有機化學“聖盃”難題獲解：精準剪切碳氫鍵、接上官能團，創造新分子更簡便_風聞

文匯報  2019-10-24

生性活潑、愛搞破壞的自由基總喜歡對有機分子上的碳氫鍵亂“剪”一氣，攫走氫原子。

長久以來，科學家一直想利用它的“特長”，將它改造成能夠精準剪切碳氫鍵的能手——如果將有機分子看成一個個由不同字母組成的詞彙，那它將能為人類編輯創造出更多新的分子“詞彙”，為人類帶來更多新藥和新材料。

但想想容易，實現起來太難了！最近，上海科學家成功突破這個難題，最新科研成果發表在今天凌晨出版的英國《自然》雜誌上。

地球上，包括生命分子在內，碳與氫都是形成有機分子最基本的“字母”。它們結合而成的碳氫鍵通常比較穩固，碳氫鍵活化，即如何切斷它們之間的化學鍵，即在分子“詞彙”中擦除“字母”氫——這個操作被稱為有機化學的“聖盃”。

而這座聖盃上的明珠則是，在此基礎上，如何定點剪切有機分子的碳氫鍵，並精準連接上具有不同功能的其他分子“詞根”。

從12年前學成回國，中國科學院上海有機化學研究所劉國生研究員就一直想挑戰這座科學的高峯。

▲劉國生（二排右六）研究團隊合影，一排右二為本論文第一作者李家園

他認為，有兩個關鍵的科學問題必須回答：其一，一個有機分子中，往往有多個類似的碳氫鍵，怎樣才能讓這些氫原子被自由基精準地攫取——通俗地説，就是讓氮自由基“想切哪個，就切哪個”；其二，怎樣才能給攫氫之後的碳自由基精準地安裝新的“詞根”，來生成新的三維立體分子。由於這項任務難度太大，有機分子碳氫鍵的精準轉化一直難以突破。

2014年，劉國生團隊發現了金屬銅物種可以調控碳自由基反應的選擇性。2016年，他與國外合作者一起在美國《科學》雜誌上發表論文，即利用一種手性銅的氰化物，可以將氰基（CN）精準接上了被攫氫的有機分子上。由此，他們宣告解決了第二個科學問題，從而也為解答第一個科學問題奠定了堅實基礎。

又經過三年多，這支鍥而不捨的科研團隊驚喜地發現，這種手性銅的氰化物不僅可以精準地將“詞根”氰基接到被“擦除”了氫的位置上，而且還可以調控氮自由基的活性，使其變得更加容易控制，有利於將有機分子中的“字母”氫定點“擦除”。

通過與香港科技大學林振陽教授課題組合作，銅的氰化物對氮自由基的調控是通過銅與含硫磺胺的氮自由基發生配位來實現的，由此來調節氮自由基的攫氫能力和選擇性，使其成為可以精確制導的分子“剪刀”，在眾多相似烯丙位碳氫鍵的有機分子上剪切其中一個特定位點的氫原子。

“通過這兩步接力的研究，我們終於找到了有機化合物碳氫鍵精準轉化的一條全新途徑！”劉國生興奮地告訴記者，實驗室數據顯示，原本需要幾步、十幾步，才能將一些初級石化產品轉化為藥物中間體，現在只需在室温，甚至更低温度下，一步就能實現，轉化效率高達90%以上。

“這個發現對於新藥研發、製藥，以及很多高級化工品的生產，都會帶來很大的改變。”《自然》雜誌評審人認為“這個全新的銅配位氮自由基對於調節有機分子碳氫鍵的精準攫氫是非常顯著的，影響也是巨大的”“令人印象深刻的是，無論是簡單的烯烴，還是含烯烴結構的複雜藥物分子都可以實現精準轉化，這也是全所未有的。”

接下來，劉國生研究團隊將循着目前發現的金屬調控氮自由基選擇性攫氫的新機制，尋找更多的分子工具去操縱分子“剪刀”，實現有機分子的精準編輯，推動有機化學合成進入更加綠色、環保、高效的時代。