碳碳雙鍵（C=C）的斷裂轉化是合成化學(xué)和藥物發(fā)現中的關(guān)鍵策略。盡管在通過(guò)碳碳雙鍵斷裂轉化進(jìn)行天然產(chǎn)物合成的烯烴復分解和氧化方面取得了重大進(jìn)展，但通過(guò)碳碳雙鍵拆解對復雜分子進(jìn)行催化重構的研究卻相對滯后。
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(guò)碳碳雙鍵解構實(shí)現復雜烯烴的催化重塑）的研究論文。
該研究通過(guò)設計合成非均相銅催化劑，催化 C=C 雙鍵斷裂反應，將 C=C 雙鍵兩側的碳原子分別轉化為羰基和氰基，從而實(shí)現了烯烴類(lèi)復雜分子到羰基腈的轉化。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(lèi)化合物、糖醛、甾體以及生物活性分子轉化為具有未充分探索的化學(xué)空間的優(yōu)勢骨架，實(shí)現對藥物、天然產(chǎn)物等復雜分子骨架的精準編輯。
碳碳鍵（C-C）構成了有機化合物的基本骨架，其斷裂轉化對化石能源利用、廢棄聚烯烴及生物質(zhì)轉化、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(shí)現的石油裂化與裂解其本質(zhì)是碳碳鍵斷裂過(guò)程。
石油裂解過(guò)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(cháng)期以來(lái)，碳碳雙鍵的斷裂轉化方式有限，主要集中于傳統的氧化反應和烯烴復分解（獲2005年諾貝爾化學(xué)獎），分別將碳碳雙鍵（C=C）轉化為碳氧鍵（C-O）和新的碳碳鍵（C-C）。
碳氮鍵（C-N）是現代藥物的基石，向分子中引入氮這一重要的生命元素能夠顯著(zhù)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、高效的方法來(lái)制造它們。然而，由于碳碳鍵鍵能高、活性低、選擇性難以控制，尤其是復雜分子中存在多個(gè)反應位點(diǎn)、反應環(huán)境復雜，實(shí)現復雜分子的雙鍵斷裂氮化反應更具挑戰。
碳碳雙鍵斷裂轉化
在這項研究中，焦寧團隊通過(guò)設計合成非均相銅催化劑，催化 C=C 雙鍵斷裂反應，將 C=C 雙鍵兩側的碳原子分別轉化為羰基和氰基，從而實(shí)現了烯烴類(lèi)復雜分子到羰基腈的轉化。
更重要的是，該方法不僅適用于簡(jiǎn)單烯烴底物，還能廣泛應用于甾體、萜類(lèi)和糖烯類(lèi)等復雜分子的骨架重塑。例如，乳腺癌治療藥物醋酸甲地孕酮在此方法下可進(jìn)一步轉化為 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(kāi)拓分子新化學(xué)空間，還有望推動(dòng)合成化學(xué)和藥物發(fā)現等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
碳碳雙鍵斷裂氮化反應實(shí)現復雜分子重塑
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的碳碳雙鍵并實(shí)現分子骨架精準編輯。這項工作歷經(jīng)四名博士生和博士后十余年的接續努力與不懈探索，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(lái)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(shí)現了將氮原子插入碳碳雙鍵的氧化胺化反應。
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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