有机化学从诞生那一刻起,就渗透到人类生存的每个角落。从淀粉代谢到蛋白质的衍变,从高性能耐腐蚀聚合物材料 PTFE(聚四氟乙烯)的创制到生命起源的化学模拟,这门 “碳化学” 持续呈现出分子创造的魔力。
有机合成研究离不开 “物质本源三问”,即物质是什么(What)?物质怎样变化(How)?物质去往何处(Where)?破解这些谜题的过程正是我们对化学反应机理深刻认知的过程。
通过解析化学键断裂与重组的动态过程,人们实现了对分子变化过程的解码,精准的回答了“物质本源三问”。在药物合成应用领域,反应机理的研究早已超越传统认知,它不仅推动了药物研发与生产的深刻变革,而且在药物分子绿色工艺开发、AI 智能合成中起到了关键作用。
Jiuzhou News
反应机理驱动的合成路径设计
1. 成环反应的机理突破
成环反应机理的突破能够有效提升药物合成的效率与选择性,助力创新药的研发。研究人员以铑催化的烯-乙烯基环丙烷与一氧化碳进行 [5+2+1] 反应,通过动力学分析和计算化学基准研究,揭示了其完整的催化循环机理【1】。
北京大学余志祥课题组利用 [5+2+1] 反应,仅 6 步就完成了天然产物 isohirsut-4-ene的全合成,充分展示了该反应在复杂药物分子合成中的高效性。【2】
2. 自由基反应机理的拓展
南开大学陈弓教授团队开发了高价碘叠氮试剂(BIN₃)介导的自由基氢转移策略,首次实现非活化三级碳中心的差向异构化。该技术通过叠氮自由基的氢原子穿梭机制(HAT 速率常数 k=1.2×10⁶ M⁻¹s⁻¹,通过激光闪光光解测定),在甾体化合物构型改造中展现出高效性,转化率 > 95%,选择性 > 99%,相关成果发表于《Journal of the American Chemical Society》(2018, 140, 9678)【3】。
绿色工艺的机理创新
1. 酶催化的理性设计
酶催化理性设计是在对酶结构与功能的深入理解的基础上,借助计算机模拟、定点突变等手段,对酶进行有针对性的改造。在西他列汀酶催化合成中,默克(Merck)与Codexis公司研究者合作开发了转氨酶ATA-117,直接催化西他列汀前体酮成为手性胺中间体。研究者通过酶工程改造,引入关键突变,扩大底物结合腔并增强疏水相互作用,催化活性提升至137 U/L【4】。与传统化学法相比,生物催化路线总收率提高13%,废物减少19%,避免重金属催化剂的使用,获得2010年“美国总统绿色化学挑战奖”。
2. 光氧化还原催化的应用
武汉大学董秀琴和王春江教授报道了光促进苯并环丁胺与α-取代烯酮的开环[4+2]环加成反应。该反应借助单电子转移,在光催化体系中实现了苯并环丁胺的单电子氧化开环,随后与烯烃发生[4+2]环加成反应,为苯并环己胺的合成提供了新途径【5】。
▲光促单电子转移[4+2]环加成反应机理
3. 电化学合成机理的应用
中国科学技术大学郭昌教授团队在《Nature Synthesis》中提出了一种镍催化的阳极氧化策略,通过电化学生成α-酮基自由基和氨基自由基的偶联,实现了α-氨基羰基化合物的高对映选择性合成,解决了自由基反应立体控制难题。该方法方法成功应用于(+)-γ-分泌酶抑制剂、(+)-flamprop-甲基和(+)-flamprop-异丙基的立体选择性全合成,凸显了电化学在药物分子立体选择性合成中的潜力【6】。
去消旋化是一种构建手性中心的有效手段,它能将一对外消旋体选择性地转化为单一对映体。南方科技大学王健纯团队利用了新颖的化学修饰电极策略,克服了不同催化剂氧化还原电势兼容性问题,实现了仲醇的电化学去消旋化反应。
▲电化学循环去消旋化反应(ECD)
阳极通过手性催化剂M1+ 选择性将其中一种构型的底物氧化成酮,而M1-H则被重新氧化成M1+。而在阴极又将酮重新还原为外消旋的一对醇。此方法可将消旋混合物转化为单一构型产物,原子利用率理论值达100%【7】。
AI 智能时代的机理研究新模式
传统有机反应机理研究依赖 “假设-实验-验证” 的线性路径,而 AI 技术催生了 “数据驱动-自主探索-人机协同” 的智能化新模式,推动有机化学从经验科学向计算驱动的精准科学跃迁。
1. 从经验到算法的跨越
传统机理研究受限于人工经验的积累与试错成本,而AI通过海量反应数据的深度学习突破了这一瓶颈。例如,哈佛大学Aspuru-Guzik团队开发的ChemOS平台,通过百万级有机反应数据训练,实现了逆合成路径的自动化设计,其top-1预测精度在公开测试集上达42%,相关成果发表于《Nature》【8】。这类技术通过编码化学反应规则为可计算的逻辑网络,系统性揭示了隐藏在海量数据中的反应机理规律。
2. 从人力操作到机器闭环
卡内基梅隆大学的Coscientist系统代表了AI与实验设备深度融合的前沿成果。该系统结合大型语言模型与自动化装置,在铃木偶联反应优化中,通过实时质谱数据反馈,自主发现新型配体组合,展现了语言模型与实验平台的协同潜力,相关研究发表于《Science》【9】。其“感知-决策-执行”的闭环能力,推动实验科学从“试错驱动”转向“模型驱动”。
3. 从辅助工具到智能伙伴
AI通过混合增强智能模式(即AI负责数据处理与初步预测、化学家进行机理合理性验证的协作机制)显著提升研究效率。例如,中国科学技术大学罗毅团队开发的自主机器人平台,集成文献挖掘、量子化学计算与高通量实验功能,在光催化剂开发中对5万种材料配比进行智能筛选,将传统需要1年的研发周期缩短至3个月,相关成果发表于《Science Robotics》【10】。
