中新社天津8月2日電 (張道正吳軍輝)記者2日從南開大學獲悉，困擾有機化學界多年的一個氮雜環化學合成難題，被南開大學的科研團隊攻克。該校元素有機化學國家重點實驗室陳弓、何剛團隊首次實現了對具有高「環張力」的苯並氮雜環丁烷類化合物的高效合成，填補了含氮雜環分子研究的一項重要空白。
雜環化合物是由碳原子和非碳原子共同組成環狀骨架結構的一類化合物。非碳原子統稱為雜原子，常見的雜原子有氮、氧、硫等。含氮雜環化合物種類繁多，在自然界中分布極廣。例如，葉綠素、血紅素、中草藥中有效成分生物鹼等諸多天然含氮雜環化合物在動、植物體內發揮著重要的生理作用。
含有氮原子的環碳骨架是許多醫藥、農藥和功能材料分子的核心組成結構。體積更小的小環含氮骨架因其具有獨特化學反應活性，一直是有機化學研究的熱點課題。同時，它們對小分子藥物的研發意義重大。然而，其極高的「環張力」讓化學家們頭疼不已，化學合成困難重重。
「所謂環張力，就是當環狀分子內的鍵結形成不正常角度時產生的不穩定性。這有點像拉弓，弓越偏離其最舒適的弧度，其張力就越大，甚至會折斷。」陳弓教授說。
苯並氮雜環丁烷就是這類小環含氮骨架的「典型」，它是一類獨特的四元氮雜環化合物。相較其他四元氮雜環骨架，它特有的苯並結構更進一步增加了環張力，這給化學合成帶來了巨大挑戰，也阻礙了科學家對其化學活性和結構功能的進一步研究。
「此前文獻中有少量關於苯並氮雜環丁烷化學合成的報導，但是需要使用高溫、高真空或強鹼性等劇烈的反應條件，且反應產率低下，適用範圍窄，不具有實用性。」陳弓介紹，他們的團隊希望試驗出一種低成本、簡易、高效的化學合成方法。
近幾年，該研究團隊在基於鈀金屬催化碳氫鍵活化的化學反應研究上取得了一系列成果。在此基礎上，他們成功開發了一條基於分子內碳氫鍵氨基化策略，實現苯並氮雜環丁烷的簡潔高效合成。該方法採用廉價易得的苄胺化合物作為起始原料，在金屬鈀催化下一步生成多種苯並氮雜環丁烷化合物。
這項研究的一個關鍵是一種新型三價碘氧化劑PhI(DMM)的發明。該試劑可以抑制原本更加容易發生的競爭副反應，從而促使反應沿著熱力學上更加困難的設定路徑進行，高效生成了常規條件下難以獲得的帶有高環張力的四元氮雜環產物。
「我們的這項工作成功解決了氮雜環化學合成化學一個遺留多年的難題。這一苯並氮雜環丁烷合成方法的發現，不僅為其在有機合成中的應用奠定了基礎；而且也為其他具有高環張力雜環化合物的合成提供了一個新的研究思路。」目前，陳弓團隊正積極探索苯並氮雜環丁烷化合物自身的化學反應活性及其在生物功能分子合成中的運用。
據了解，8月1日出版的國際頂級化學學術刊物《自然-化學》(NatureChemistry)發表了介紹該成果的論文。美國匹茲堡大學劉鵬教授為該研究提供理論計算支持。劉鵬教授也是論文的共同通訊作者之一。(完)