雷爱文，武汉大学化学与分子科学学院教授，博士生导师；国务院政府特殊津贴专家(2020)，第四届Yoshida Prize(吉田奖，2019)，国家“万人计划”科技创新领军人才(2017)，国家中青年科技创新领军人才(2015)，英国皇家化学学会会士(2015)，长江学者特聘教授(2014)，国家杰出青年科学基金(2010)，教育部高等学校科学研究优秀成果(科学技术)一等奖(2017，第一完成人)，湖北省自然科学一等奖(2012，第一完成人)。担任(曾任)中国化学会催化委员会均相催化专业委员会副主任委员、中国化学会有机化学学科委员会委员，中国化学会物理有机化学专业委员会委员，Chemical Reviews、Chem、ACS Catalysis顾问编委、Chemistry-An Asian Journal、Chinese Chemical Letters编委，ChemSusChem国际顾问编委。
4个月（2024年7月11号开始），雷爱文教授团队连发2篇Science，1篇Nature，1篇Nature Chemistry。今日就让小编带大家一起拜读一下雷爱文教授课题组的这些研究成果。
Part 1. 今日最新《Science》
不对称脲通常存在于药物和生物活性化合物中。然而，在构建不对称脲类化合物时，如何选择性地引入两种不同的胺仍然是一项挑战。在这项研究中，武汉大学雷爱文教授、中国科学院兰州化学物理研究所何林教授采用了一种同步识别策略，利用自由基和亲核活化来区分仲胺和伯胺。具体来说，铜催化剂优先将仲胺氧化成自由基，而钴催化剂则将伯胺羰基化，生成钴酰胺。通过合作催化将这些片段耦合在一起，可产生具有高选择性的不对称脲，41种生物活性化合物和6种药物的改性就是证明。相关研究成果以题为“Synchronous recognition of amines in oxidative carbonylation toward unsymmetrical ureas”发表在最新一期《Science》上。
【不对称尿素的合成策略】
作者首先重点介绍不对称脲、药物和生物活性分子中常见的化合物的合成（图1）。传统的合成方法在选择性方面存在问题，因为区分反应中的伯胺和仲胺通常会产生对称的脲。作者介绍了一种新的“同步识别策略”，利用伯胺和仲胺的氧化还原和亲核特性来实现选择性合成。该方法采用双催化系统：铜(Cu)选择性地将仲胺氧化为自由基中间体，而钴(Co)则促进伯胺的羰基化，形成钴酰胺中间体。这些中间体随后偶联产生高精度的不对称脲。
图 1. 合成不对称尿素的策略
【反应发展】
为了验证这种同步识别，机理研究调查了铜和钴在选择性胺氧化和羰基化中的作用。采用电子顺磁共振（EPR）光谱和循环伏安法，表明Cu有效地将仲胺氧化成自由基阳离子，而不影响伯胺。同时，Co，特别是其salen-Co-Br形式，优先羰基化伯胺，高效生成Co-酰胺络合物。图2A证明Cu通过快速形成Cu(I)和EPR检测到的自由基阳离子来选择性氧化仲胺。作者强调了钴催化剂与伯胺的选择性亲核反应，形成钴酰胺（图2B）。作者还展示了这些识别策略协同工作的条件，如优化条件下更高的产量和选择性所证明的那样（图2C）。图2D概述了催化循环，包括铜催化的自由基活化、钴催化的亲核活化、中间偶联和催化剂再生。优化的反应条件如图2E所示，并详细说明产量和对照实验。
图 2. 同步识别机制研究
【底物范围探索】
双催化系统在各种胺中进行了测试，以衡量其功能范围（图3）。对多种伯胺和仲胺（包括烷基胺、乙烯基胺、醚胺、腈胺、杂原子胺和酯官能化胺）进行了测试，产生了具有显着区域选择性的不对称脲。有趣的是，该方法还允许立体化学保留，确认某些底物的手性没有损失，并证明与硝基、溴和碘基团等其他官能团的相容性。该反应还能够通过分子内羰基化形成环状产物，从而扩展了该方法的多功能性。
图 3.底物的范围
【在药物和天然产物中的应用】
