近日，我院刘路教授团队在碳氢键官能团化领域取得新突破，首次实现了惰性芳烃的远程“分子编辑”，该项研究成果对芳烃的高附加值转化及应用具有重要意义。
图1. 刘路教授团队成果在《德国应用化学》上发表
手性是自然界的基本属性。手性分子，包括核酸、氨基酸、糖等和生命健康息息相关。手性分子在药物中尤其重要，结构相同的分子，如果具有不同的手性，有可能“左旋”构型的是治病救人的药物，而“右旋”构型的则是导致世界悲剧的毒药，医药史册上著名的灾难“反应停”事件就是因为手性药物沙利度胺中的左旋异构体对胎儿具有致畸性，成为“海豹儿”的罪魁祸首。因此获得单一手性分子一直是合成化学的热点。其中，不对称催化是获取单一手性分子的最有效的方法。2001年和2021年的诺贝尔化学奖均授予不对称催化领域。
芳烃（苯环）是众多功能分子的主要结构，例如大多数药物、生物活性分子、新材料以及食品添加剂中都包含该结构。通过芳烃位点选择性的碳氢键官能团化是合成这类分子最高效的方法。例如：如果能够对芳烃的1-, 2-, 3-, 4-位的四个碳氢键进行选择性转化，即使只有10种官能化试剂，就可以产生多达104个结构独特的分子，能够为药物开发提供丰富的化合物库。然而，这种理想的“分子编辑”具有非常大的挑战性，因为这些碳氢键的结构和性质相似，精准实现对某一个位点的控制非常困难。近年来，利用取代基（R）与催化剂的相互作用，能够实现较近位点（1-, 2-, 3-位）碳氢键的精准编辑，但是对芳烃的远程“分子编辑”仍然面临挑战性，尤其是不对称催化，迄今还没有实现。
图2. 化工原料芳烃的选择性转化
刘路教授团队长期致力于芳香化合物的选择性C(sp2)-H键官能团化新方法的开发。针对惰性芳烃对映选择性对位C(sp2)-H键官能团化的科学问题，课题组通过对反应机理的分析，利用金卡宾对苯环对位的独特反应能力，设计开发了金／手性磷酸共催化系统，解决了惰性芳烃对映选择性C(sp2)-H键官能团化过程中的选择性难题，实现了由廉价芳烃向手性分子的转化。该方法具有条件温和、反应速率快、原子经济性、选择性好以及适用范围广等优点，有大规模生产的潜力。通过该策略，课题组快速构建了超过60例手性1, 1-二芳基功能砌块，制备的手性1，1-二芳基乙酸酯是多种手性化合物的关键中间体。通过该策略，可以高效获得包括，-二芳基胺，手性吲哚以及手性异喹啉等结构在内的多种生物活性分子，也可以方便地对药物分子进行后期修饰，从而为手性药物、手性农药以及手性材料的进一步开发提供丰富的化合物库。
图3. 刘路教授团队（一排左二刘路教授，左三刘迅绅博士）
相关成果以“Enantioselective para-C(sp2)−H Functionalization of Alkyl Benzene Derivatives via Cooperative Catalysis of Gold/Chiral Brønsted Acid”为题于2022年8月3日在线发表于Angewandte Chemie International Edition上 (DOI: 10.1002/anie.202208874)。刘迅绅博士为论文第一作者，刘路教授为论文通讯作者，唐智琼硕士、硕士生司志姚和本科生章智焜、赵蕾也参与此课题的研究。该项工作得到了国家自然基金科学委和上海市科委项目资助。