光阴荏苒，科学在路上。
2023-2024年度，世界顶尖科学家协会（WLA）的科学家们孜孜以求，在各自领域持续深耕，始终处于研究前沿，引领重大基础或应用突破。
由WLA智库研究部整理出品，世界顶尖科学家论坛公众号分“生命科学与医学”、“化学合成与材料”、“能源科学与生物多样性”三篇，介绍WLA顶尖科学家在2023年的重大研究突破。
化学家们始终在寻找更简洁、高效、稳定的化学合成方式，为药物分子设计、新材料制造等奠定基础。在今天推送的化学合成与材料篇中，来看看“脑洞”化学家们的实验又带来什么新惊喜。
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电催化脱羧偶联，实现复杂分子的简洁合成
含有1,2- 或1,3-杂原子取代的复杂分子通常由基于极性片段的逆合成分析来构建合成。虽然逆合成分析法已被广泛使用，但它们的实施通常需要采取一系列措施（如保护基团的使用），以确保反应得以精确的进行。
一种全新的基于自由基的C-C碳碳键合成法正被应用于构建该类型复杂分子。来自美国斯克里普斯研究所Phil S. Baran等人发展了一种基于自由基的Ni/Ag电催化α-取代羧酸的交叉偶联反应，能够以一种直观和模块化的方法来实现复杂分子的构建。这种方法的巨大优点在于可以直接一步构建原来较难合成的目标片段，同时避免周围官能团的影响以及外来氧化还原反应的干扰，还开辟了一种完全不同于极性分配的方法来制造分子。
新方法依赖于一种关键的银添加剂（它可以在原位形成一个活性的银纳米颗粒涂层电极表面）以及调节镍反应活性的配体。值得注意的是，为了证明这些反应的应用价值，研究团队实现了14种天然产物和两种药物相关分子的简洁合成，最大限度地提高反应效率和初始反应材料的可用性/简单性。
Reference: DOI：10.1038/s41586-023-06677-2
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实现环烷烃羧酸的跨环C-H键官能团化
环状结构普遍存在于天然产物、药物分子以及农用化学品中，而成环反应一直是有机化学研究的热点之一。普遍采用的环加成反应或分子内环化反应等，其产物前体往往需要多步合成，且环化反应本身也难以控制。C-H活化提供了另一种构建方法，但在近端存在竞争的碳氢键的情况下，实现对远端官能化的选择性仍然是一个主要的挑战。另外，由于亚甲基C-H键活化的挑战性，先前的报道都需要预先安装双齿导向基团，这限制了转化的范围和下游衍生化产物的机会。因此，必须开发一种通用的和原生官能团导向的方法来实现简单的单环底物的跨环功能化。
基于此，美国斯克里普斯研究所余金权团队报告了实现饱和碳环支架最终分子编辑的第一步：通过钯催化利用两类配体——奎宁环-吡啶酮和磺酰胺-吡啶酮，以良好的收率和区域选择性实现了环烷烃羧酸的跨环γ-亚甲基C-H键芳基化反应。该反应不仅条件温和、底物范围广、官能团耐受性好，而且能够一步法合成一系列生物活性分子，极大地简化了合成步骤，有助于推动新药的设计和发现。
Reference:
DOI：10.1038/s41586-023-06000-z
https://www.x-mol.com/paper/1664350198722969600
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电动分子马达再获突破，首次实现溶液中由电能驱动的单向运动
自分子机器获得2016年诺贝尔化学奖后，此类研究始终处于前沿，而如何实现在分子尺度上的可控单向运动仍是一项艰巨的挑战。虽然目前已经有一些单分子电动马达的例子，但都需要苛刻的操作条件来运行，例如需要使用扫描隧道显微镜和在真空下操作。此外，如何在溶液中将电能转化为单向运动尚无好的方案。
2016年因分子机器获诺奖的Fraser Stoddart团队不断精进，在该课题组之前一系列关于氧化还原驱动的人造分子泵的研究基础上，设计合成了首例基于机械互锁结构的电动分子马达，实现了在分子水平上利用电能驱动两个小分子环围绕一个大分子环的单向旋转运动。该电动马达通过泵来控制两个小分子环围绕大分子环进行单向运动，就如两个钥匙在钥匙圈上单向滑动。值得注意的是，当只有一个小环套在大环上时，小环并不能实现绕环的单向运动，说明两个小环之间的静电作用也是该马达实现单向运动的必要条件。事实上，只要持续地输入电能，两个小环就可围绕大环进行连续的单向旋转。该设计代表了一种开发电动分子马达的新的化学方法。
Reference: https://www.nature.com/articles/s41586-022-05421-6
科学撰稿： 羽 佳
编 辑：秣 马
佳 莹
责 编：小 文