北京大学药学院焦宁教授是我国碳-碳键活化与分子骨架重塑领域的核心研究者。目前,焦宁教授担任Chemical Science副主编,曾先后获得国家杰出青年科学基金(2013年)、英国皇家化学会会士(FRSC,2015年)、科学探索奖(2021年)、新基石研究员(2023年)、吴阶平-保罗·杨森奖(2025年)等重要荣誉与资助。焦宁课题组长期聚焦碳-碳键断裂驱动的分子骨架重塑研究,自2020年在Science发表碳-碳单键氮化研究、2021年在Nature发表苯环开环研究以来,逐步实现对碳碳双键和三键化学的全面突破,构建了覆盖单键、双键、芳环及三键的完整碳-碳键活化体系。2025-2026年间,该课题组以通讯作者身份在Nature、Science、Nature Catalysis、Nature Synthesis、Nature Chemistry、JACS及Angew等国际顶尖学术期刊发表多项重要研究成果,具体如下。一、Nature 2026:烯烃直接转化为炔烃——突破160年技术壁垒
2026年3月,焦宁课题组在Nature期刊发表题为“Direct conversion from alkenes to alkynes”的研究论文。该研究解决了有机化学领域一个存在160年的基础性难题,即如何在温和条件下实现烯烃向炔烃的直接转化。
自1861年Markovnikov提出烯烃加成规则以来,烯烃到炔烃的直接转化因热力学能垒较高(约40 kcal/mol),一直难以实现。焦宁团队采用一种1896年首次报道、长期未被广泛应用的试剂——硒蒽(selenanthrene)作为关键氧化消除载体,建立了温和条件下的转化方法。该方法在35°C、Cs₂CO₃碱性条件下即可高效实现烯烃向炔烃的直接转化,其中E-构型烯烃的收率可达82%,Z-构型烯烃衍生物收率为63%。该反应具有良好的官能团兼容性,卤素、甲苯磺酸酯、Fmoc保护基、环氧、醛基、羧基、氨基、叠氮基等敏感官能团均能在反应中稳定存在。同时,硒蒽试剂可回收循环使用,提升了该方法的实际应用价值。该研究第一作者为课题组2022级直博生蒙骏鸿(Nature 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-10372-3)。二、Science 2025:碳碳双键解构制备氧腈
2025年3月,焦宁教授与北京大学夏长久研究员合作,在Science期刊发表题为“Catalytic remodeling of complex alkenes to oxonitriles through C=C double bond deconstruction”的研究成果。该研究开发了CuO/h-TS-1非均相催化体系(CuO负载量5.26 wt%,Si/Ti比例为30:1),在60°C、1个大气压氧气条件下,仅需1.4 mol%的催化剂用量,即可将碳碳双键一步拆解为羰基(C=O)和氰基(C≡N),实现氧腈产物的高效合成。其中,环状烯烃底物的收率为60%-76%,催化剂可循环使用7次以上且催化活性无明显下降。
该方法的核心优势的是对复杂天然产物和药物分子的适用性,例如可将醋酸甲地孕酮的C7位双键精准重塑为C-to-N交换产物,(+)-3-蒈烯和D-半乳糖烯醇也可顺利转化为相应的脱氧产物。机理研究结合密度泛函理论(DFT)计算,揭示了该反应通过叠氮自由基引发与O-O均裂协同作用的反应路径。该研究第一作者为程增瑞、黄开盟、王琛和陈莉莉(Science 2025, 387, 1083-1090, DOI: 10.1126/science.adq8918)。
图片来源:网易三、Nature Catalysis 2025:羧酸到腈的仿生转化
2025年11月,焦宁教授与匹兹堡大学Peng Liu教授合作,在Nature Catalysis期刊发表题为“Late-stage conversion of carboxylic acids to nitriles with Mg and Pd cocatalysis”的研究论文。该研究借鉴自然界中腈合酶(nitrile synthase)和脲酶(urease)的作用机制,以Mg²⁺活化尿素作为氮源,Pd催化脱水步骤,实现了羧酸向腈基的高效转化。该反应的推动力来自“熵增-焓降”双重作用:CO₂的释放提供熵驱动力,乙腈作为水的受体提供焓驱动力。
