芳環(huán)作為有機分子骨架最基本的結(jié)構(gòu)之一，廣泛存在于藥物分子和化工原料之中。然而，由于其 共軛和穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，芳環(huán)的選擇性開環(huán)斷裂轉(zhuǎn)化一直面臨著鍵能高（147 kcal/mol）、活性低和選擇性難以控制等挑戰(zhàn)，是有機化學(xué)領(lǐng)域公認的重大科學(xué)難題之一。
雖然自然界通過酶催化能夠?qū)崿F(xiàn)芳環(huán)的氧化開環(huán)代謝，但是該過程比較復(fù)雜，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。而在工業(yè)生產(chǎn)過程中，石油芳烴裂解和煤炭芳烴液化所依賴的氫化裂解技術(shù)往往需要極高的反應(yīng)溫度，且選擇性較差。相比之下，化學(xué)催化過程具有原料來源豐富，增值轉(zhuǎn)化等優(yōu)點，但是如何通過化學(xué)催化實現(xiàn)芳環(huán)的選擇性開環(huán)十分具有挑戰(zhàn)性，更是鮮有文獻報道。圖1 通過催化實現(xiàn)芳環(huán)的選擇性開環(huán)斷裂轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)2021年7月19日，國際頂級期刊《Nature》在線刊登了北京大學(xué)天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室焦寧教授聯(lián)合加州大學(xué)洛杉磯分校K. Houk教授團隊關(guān)于芳環(huán)選擇性催化斷裂轉(zhuǎn)化的突破性研究成果，首次解決了惰性芳香化合物難以選擇性催化開環(huán)轉(zhuǎn)化的重大科學(xué)難題！相關(guān)研究成果以“Cleaving arene rings for acyclic alkenylnitrile synthesis”為題，發(fā)表在《Nature》上。論的文第一通訊單位為北京大學(xué)天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室。北京大學(xué)藥學(xué)院焦寧團隊17級博士生邱旭、16級聯(lián)合培養(yǎng)博士生吳昊、南開大學(xué)18級碩士生桑岳遷為共同第一作者，加州大學(xué)洛杉磯分校理論計算化學(xué)家K. Houk教授與北京大學(xué)焦寧教授為論文的共同通訊作者。在該研究工作中，研究團隊巧妙設(shè)計了銅催化的級聯(lián)活化策略，開發(fā)出一種新型的催化惰性碳碳鍵活化模式：通過產(chǎn)生高活性的雙氮賓中間體，首次完成了對苯胺等一系列芳烴衍生物的高選擇性開環(huán)斷裂轉(zhuǎn)化，并實現(xiàn)了對高附加值烯基腈類化合物的高效合成。只需要再經(jīng)過進一步反應(yīng)，就可以合成用來制備尼龍66的己二腈等原料。該研究不僅實現(xiàn)了溫和條件下芳環(huán)選擇性斷裂開環(huán)轉(zhuǎn)化，有望為來自原油和煤炭的簡單芳烴的高值轉(zhuǎn)化提供新的途徑，也會為生物質(zhì)的降解利用、為功能材料分子及藥物活性分子的修飾提供新方法圖2. 芳烴衍生物的級聯(lián)活化催化開環(huán)斷裂及轉(zhuǎn)化應(yīng)用“芳環(huán)由于其電子共軛特性，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)固，難以開環(huán)斷裂轉(zhuǎn)化。就像一塊玉石原石，如果不經(jīng)過切割打磨，難以做成精美的玉器。但自芳環(huán)發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家一直沒有找到切開芳環(huán)轉(zhuǎn)化的溫和方法，就像找不到切割打磨玉石的工具?！?焦寧教授說道?！岸覀兊难芯砍晒拖袷钦业搅司珳是懈钤摹す獾丁?，可以高效實現(xiàn)一些取代芳環(huán)的切割開環(huán)轉(zhuǎn)化?！?/section>據(jù)悉，焦寧教授自回國以來，帶領(lǐng)團隊以基于簡單來源分子為原料的簡潔、高效合成方法學(xué)為主要研究內(nèi)容，通過惰性 C-H/C-C 鍵活化與重組、自由基反應(yīng)等過程，發(fā)展新的方法學(xué)，為活性分子或復(fù)雜分子的合成提供簡潔、高效途徑。值得一提的是，早在2019年12月5日，焦寧教授團隊獨辟蹊徑，首次利用硝基甲烷作為簡單易得、安全穩(wěn)定的氮源，完成了施密特反應(yīng)中疊氮試劑的替代，實現(xiàn)了高附加值酰胺及腈類化合物的高效合成，該成果以Research Report的形式，在線發(fā)表在國際頂級期刊《Science》，題為“Nitromethane as a nitrogen donor in Schmidt-type formation of amides and nitriles”。該研究不僅使施密特反應(yīng)擺脫了對疊氮試劑的依賴，解決了酰胺合成中存在的問題，而且對硝基化合物的應(yīng)用提供了新的思路，并有望為進一步新反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)提供新的策略。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-y1999年本科畢業(yè)于山東大學(xué)化學(xué)院，獲學(xué)士學(xué)位；2004年在中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位（導(dǎo)師：麻生明 院士）。2004年至2006年，在德國Max-Planck-Institut für Kohlenforschung（馬普煤炭研究所）從事博士后研究（指導(dǎo)教授：Manfred T. Reetz 教授）。2007年1月回國，工作于北京大學(xué)藥學(xué)院、天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室。2012年至今，任天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室副主任。曾獲中國化學(xué)會青年化學(xué)獎（2010）、Asian Core Program Lectureship Award (2011 Singapore；2012 Japan & Thailand)、國家杰出青年基金（2013）、Thieme Chemistry Journals Award (2013)、教育部長江學(xué)者特聘教授（2015）、中國化學(xué)會-巴斯夫公司青年知識創(chuàng)新獎 (2017) 等學(xué)術(shù)獎勵與項目資助。入選中組部首批青年拔尖人才計劃（2012）、科技部“創(chuàng)新人才推進計劃”中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2016）、國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2019）等人才計劃。曾任 Heterocyclic Communication、《中國藥學(xué)》、Scientific Reports 等雜志編委，2017年7月起任 Chinese Journal of Chemistry 副主編；2021年1月起擔(dān)任Chemical Science副主編。研究興趣主要包括：1) 綠色化學(xué)（氧氣氧化與活化、氧合反應(yīng)、氮合反應(yīng)、鹵化反應(yīng)）；2) 自由基化學(xué)及地球豐產(chǎn)過渡金屬催化；3）基于內(nèi)源性物質(zhì)進行先導(dǎo)藥物發(fā)現(xiàn)，尋求生物活性分子合成新途徑、新方法。迄今為止，已在Science、Nature、Nature catalysis、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed. 等國際著名學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文150余篇。