化学机理研究与应用的未来展望
机器学习驱动化学反应条件预测,如同人类大脑般进行逻辑思考,极大地提升了药物合成的开发效率。有机反应机理研究正从 “解释工具” 转变为 “创造工具”,通过精准控制分子转化路径,推动药物合成进入 “可编程化学” 的 AI 智能时代。未来,随着催化技术、计算化学与生物技术的融合,复杂分子合成将更加高效、绿色、智能,为精准医疗与创新药物开发提供不竭动力。
正如 E.J.Corey 所言:“理解反应机理的最高境界,是让分子按照预定剧本自主演绎”【11】。
参考资料
[1] Yi Wang, et al. Mechanism and Stereochemistry of Rhodium-Catalyzed [5+2 +1] Cycloaddition of Ene–Vinylcyclopropanes and Carbon Monoxide Revealed by Visual Kinetic Analysis and Quantum Chemical Calculations [J]. J. Am. Chem. Soc., 2022, 144 (6): 2624 - 2636. DOI: doi.org/10.1021/jacs.1c11030
[2] Yu Z X, et al. Six-Step Total Synthesis of Isohirsut-4-ene through [5+2+1] Cycloaddition and Transannular Epoxide–Alkene CyclizationC [J]. Org. Lett., 2022, 24 (7): 1444 - 1447. DOI: doi.org/10.1021/acs.orglett.1c04383
[3] Chen G, et al. Azide-Mediated Remote Hydroxylation of Unactivated C(sp³)-H Bonds via Radical Hydrogen Atom Shuttling[J]. J. Am. Chem. Soc., 2018, 140(30): 9678-9682. DOI:10.1021/jacs.8b04674
[4] Christopher K. Savile et al. Biocatalytic Asymmetric Synthesis of Chiral Amines from Ketones Applied to Sitagliptin Manufacture. Science, 2010, 329, 305-309. DOI: 10.1126/science.1188934.
[5] Chun-Jiang Wang, et al. Visible-Light-Enabled Stereoselective Synthesis of Functionalized Cyclohexylamine Derivatives via [4+2] Cycloadditions[J]. Chemical Science, 2024, DOI: 10.1039/D4SC00667D
[6] Kang Liang et al. Enantioselective nickel-catalysed electrochemical cross-dehydrogenative amination [J]. Nature Synthesis, 2023, volume 2, 1184–1193.
[7] Zhu, CJ., Yang, X., et al. Electrocatalytic cyclic deracemization enabled by a chemically modified electrode. Nature Catalysis (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01189-2
[8] Aspuru-Guzik, A. et al. Automated Exploration of Chemical Reaction Networks. Nature 583, 237–241 (2020). DOI:10.1038/s41586-020-2142-y
[9] Jackson, B. et al. Coscientist: Autonomous Scientific Discovery. Science 382, 1 (2023). DOI:10.1126/science.add6359
[10] Jiang, J. et al. An Autonomous Robotic Platform for Accelerated Materials Discovery. Sci. Robot. 7, eabn6338 (2022). DOI:10.1126/scirobotics.abn6338
[11] Corey E J. The Logic of Chemical Synthesis[M]. Wiley: New York, 1990: 1-5
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