碳碳雙鍵（C=C）的斷裂轉(zhuǎn)化是合成化學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)中的關(guān)鍵策略。盡管在通過碳碳雙鍵斷裂轉(zhuǎn)化進行天然產(chǎn)物合成的烯烴復(fù)分解和氧化方面取得了重大進展，但通過碳碳雙鍵拆解對復(fù)雜分子進行催化重構(gòu)的研究卻相對滯后。
2025年3月6日，北京大學(xué)藥學(xué)院焦寧團隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：Catalytic remodeling of complex alkenes to oxonitriles through C=C double bond deconstruction（通過碳碳雙鍵解構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜烯烴的催化重塑）的研究論文。
該研究通過設(shè)計合成非均相銅催化劑，催化 C=C 雙鍵斷裂反應(yīng)，將 C=C 雙鍵兩側(cè)的碳原子分別轉(zhuǎn)化為羰基和氰基，從而實現(xiàn)了烯烴類復(fù)雜分子到羰基腈的轉(zhuǎn)化。更重要的是，該方法提供了一種高效的方案，能夠方便地將完萜類化合物、糖醛、甾體以及生物活性分子轉(zhuǎn)化為具有未充分探索的化學(xué)空間的優(yōu)勢骨架，實現(xiàn)對藥物、天然產(chǎn)物等復(fù)雜分子骨架的精準(zhǔn)編輯。
碳碳鍵（C-C）構(gòu)成了有機化合物的基本骨架，其斷裂轉(zhuǎn)化對化石能源利用、廢棄聚烯烴及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化、分子骨架編輯等領(lǐng)域至關(guān)重要。例如，石化工業(yè)中利用高溫、高壓或催化條件實現(xiàn)的石油裂化與裂解其本質(zhì)是碳碳鍵斷裂過程。
石油裂解過程的碳碳鍵斷裂
碳碳雙鍵（C=C）在大宗化學(xué)品、天然產(chǎn)物及藥物分子中廣泛存在。長期以來，碳碳雙鍵的斷裂轉(zhuǎn)化方式有限，主要集中于傳統(tǒng)的氧化反應(yīng)和烯烴復(fù)分解（獲2005年諾貝爾化學(xué)獎），分別將碳碳雙鍵（C=C）轉(zhuǎn)化為碳氧鍵（C-O）和新的碳碳鍵（C-C）。
碳氮鍵（C-N）是現(xiàn)代藥物的基石，向分子中引入氮這一重要的生命元素能夠顯著提升分子功能或成藥性，因此，化學(xué)家們不斷努力尋找更精準(zhǔn)、高效的方法來制造它們。然而，由于碳碳鍵鍵能高、活性低、選擇性難以控制，尤其是復(fù)雜分子中存在多個反應(yīng)位點、反應(yīng)環(huán)境復(fù)雜，實現(xiàn)復(fù)雜分子的雙鍵斷裂氮化反應(yīng)更具挑戰(zhàn)。
碳碳雙鍵斷裂轉(zhuǎn)化
在這項研究中，焦寧團隊通過設(shè)計合成非均相銅催化劑，催化 C=C 雙鍵斷裂反應(yīng)，將 C=C 雙鍵兩側(cè)的碳原子分別轉(zhuǎn)化為羰基和氰基，從而實現(xiàn)了烯烴類復(fù)雜分子到羰基腈的轉(zhuǎn)化。
更重要的是，該方法不僅適用于簡單烯烴底物，還能廣泛應(yīng)用于甾體、萜類和糖烯類等復(fù)雜分子的骨架重塑。例如，乳腺癌治療藥物醋酸甲地孕酮在此方法下可進一步轉(zhuǎn)化為 C7 位碳-氮原子交換的骨架重塑產(chǎn)物、D-半乳烯糖衍生物可被轉(zhuǎn)化為脫氧阿拉伯糖醇衍生物。
因此，該研究不僅為優(yōu)勢骨架分子編輯及合成提供了一種新穎、有效的合成工具，開拓分子新化學(xué)空間，還有望推動合成化學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
碳碳雙鍵斷裂氮化反應(yīng)實現(xiàn)復(fù)雜分子重塑
焦寧教授表示，這種方法像是一種“分子手術(shù)刀”，可以選擇性切斷分子內(nèi)的碳碳雙鍵并實現(xiàn)分子骨架精準(zhǔn)編輯。這項工作歷經(jīng)四名博士生和博士后十余年的接續(xù)努力與不懈探索，解鎖了我們在碳碳單鍵、雙鍵、叁鍵及芳香環(huán)碳碳鍵斷裂轉(zhuǎn)化研究領(lǐng)域又一塊重要拼圖。
值得一提的是，Science 期刊同期發(fā)表了來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 Bill Morandi 團隊題為：Oxidative amination by nitrogen atom insertion into carbon-carbon double bonds 的研究論文。該研究實現(xiàn)了將氮原子插入碳碳雙鍵的氧化胺化反應(yīng)。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq8918
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq4980
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