这种合成方法为药物和天然产物的合成带来了希望，为复杂的不对称脲提供了一条简化的路线，无需多重保护和脱保护步骤。作者应用该方法修饰药物片段和天然产物，成功创建了各种化合物的不对称尿素衍生物。值得注意的是，他们以克级的高产率和立体保留合成了FDA批准的药物和药物前体，例如卡利拉嗪，证明了该方法的可扩展性和可靠性。图4显示了在制药中的应用：一系列基于已知药物片段和天然产物的合成尿素，包括各种产量和反应途径的详细信息（途径1和2）。该方法在生产药物相关化合物方面的效率得到了突出，复杂的不对称脲直接从起始材料中产生。图5通过详细说明进一步强调了应用：特定药物或其前体的合成路线，将所提出的一步法与传统方法进行比较。这种简化的方法可以减少浪费并避免传统上用于尿素合成的危险试剂，强调了该方法对绿色化学的潜在影响。
图 4. 生物活性分子的范围和复杂尿素的合成
图 5. 药物或药物前体的合成
【总结】
本文在不对称脲合成方面取得了重大进展，通过一种新型铜-钴双金属催化方法实现了选择性胺偶联。通过利用仲胺和伯胺的同步识别，该方法克服了以往方法经常导致对称产物的局限性。这种方法在药物合成中的成功应用凸显了它的实用性和高效性，有望简化生物活性化合物和药物的生产过程。这项研究表明，它对催化化学，尤其是药物开发中的环境可持续合成路线具有更广泛的影响。
Part 2. 《Nature Chemistry》：自由基引发的 C-C 双键和官能团易位
武汉大学雷爱文教授、易红研究员和戚孝天教授共同报告了一种用于烯烃双官能化的替代模块化方法，包括自由基触发的官能团易位和通过光/钴双催化的远程 C(sp3)-H 去饱和。通过系统地结合自由基加成、官能团迁移和钴促进的氢原子转移，作者成功地实现了碳碳双键和另一个官能团的易位，具有精确的位点选择性和显着的E/Z选择性。这种氧化还原中性方法与多种氟烷基和磺酰基自由基前体表现出良好的相容性，能够实现苯甲酰氧基、乙酰氧基、甲酰基、氰基和杂芳基的迁移。该协议提供了同时转换多个位点的解决方案。相关成果以“Radical-triggered translocation of C–C double bond and functional group”为题发表在《Nature Chemistry》。第一作者为Shengchun Wang, Xu Luo和Yuan Wang为共同一作。
Part 3. 《Nature》：电催化芳烃和杂芳烃还原氘代
雷爱文教授和李武教授从原创电极材料出发，通过电合成新技术成功解决了这一难题。本文报道了一种用于烯烃双官能化的替代模块化方法，包括自由基触发的官能团易位和通过光/钴双催化的远程 C(sp3)-H 去饱和。通过系统地结合自由基加成、官能团迁移和钴促进的氢原子转移，作者成功地实现了碳碳双键和另一个官能团的易位，具有精确的位点选择性和显着的E/Z选择性。这种氧化还原中性方法与多种氟烷基和磺酰基自由基前体表现出良好的相容性，能够实现苯甲酰氧基、乙酰氧基、甲酰基、氰基和杂芳基的迁移。该协议提供了同时转换多个位点的解决方案。相关成果以“Electrocatalytic reductive deuteration of arenes and heteroarenes”为题发表在《Nature》上，第一作者为步发祥、邓宇琪为论文的共同第一作者。
Part 4. 交流电合成重大突破！
武汉大学雷爱文教授课题组介绍了一种可系统调整电流、频率和占空比的编程交流（pAC）电合成协议。代表性pAC波形的应用有助于交叉耦合和双官能化反应中铜催化的碳氢键裂解，这些反应在直流和化学氧化条件下表现不佳。此外，通过观察不同波形应用下催化剂的动态变化，可以深入了解其机理。相关研究成果以题为“Programmed alternating current optimization of Cu-catalyzed C-H bond transformations”发表在《Science》上。曾力、杨庆红和王建兴为论文的共同第一作者。
来源：高分子科学前沿
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