发现碳碳键断裂转换反应新突破

3月7日，《科学》在网上发表了一篇题为《通过碳碳双键解构实现复杂烯烃催化重塑》的研究论文，题为北京大学药学院/天然药物和仿生药物全国重点实验室焦宁研究团队。该研究通过设计合成非均相铜催化剂，实现了从烯烃复杂分子到基腈的转化，完成了药物、天然产品等复杂分子骨架的精确编辑。

碳键构成了有机化合物的基本骨架，其断裂转化对于化石能源利用、废弃聚烯烃、生物质转化、分子骨架编辑等领域至关重要。例如，碳键断裂过程是石化工业中利用高温、高压或催化条件实现的石油裂化和裂解的本质。

碳碳双键广泛存在于大型化学品、天然产品和药物分子中。长期以来，碳碳双键的断裂转化方式有限，主要集中在传统的氧化反应和烯烃复分解上，分别将碳碳双键转化为碳氧键和新的碳碳键。

然而，将氮原子引入分子中的氮化反应很少通过碳碳双键断裂来实现。由于氮化合物广泛应用于农药、香料、染料、材料等领域，将氮作为一种重要的生命元素引入分子，可以显著提高分子的功能或药性。精确高效的氮化反应一直是合成化学最受关注的领域之一。

但由于碳键能高、活性低、选择性难以控制，特别是复杂分子中反应点多、反应环境复杂，实现复杂分子的双键断裂氮化反应更具挑战性。

焦宁团队长期致力于碳碳键断裂转换研究和分子骨架编辑研究，并在药物修饰改造和新药发现中应用了新的氮化、氧化和卤化方法。光动力治疗和血脂异常两种1.1创新药物的开发分别获得批准，并进入临床Ⅰ期试验。在碳键断裂的早期阶段，该团队实现了以硝基甲烷为氮源的施密特特(Schmidt)反应和苯环的开环转换。

研究团队围绕“碳碳双键氮化反应”这一关键科学问题，利用金属铜催化，通过控制叠氮自由基，实现了高效、高选择性的双键断裂需氧氮化反应，高效地引发和诱导O-O键均裂。研究小组进一步结合非均相催化，设计合成了新颖的CuO/h-TS-1催化剂，在实现催化剂回收利用的同时，提高催化效率。

研究人员表示，这种方法不仅适用于简单的烯烃基物，还可以广泛应用于甾体、噻体、糖烯等复杂分子的骨架重塑。例如，醋酸甲地孕酮可以在这种方法下进一步转化为C7位碳-氮原子交换的骨架重塑产物。D-半乳烯糖衍生物可以转化为脱氧阿拉伯糖醇衍生物。这项研究不仅为主导骨架分子的编辑和合成提供了一种新颖有效的合成工具，也有望促进合成化学和药物发现等相关领域的发展。

焦宁说：“这种方法就像一把‘分子手术刀’，可以选择性地切断分子内的碳碳双键，实现分子骨架的精确编辑。

据悉，北京大学药学院19级博士生程增瑞、18级博士生王琛、已出站博士后黄开盟、陈莉莉为论文第一作者。该研究与中石化石化工科学研究院有限公司舒兴田研究团队合作，夏长期研究人员为共同通信作者。中国科学院精密测量科学与技术创新研究所郑安民、浙江大学王亮等研究团队，如北京大学宋颂、上海大学新耀、北京化工大学王腾、曹鹏飞等，也帮助了该工作。该工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、昌平实验室的协助。