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《Nature》:有机化学“圣杯”难题获解:精准剪切碳氢键、接上官能团,创造新分子更简便

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《Nature》:有机化学“圣杯”难题获解:精准剪切碳氢键、接上官能团,创造新分子更简便

作者:许琦敏 来源:文汇报

《Nature》:有机化学“圣杯”难题获解:精准剪切碳氢键、接上官能团,创造新分子更简便

生性活泼、爱搞破坏的自由基总喜欢对有机分子上的碳氢键乱“剪”一气,攫走氢原子。

长久以来,科学家一直想利用它的“特长”,将它改造成能够精准剪切碳氢键的能手——如果将有机分子看成一个个由不同字母组成的词汇,那它将能为人类编辑创造出更多新的分子“词汇”,为人类带来更多新药和新材料。

但想想容易,实现起来太难了!最近,中国科学院上海有机化学研究所刘国生研究员和香港科技大学林振阳教授课题组合作成功突破这个难题,最新科研成果发表在今天凌晨出版的英国《自然》杂志上。

《Nature》:有机化学“圣杯”难题获解:精准剪切碳氢键、接上官能团,创造新分子更简便

地球上,包括生命分子在内,碳与氢都是形成有机分子最基本的“字母”。它们结合而成的碳氢键通常比较稳固,碳氢键活化,即如何切断它们之间的化学键,即在分子“词汇”中擦除“字母”氢——这个操作被称为有机化学的“圣杯”。

而这座圣杯上的明珠则是,在此基础上,如何定点剪切有机分子的碳氢键,并精准连接上具有不同功能的其他分子“词根”。

从12年前学成回国,中国科学院上海有机化学研究所刘国生研究员就一直想挑战这座科学的高峰。

《Nature》:有机化学“圣杯”难题获解:精准剪切碳氢键、接上官能团,创造新分子更简便

刘国生(二排右六)研究团队合影,一排右二为本论文第一作者李家园

他认为,有两个关键的科学问题必须回答:其一,一个有机分子中,往往有多个类似的碳氢键,怎样才能让这些氢原子被自由基精准地攫取——通俗地说,就是让氮自由基“想切哪个,就切哪个”;其二,怎样才能给攫氢之后的碳自由基精准地安装新的“词根”,来生成新的三维立体分子。由于这项任务难度太大,有机分子碳氢键的精准转化一直难以突破。

2014年,刘国生团队发现了金属铜物种可以调控碳自由基反应的选择性。2016年,他与国外合作者一起在美国《科学》杂志上发表论文,即利用一种手性铜的氰化物,可以将氰基(CN)精准接上了被攫氢的有机分子上。由此,他们宣告解决了第二个科学问题,从而也为解答第一个科学问题奠定了坚实基础。

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又经过三年多,这支锲而不舍的科研团队惊喜地发现,这种手性铜的氰化物不仅可以精准地将“词根”氰基接到被“擦除”了氢的位置上,而且还可以调控氮自由基的活性,使其变得更加容易控制,有利于将有机分子中的“字母”氢定点“擦除”。

通过与香港科技大学林振阳教授课题组合作,铜的氰化物对氮自由基的调控是通过铜与含硫磺胺的氮自由基发生配位来实现的,由此来调节氮自由基的攫氢能力和选择性,使其成为可以精确制导的分子“剪刀”,在众多相似烯丙位碳氢键的有机分子上剪切其中一个特定位点的氢原子。

《Nature》:有机化学“圣杯”难题获解:精准剪切碳氢键、接上官能团,创造新分子更简便

“通过这两步接力的研究,我们终于找到了有机化合物碳氢键精准转化的一条全新途径!”刘国生兴奋地告诉记者,实验室数据显示,原本需要几步、十几步,才能将一些初级石化产品转化为药物中间体,现在只需在室温,甚至更低温度下,一步就能实现,转化效率高达90%以上。

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“这个发现对于新药研发、制药,以及很多高级化工品的生产,都会带来很大的改变。”《自然》杂志评审人认为“这个全新的铜配位氮自由基对于调节有机分子碳氢键的精准攫氢是非常显著的,影响也是巨大的”“令人印象深刻的是,无论是简单的烯烃,还是含烯烃结构的复杂药物分子都可以实现精准转化,这也是全所未有的。”

接下来,刘国生研究团队将循着目前发现的金属调控氮自由基选择性攫氢的新机制,寻找更多的分子工具去操纵分子“剪刀”,实现有机分子的精准编辑,推动有机化学合成进入更加绿色、环保、高效的时代。

全文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1655-8

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来源:高分子科学前沿

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