化開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)化的重大科學(xué)難題，開(kāi)發(fā)出了一種新型催化惰性碳碳鍵活化模式，實(shí)現(xiàn)了苯胺等多種簡(jiǎn)單易得的芳烴衍生物到烯基腈的轉(zhuǎn)化，取得了該領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，或?yàn)橥苿?dòng)煤炭液化、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化、石油裂解等提供新思路。
碳碳鍵是構(gòu)筑大部分有機(jī)分子骨架的最基本結(jié)構(gòu)，其選擇性斷裂反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)分子骨架的直接修飾改造，也被認(rèn)為是新一代物質(zhì)轉(zhuǎn)化的途徑。但是，由于鍵能高、活性低、選擇性難以控制等挑戰(zhàn)性，碳碳鍵的斷裂轉(zhuǎn)化是化學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的難題之一。自1825年法拉第發(fā)現(xiàn)苯以來(lái)，芳環(huán)由于其共軛、穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如何通過(guò)催化實(shí)現(xiàn)芳環(huán)選擇性的開(kāi)環(huán)斷裂轉(zhuǎn)化更是鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。
芳環(huán)作為有機(jī)分子最基本的結(jié)構(gòu)之一，廣泛存在于藥物分子，功能材料和化工原料中。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，石油芳烴裂解和燃煤芳烴液化所依賴的氫化裂解技術(shù)通常依賴極高的反應(yīng)溫度，而芳烴的還原斷裂產(chǎn)物選擇性差，很大程度上限制了此反應(yīng)的應(yīng)用。盡管自然界通過(guò)復(fù)雜的酶催化的過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)芳環(huán)的氧化開(kāi)環(huán)代謝，但相關(guān)催化過(guò)程很難在化學(xué)合成中完成（圖1）。
圖1. 芳環(huán)選擇性催化開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)
焦寧研究團(tuán)隊(duì)巧妙設(shè)計(jì)了銅催化的級(jí)聯(lián)活化策略，通過(guò)產(chǎn)生高活性的雙氮賓中間體，首次完成了對(duì)一系列芳烴衍生物的高選擇性開(kāi)環(huán)斷裂轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高附加值烯基腈類化合物的高效合成，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步反應(yīng)，就可以得到用來(lái)制備尼龍66的己二腈等原料。該研究不僅實(shí)現(xiàn)了溫和條件下芳環(huán)選擇性斷裂開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)化，也為惰性碳碳鍵的活化提供了新的思路。
“打一個(gè)不是十分恰當(dāng)?shù)谋扔?，我們的研究結(jié)果就像找到了一個(gè)切割玉石的方法。芳環(huán)由于其電子共軛特性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)固，難以開(kāi)環(huán)斷裂轉(zhuǎn)化。就像一塊玉石原石，如果不經(jīng)過(guò)切割打磨，難以做成精美的玉器，但自芳環(huán)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)家一直沒(méi)有找到切開(kāi)芳環(huán)轉(zhuǎn)化的溫和方法，就像找不到切割打磨玉石的工具，難以將外表普通的原石打造成精美高價(jià)值的玉器，很難實(shí)現(xiàn)其價(jià)值最大化。”焦寧說(shuō)：“此次發(fā)現(xiàn)，就是像是找到了精準(zhǔn)切割原石的‘激光刀’，可以高效實(shí)現(xiàn)一些取代芳環(huán)的切割開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)化。”
據(jù)了解，這類新反應(yīng)的高效實(shí)現(xiàn)，有望為來(lái)自原油和煤炭的簡(jiǎn)單芳烴的高值轉(zhuǎn)化提供新的途徑，也會(huì)為生物質(zhì)的降解利用、為功能材料分子及藥物活性分子的修飾提供新方法（圖2）。
圖2. 芳烴衍生物的級(jí)聯(lián)活化催化開(kāi)環(huán)斷裂及轉(zhuǎn)化應(yīng)用
據(jù)悉，本文第一通訊單位為北京大學(xué)。北京大學(xué)藥學(xué)院焦寧課題組17級(jí)博士生邱旭、16級(jí)聯(lián)合培養(yǎng)博士生吳昊、南開(kāi)大學(xué)18級(jí)碩士生桑岳遷為本文共同第一作者，加州大學(xué)洛杉磯分校理論計(jì)算化學(xué)家K. Houk與焦寧為該工作的共同通訊作者。
焦寧研究團(tuán)隊(duì)合影
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03801-y
北京大學(xué)藥學(xué)院 天然藥物及仿生藥物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 供稿
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