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牛!他,211「長江學者/國家優青/洪堡學者」,發完Nat. Chem./Angew,再發Nature子刊!

研究背景
單原子骨架編輯是一種日益強大的工具,在基于骨架躍遷的藥物開發中受到廣泛關注,因其能夠通過單原子插入或刪除實現異構體核心的直接轉化,從而增強分子活性并拓展知識產權空間。然而,目前在復雜化學環境中將功能化碳原子插入雜芳環的研究仍較為罕見,主要面臨高能壘及脫芳構化困難等挑戰,限制了插入試劑的范圍和反應條件的適用性。
成果簡介
有鑒于此,科學家們提出并發展了Ciamician-Dennstedt(C-D)反應,這是一種經典的單原子骨架編輯方法,通過二氯卡賓將吡咯轉化為3-氯吡啶。然而,該方法長期以來局限于使用鹵卡賓前體,存在反應條件苛刻、產率低以及功能化范圍受限的問題。盡管近年來通過鹵代卡賓或金屬卡賓來源的改進取得了一些進展,但其應用仍受限于特定的鹵代前體,功能基團類型也較為單一。
為突破這一局限,東北師范大學劉兆洪與畢錫和團隊以及斯坦福大學Edward A. Anderson合作在Nature Communications期刊上發表了題為“Halogencarbene-free Ciamician-Dennstedt single-atom skeletal editing”的最新論文。本研究提出了一種普適的無鹵卡賓C-D反應新策略,通過N-三氟甲基磺酰腙原位生成卡賓,實現了吲哚和吡咯向3-功能化喹啉和吡啶的高效轉化。該方法不僅顯著擴展了C-D反應的化學空間,還能夠在晚階段骨架修飾中引入多種功能基團。研究結果表明,反應通過1,4-二氫喹啉中間體進行,后續可通過氧化或去氟芳構化完成多樣化產物的生成。
東北師范大學楊勇、劉少鵬和Song Qingmin為共同第一作者。
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今年3月初,東北師范大學劉兆洪與畢錫和等學者文章登上Nature Chemistry,掀起學術界熱議!
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研究亮點
1. 實驗首次實現了α-無鹵卡賓的Ciamician-Dennstedt反應,通過N-三氟甲基磺酰基腙生成卡賓,在吲哚和吡咯骨架上進行單原子插入,成功獲得了3-功能化的喹啉和吡啶結構。這一創新方法突破了傳統C-D反應中僅限于鹵素卡賓的限制,擴展了該反應的適用范圍。
2. 實驗通過N-三氟甲基磺酰基腙生成的卡賓成功實現了復雜分子的骨架環擴展,該反應不僅提高了合成的可操作性,還可引入多種不同的功能基團,包括氟烷基、酯基等,進一步增強了該方法在藥物化學中的應用潛力。該反應為吲哚和吡咯類化合物提供了一種簡便的轉化途徑,并拓展了其在藥物和農藥開發中的應用前景。
3. 通過機理研究,提出了反應過程中涉及的1,4-二氫喹啉中間體,該中間體可以通過氧化芳構化或去氟芳構化途徑進一步轉化為不同的碳原子插入產物。這一機制的探索為理解C-D反應的反應機理提供了新的見解。
圖文解讀
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圖1:Ciamician-Dennstedt重排反應:背景與發展
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圖2: 吲哚與氟烷基N-三氟甲基磺酰基腙的骨架環擴展。
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圖3: 吲哚和吡咯與功能化N-三氟甲基磺酰基腙的骨架環擴展。
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圖4: 用于高效合成生物活性分子的合成應用。
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圖5: 吲哚與氟烷基卡賓的碳原子插入實驗研究及擬議機理。
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圖6: 計算研究。
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圖7: 對由CF3-和CF2CF3-取代卡賓分別生成的Int8和Int8-1化學選擇性來源的研究。
結論展望
本研究展示了通過功能化N-三氟甲基磺酰基腙作為卡賓前體,拓展了Ciamician-Dennstedt反應的化學空間,為單原子骨架編輯提供了新的思路。傳統的C-D反應常受到反應物種類和反應條件的限制,難以實現多樣化的取代基引入。本研究通過一鍋兩步法程序,成功實現了包括三氟甲基、氟烷基、烷基、芳基等多種取代基的插入,克服了傳統方法的瓶頸。更為重要的是,研究提出了兩種不同的芳構化路徑——氧化芳構化和去氟芳構化,顯著拓寬了骨架編輯的反應機制。此外,通過改進的反應條件,研究為吲哚和吡咯類化合物的結構修飾提供了高效的合成策略,對藥物化學、功能材料的設計與合成具有重要的意義。未來,基于該方法的進一步研究有望推動更多復雜分子結構的構建,為化學合成提供更廣闊的可能性。
文獻信息
Liu, S., Yang, Y., Song, Q.?et al.?Halogencarbene-free Ciamician-Dennstedt single-atom skeletal editing.?Nat Commun?15, 9998 (2024).

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