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中科大「國家杰青」黃漢明,最新Nature Chemistry!

合成化學領域中,高選擇性地區分和有序組裝結構相似的化合物一直是一個重大挑戰。傳統方法通常依賴逐步反應或使用保護基團,不僅步驟繁瑣,還增加了成本。自然界中,酶通過其高特異性的分子識別能力,實現了生物大分子的精準構建,為合成化學提供了重要的啟示。然而,酶的底物范圍受限、反應模式單一以及穩定性差,使其在化學合成中的應用受限。尤其是對于胺類化合物,由于它們往往具有相似的三維結構和物理化學性質,在現有的化學方法中難以精準區分,且容易與金屬催化劑發生非特異性配位,導致催化效率降低。因此,發展一種能夠高效區分和處理結構相似胺化合物的策略,不僅是解決現有問題的關鍵,也為復雜手性分子合成提供了重要方向。
成果簡介
基于上述挑戰,中國科學技術大學黃漢明教授團隊提出了“動態胺篩選(Dynamic Amine Sorting)”策略。通過設計獨特的鈀催化體系和配體調控機制,實現了對結構和性質相近胺化合物的高效區分與選擇性引入,成功構建了一系列不對稱手性二胺。該研究以“Dynamic Amine Sorting Enables Multiselective Construction of Unsymmetrical Chiral Diamines”為題,發表在《Nature Chemistry》期刊上。這一技術突破不僅顯著簡化了復雜手性化合物的合成路徑,還展現出在藥物后期修飾和功能分子設計方面的巨大應用潛力。
作者簡介:黃漢民,中國科學技術大學講席教授,博士生導師,中科院特聘研究員,國家杰青,英國皇家化學會會士,綠色和精準合成化學及應用教育部重點實驗室主任。2003年于中科院大連化學物理研究所獲得有機化學博士學位,2004年至2008年在日本名古屋大學作JSPS博士后研究。主要研究領域為導向有機合成的金屬有機化學,專注于發現和建立烴類物質和資源小分子高效轉化的催化反應及機理研究。已在Nat. Catal.; J. Am. Chem. Soc.; Angew.Chem. Int. Ed.; Chem. Sci.; Acc. Chem. Res.; Chem. Rev.和Chem. Soc. Rev等期刊上發表論文。先后獲中科院引進國外杰出人才擇優支持(2008),首屆國家自然科學基金委優秀青年基金( 2012 )和國家自然科學基金委杰出青年基金支持( 2019) ;中國均相催化委員會均相催化青年獎( 2013),中科院優秀研究生指導教師獎( 2015),入選國家級中青年科技創新領軍人才( 2015)和科技創新領軍人才(2017)。
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研究亮點
1. 創新性動態胺篩選策略:提出了基于動態胺篩選的全新方法,利用胺甲基環鈀配合物的選擇性形成,突破性地實現了對結構和性質相似的胺化合物的精準區分,為復雜手性分子合成提供了全新的解決思路。
2.多重高選擇性合成:通過優化催化劑和反應條件,成功實現了化學、區域和對映選擇性控制,合成了一系列不對稱手性二胺。這些化合物具有重要的生物活性,可廣泛應用于藥物開發和功能分子設計。
3.?實際應用潛力:該技術不僅適用于多種胺化合物的處理,還展示了在藥物后期修飾和復雜分子設計中的廣泛適用性,顯著提高了合成效率,推動了綠色、高效化學合成的進一步發展。
圖文導讀
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圖1 ?動態胺篩選策略實現不對稱手性二胺的構建
