芳環作為有機分子骨架最基本的結構之一，廣泛存在于藥物分子和化工原料之中。然而，由于其共軛和穩定的環狀結構，芳環的選擇性開環斷裂轉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，是有機化學領域公認的重大科學難題之一。
雖然自然界通過酶催化能夠實現芳環的氧化開環代謝，但是該過程比較復雜，限制了其大規模應用。而在工業生產過程中，石油芳烴裂解和煤炭芳烴液化所依賴的氫化裂解技術往往需要極高的反應溫度，且選擇性較差。相比之下，化學催化過程具有原料來源豐富，增值轉化等優點，但是如何通過化學催化實現芳環的選擇性開環十分具有挑戰性，更是鮮有文獻報道。
圖1 通過催化實現芳環的選擇性開環斷裂轉化的挑戰
2021年7月19日，國際頂級期刊《Nature》在線刊登了北京大學天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室焦寧教授聯合加州大學洛杉磯分校K. Houk教授團隊關于芳環選擇性催化斷裂轉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轉化的重大科學難題！相關研究成果以“Cleaving arene rings for acyclic alkenylnitrile synthesis”為題，發表在《Nature》上。
論的文第一通訊單位為北京大學天然藥物及仿生藥物國家重點實驗室。北京大學藥學院焦寧團隊17級博士生邱旭、16級聯合培養博士生吳昊、南開大學18級碩士生桑岳遷為共同第一作者，加州大學洛杉磯分校理論計算化學家K. Houk教授與北京大學焦寧教授為論文的共同通訊作者。
在該研究工作中，研究團隊巧妙設計了銅催化的級聯活化策略，開發出一種新型的催化惰性碳碳鍵活化模式：通過產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斷裂轉化，并實現了對高附加值烯基腈類化合物的高效合成。只需要再經過進一步反應，就可以合成用來制備尼龍66的己二腈等原料。
該研究不僅實現了溫和條件下芳環選擇性斷裂開環轉化，有望為來自原油和煤炭的簡單芳烴的高值轉化提供新的途徑，也會為生物質的降解利用、為功能材料分子及藥物活性分子的修飾提供新方法
圖2. 芳烴衍生物的級聯活化催化開環斷裂及轉化應用
“芳環由于其電子共軛特性，結構非常穩固，難以開環斷裂轉化。就像一塊玉石原石，如果不經過切割打磨，難以做成精美的玉器。但自芳環發現以來，科學家一直沒有找到切開芳環轉化的溫和方法，就像找不到切割打磨玉石的工具。” 焦寧教授說道。“而我們的研究成果就像是找到了精準切割原石的‘激光刀’，可以高效實現一些取代芳環的切割開環轉化。“
據悉，焦寧教授自回國以來，帶領團隊以基于簡單來源分子為原料的簡潔、高效合成方法學為主要研究內容，通過惰性 C-H/C-C 鍵活化與重組、自由基反應等過程，發展新的方法學，為活性分子或復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、安全穩定的氮源，完成了施密特反應中疊氮試劑的替代，實現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用提供了新的思路，并有望為進一步新反應的發現提供新的策略。
參考文獻：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-y
作者簡介
1999年本科畢業于山東大學化學院，獲學士學位；2004年在中國科學院上海有機化學研究所獲得博士學位（導師：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（指導教授：Manfred T. Reetz 教授）。2007年1月回國，工作于北京大學藥學院、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。
曾獲中國化學會青年化學獎（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)、教育部長江學者特聘教授（2015）、中國化學會-巴斯夫公司青年知識創新獎 (2017) 等學術獎勵與項目資助。入選中組部首批青年拔尖人才計劃（2012）、科技部“創新人才推進計劃”中青年科技創新領軍人才（2016）、國家“萬人計劃”科技創新領軍人才（2019）等人才計劃。曾任 Heterocyclic Communication、《中國藥學》、Scientific Reports 等雜志編委，2017年7月起任 Chinese Journal of Chemistry 副主編；2021年1月起擔任Chemical Science副主編。
研究興趣主要包括：1) 綠色化學（氧氣氧化與活化、氧合反應、氮合反應、鹵化反應）；2) 自由基化學及地球豐產過渡金屬催化；3）基于內源性物質進行先導藥物發現，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. 等國際著名學術刊物發表論文150余篇。