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。
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。
参考文献：Qiu, X., Sang, Y., Wu, H. et al. Cleaving arene rings for acyclic alkenylnitrile synthesis. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03801-y
作者简介
1999年本科毕业于山东大学化学院，获学士学位；2004年在中国科学院上海有机化学研究所获得博士学位（导师：麻生明 院士）。2004年至2006年，在德国Max-Planck-Institut für Kohlenforschung（马普煤炭研究所）从事博士后研究（指导教授：Manfred T. Reetz 教授）。2007年1月回国，工作于北京大学药学院、天然药物及仿生药物国家重点实验室。2012年至今，任天然药物及仿生药物国家重点实验室副主任。
曾获中国化学会青年化学奖（2010）、Asian Core Program Lectureship Award (2011 Singapore；2012 Japan & Thailand)、国家杰出青年基金（2013）、Thieme Chemistry Journals Award (2013)、教育部长江学者特聘教授（2015）、中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖 (2017) 等学术奖励与项目资助。入选中组部首批青年拔尖人才计划（2012）、科技部“创新人才推进计划”中青年科技创新领军人才（2016）、国家“万人计划”科技创新领军人才（2019）等人才计划。曾任 Heterocyclic Communication、《中国药学》、Scientific Reports 等杂志编委，2017年7月起任 Chinese Journal of Chemistry 副主编；2021年1月起担任Chemical Science副主编。
研究兴趣主要包括：1) 绿色化学（氧气氧化与活化、氧合反应、氮合反应、卤化反应）；2) 自由基化学及地球丰产过渡金属催化；3）基于内源性物质进行先导药物发现，寻求生物活性分子合成新途径、新方法。迄今为止，已在Science、Nature、Nature catalysis、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed. 等国际著名学术刊物发表论文150余篇。
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