该方法对酸敏感、碱敏感、氧化剂敏感及亲电敏感的官能团均具有良好的兼容性,可实现十克级规模的合成,且支持¹⁵N标记腈的制备,可用于代谢示踪研究。目前,课题组已就该方法申请中国专利(专利号:CN2025113760665)。该研究第一作者为蒙骏鸿和Mithun C. Madhusudhanan(Nat. Catal. 2025, 8, 1295-1305, DOI: 10.1038/s41929-025-01446-y)。
四、Nature Synthesis 2025:吡啶C-3位区域选择性卤化
2025年11月,焦宁教授与Song Song合作,在Nature Synthesis期刊发表题为“Direct regioselective C-3 halogenation of pyridines”的研究成果。吡啶间位(C-3位)的选择性卤化是有机化学领域长期未解决的难题,由于吡啶环具有缺电子特性,经典亲电取代反应仅能发生在C-2位和C-4位。该研究通过利用醚类溶剂的溶剂化效应,引导自由基物种选择性进攻吡啶C-3位,成功实现了氟、氯、溴、碘四种卤素在吡啶C-3位的选择性引入。
该方法已成功应用于8种药物分子的后期修饰,包括尼可刹米、溴吡斯的明前体、依托贝特、尼可地尔、美替拉酮、喹氧灵、维莫德吉和尼麦角林,验证了其在药物化学领域的实际应用价值。DFT计算进一步证实了溶剂化效应驱动的区域选择性反应机制。该研究第一作者为李超、李欣遥和李家星(Nat. Synth. 2025, DOI: 10.1038/s44160-025-00915-3)。
图片来源:Nature Synthesis五、Nature Chemistry 2025:双齿N-配体辅助的金氧化还原催化
2025年5月,焦宁教授与海德堡大学A. Stephen K. Hashmi教授合作,在Nature Chemistry期刊发表题为“Bidentate N-ligand-assisted gold redox catalysis with hydrogen peroxide”的研究论文。金催化中Au(I)/Au(III)氧化还原循环的实现,长期受限于金的高标准电极电位(E° = 1.41 V)。该研究利用双齿N-配体(邻菲啰啉Phen或联吡啶Bpy)稳定Au(III)中间体,以过氧化氢作为绿色氧化剂,成功构建了涵盖三种偶联模式的金氧化还原催化体系,包括C(sp)-C(sp)交叉偶联、炔基化环化,以及此前未报道的C(sp²)-C(sp²)双环化偶联。
电喷雾电离质谱(ESI-MS)明确证实了烷基/乙烯基-Au(III)-OH关键中间体的存在,该反应可实现克级规模合成。该研究第一作者为施洪伟(Nat. Chem. 2025, 17, 822-834, DOI: 10.1038/s41557-025-01835-7)。
图片来源:Nature Chemistry六、JACS 2025:烷基芳烃到氨基酸衍生物的单碳双官能团化
2025年10月,焦宁教授与Qi Sun合作,在JACS期刊发表题为“From Alkylarenes to α-Amino Acid Derivatives via C-Difunctionalization”的研究论文。该研究通过单碳双官能团化策略,将烷基芳烃或苄醇一步转化为氨基腈,进而制备得到氨基酸衍生物。该反应经历C-H活化、熵驱动骨架重构、aza-Hock重排、亚胺稳定化及氰基亲核进攻选择性控制等多步级联过程,体现了课题组在“熵增重构”策略上的持续研究积累。该方法可直接应用于药物分子的结构改造,能够加速苗头化合物到先导化合物的优化进程。该研究第一作者为课题组2021级直博生王曦(JACS 2025, 147, 40078-40086, DOI: 10.1021/jacs.5c14247)。七、其他重要工作
焦宁课题组在Angew. Chem.期刊发表苯甲酸脱羧芳环开环反应的研究成果(Angew 2026, 65, e202520084)。该研究借鉴生物体中β-酮己二酸的代谢途径,采用PDPP(4-哌啶基吡啶)/Cu协同催化体系,结合定制的酰基叠氮试剂,一步实现脱羧、芳环开环和不饱和链构建三重转化,其中萘甲酸底物的收率高达86%。该研究第一作者为课题组2021级博士生朱铭辉。此外,课题组在Acc. Chem. Res.期刊(2025, 58, 1003-1022)发表题为“Molecular Ring Remodeling through C-C Bond Cleavage”的综述论文,系统总结了团队十余年来在碳-碳键断裂驱动的环扩张、环缩小及开环反应中的研究成果。小结