圖1詳細闡釋了動態胺篩選策略的基本概念及其應用框架。圖1a展示了一系列不對稱手性二胺在藥物、農用化學品中的廣泛應用,強調了這類分子在生物活性和工業價值方面的重要性。圖1b為動態胺篩選的設計思路示意圖,借鑒動態組合化學的識別模型,通過差異化處理具有微小結構差異的胺同系物,構建不對稱手性分子。圖1c深入解析了動態胺篩選的工作原理,指出電子更豐富的胺優先形成穩定的胺甲基環鈀配合物,從而實現高效篩選,而電子較貧乏的胺則保持在溶液中。圖1d總結了該策略在不對稱手性二胺合成中的實際應用,通過結合化學選擇性、區域選擇性及對映選擇性的控制,成功實現了目標分子的高效構建。
這一策略通過精密設計的金屬催化劑體系,提供了區分和處理復雜胺類化合物的新方法,為高選擇性化學合成開辟了新的可能性。
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圖2 動態胺篩選策略的機制研究
圖2通過一系列實驗揭示了動態胺篩選的核心機制,解析了胺篩選過程中金屬催化劑與胺的相互作用。圖2a通過對不同N,O-乙縮醛和自由胺的交叉實驗,證明它們可以相互轉化,并產生對稱和不對稱1,3-二胺,表明胺篩選過程是通過區分乙縮醛中胺的性質來實現的。圖2b進一步合成并表征了兩種環鈀化合物(Pd-A和Pd-B),分別由電子性質不同的胺生成。
實驗結果表明,當Pd-B與二芐胺混合時,可完全轉化為Pd-A,而逆向轉化無法實現,這表明電子更豐富的胺形成的環鈀化合物在熱力學上更穩定。圖2c通過交叉實驗表明,不同環鈀化合物的互相轉化速率遠高于后續的二烯插入步驟,排除了插入步驟在胺篩選過程中的參與。進一步的動力學分析(圖2e)顯示,不對稱1,3-二胺的生成速率始終高于對稱產物,表明胺篩選過程中自由胺的電子性質主導了胺甲基化的選擇性。最后,圖2g展示了該策略對三種不同胺的動態排序能力,優先將簡單脂肪胺作為胺甲基基團引入,而將芳香胺或環狀胺定位于烯丙位。
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圖3 合成應用研究
圖3展示了動態胺篩選策略在合成手性化合物及其應用中的巨大潛力。圖3a描述了該方法在克級規模下合成手性1,3-二胺的高效性。實現了以72%的產率和96%的對映體過量成功制備了目標化合物。后續反應中,包括同系烯丙基化和閉環復分解,生成了手性四氫吡啶衍生物,為復雜分子的合成提供了新途徑。圖3b至圖3d展示了通過去保護和選擇性官能化生成多種生物活性骨架分子的過程。例如,通過去除對甲氧基苯基保護基并形成關鍵的環狀化合物,成功構建了手性四氫喹啉衍生物和2-苯基哌啶分子。這些化合物在藥物開發中具有重要意義。此外,圖3e和圖3f進一步探討了此方法在藥物分子中的應用潛力,成功合成了多種生物活性化合物,如聚ADP核糖聚合酶(PARP)抑制劑和NR2B受體拮抗劑。相比傳統合成方法,該策略顯著減少了反應步驟,縮短了合成路線,并提高了效率和對映選擇性。
結論展望
本研究提出了動態胺篩選策略,通過設計精密的金屬催化體系,成功解決了區分和有序引入結構相似胺化合物的難題。這種創新方法實現了化學、區域和對映選擇性的高度可控,為不對稱手性二胺的高效構建提供了突破性解決方案。研究結果表明,該策略具有優異的底物適應性,不僅適用于多種胺化合物,還能夠應用于藥物分子后期修飾和功能分子合成。此外,動態胺篩選策略展示了超越傳統酶識別的潛力,為復雜分子合成提供了更靈活且普適性更強的選擇。動態胺篩選策略作為一種新興工具,必將在化學合成和相關領域發揮重要作用,為綠色、高效化學合成開辟新方向。
文獻信息
Dynamic amine sorting enables multiselective construction of unsymmetrical chiral diamines. Nature Chemistry.

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