化学家开发了插入单个碳原子的新方法

诸平

Fig. 1 The experimental setup - the research team used visible light for photocatalysis. © Uni MS - Fu-Peng Wu

Fig. 2 The team expanded molecular rings with a carbon atom (chemical equation). © Uni MS - Frank Glorius

据德国明斯特大学(University of Münster)2024年1月9日提供的消息，德美化学家开发了插入单个碳原子的新方法(Chemists develop new approach to inserting single carbon atoms)，用于扩大分子环的骨架编辑。

具有中心环系统的分子在寻找新药品的活性成分方面发挥着重要作用——如果要尽可能高效地制造所需的产品，环应该具有正确的大小是很重要的。为此，由明斯特大学的弗兰克·格洛里斯（Frank Glorius）教授和美国德州农工大学(University of Texas A&M University, USA)  奥斯瓦尔多·古铁雷斯（Osvaldo Gutierrez）教授领导的国际化学家团队开发了一种使用“单原子骨架编辑”（"single atom skeletal editing"）的精确高效工具。他们的新方法是在环状化合物的碳骨架中插入一个碳原子，使环的大小可以从五元环调整到六元环。相关研究结果于2024年1月9日已经在《自然催化》（Nature Catalysis）杂志网站发表——Fu-Peng Wu, Chetan C. Chintawar, Remy Lalisse, Poulami Mukherjee, Subhabrata Dutta, Jasper Tyler, Constantin G. Daniliuc, Osvaldo Gutierrez, Frank Glorius. Ring expansion of indene by photoredox-enabled functionalized carbon-atom insertion. Nature Catalysis (2024). DOI: 10.1038/s41929-023-01089-x. Published: 09 January 2024. https://www.nature.com/articles/s41929-023-01089-x

研究人员说，这项研究的结果为设计和修改复杂的分子结构开辟了道路。不仅是研究，而且在药物合成和材料科学方面的工业应用都可以从这些结果中受益。

骨架编辑是化学家用来替换环系统内原子的一种方法。明斯特大学的吴福鹏博士（Dr. Fu-Peng Wu音译）说：“在早期的方法中，重点是氮原子的插入。相比之下，在全碳环中插入一个碳原子是一个巨大的挑战。碳试剂需要与决定分子化学性质的各种官能团相容。此外，该化合物应稳定，易于操作，易于简单的活化。”近几十年来，只开发出了少数这样的试剂。研究小组用一个碳原子扩展了分子环的化学方程式见图2（Fig. 2）。

由弗兰克·格洛里斯领导的研究小组采用了所谓的光氧化还原催化，利用光能驱动反应。研究人员使用特殊的活性碳片段(reactive carbon fragments)-自由基碳炔(radical carbynes),将具有不同官能团的单个碳原子插入到茚(indene)中。茚是一种经常用于生产有机化合物的原料，其产物萘(naphthalene)也是如此。

奥斯瓦尔多·古铁雷斯和他的团队进行了机制计算，以检测自由基链(radical chain)中潜在的反应机制。正如博士后雷米·拉利斯博士(Dr. Remy Lalisse)所说：“我们的计算似乎表明，该反应是通过向茚中初始加入重氮甲基自由基（diazomethyl radical）而发生的。”

德国明斯特大学的研究人员得到了德国研究基金会莱布尼茨奖（Deutsche Forschungsgemeinschaft / German Research Foundation: Leibniz Prize）和亚历山大·冯·洪堡基金会(Alexander von Humboldt Foundation)的支持。密度泛函理论(density functional theory简称DFT)的计算工作得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health R35GM137797）、卡米尔和亨利·德雷福斯基金会（Camille and Henry Dreyfus Foundation）以及韦尔奇基金会（Welch Foundation A-2102-20220331）的支持。 

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Abstract

Skeletal editing has received unprecedented attention as an emerging technology for the late-stage manipulation of molecular scaffolds. The direct achievement of functionalized carbon-atom insertion in aromatic rings is challenging. Despite ring-expanding carbon-atom insertion reactions, such as the Ciamician–Dennstedt re-arrangement, being performed for more than 140 years, only a few relevant examples of such transformations have been reported, with these limited to the installation of halogen, ester and phenyl groups. Here we describe a photoredox-enabled functionalized carbon-atom insertion reaction into indene. We disclose the utilization of a radical carbyne precursor that facilitates the insertion of carbon atoms bearing a variety of functional groups, including trifluoromethyl, ester, phosphate ester, sulfonate ester, sulfone, nitrile, amide, aryl ketone and aliphatic ketone fragments to access a library of 2-substituted naphthalenes. The application of this methodology to the skeletal editing of molecules of pharmaceutical relevance highlights its utility.