综合焦宁课题组2025-2026年的研究成果,可清晰梳理其学术研究脉络:从2020年Science报道的碳-碳单键氮化,到2021年Nature报道的苯环开环,再到2025年Science报道的碳碳双键解构,以及2026年Nature报道的烯烃到炔烃直接转化,该课题组已构建起覆盖碳碳单键、双键、芳环和三键的完整碳-碳键活化体系。研究过程中,仿生策略(如受腈合酶启发的羧酸转腈反应、受β-酮己二酸代谢途径启发的芳环开环反应)与熵增驱动的骨架重构策略贯穿始终,使相关方法在天然产物和药物分子后期修饰中具备独特优势。这些研究成果不仅拓展了有机化学的基础研究边界,也为新药发现提供了有效的技术工具。目前,焦宁团队已有两个1.1类创新药物进入临床试验阶段,分别针对光动力治疗和血脂异常,实现了基础研究向临床应用的转化。
参考文献:
1. Meng, J.-H.; Jiao, N. Direct conversion from alkenes to alkynes. Nature 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10372-3
2. Cheng, Z.-R.; Huang, K.-M.; Wang, C.; Chen, L.-L.; Xia, C.-J.; Jiao, N. Catalytic remodeling of complex alkenes to oxonitriles through C=C double bond deconstruction. Science 2025, 387, 1083-1090. DOI: 10.1126/science.adq8918
3. Meng, J.-H.; Madhusudhanan, M. C.; Liu, P.; Jiao, N. Late-stage conversion of carboxylic acids to nitriles with Mg and Pd cocatalysis. Nat. Catal. 2025, 8, 1295-1305. DOI: 10.1038/s41929-025-01446-y
4. Li, C.; Li, X.-Y.; Li, J.-X.; Song, S.; Jiao, N. Direct regioselective C-3 halogenation of pyridines. Nat. Synth. 2025. DOI: 10.1038/s44160-025-00915-3
5. Shi, H.-W.; Hashmi, A. S. K.; Jiao, N. Bidentate N-ligand-assisted gold redox catalysis with hydrogen peroxide. Nat. Chem. 2025, 17, 822-834. DOI: 10.1038/s41557-025-01835-7
6. Wang, X.; Sun, Q.; Jiao, N. From Alkylarenes to alpha-Amino Acid Derivatives via C-Difunctionalization. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 40078-40086. DOI: 10.1021/jacs.5c14247
7. Zhu, M.-H.; Jiao, N. Decarboxylative Arene Ring-Opening of Benzoic Acids. Angew. Chem. Int. Ed. 2026, 65, e202520084. DOI: 10.1002/anie.202520084
8. Cheng, Z.-R.; Hu, Z.-B.; Jiao, N. Molecular Ring Remodeling through C-C Bond Cleavage. Acc. Chem. Res. 2025, 58, 1003-1022. DOI: 10.1021/acs.accounts.4c00846
来源:WeeChem微观化