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南科大谭斌团队研究成果问鼎Science,攻克有机化学半世纪世界难题
爱因斯坦 2018-09-18
导语

这一基础研究的突破,解决了近60年来合成化学家一直挑战的科学难题,即怎样实现Ugi四组分反应立体化学的有效控制。

北京时间2018年9月14日凌晨,Science上线了来自南方科技大学谭斌课题组及其合作者的科研论文“Asymmetric phosphoric acid-catalyzed four-component Ugi reaction”,报道了一锅法实现四组分的Ugi反应的高对映选择性合成。这一基础研究的突破,解决了近60年来合成化学家一直挑战的科学难题,即怎样实现Ugi四组分反应立体化学的有效控制。该文章以研究长文(Research Article)的形式发表,文章全文正文图8个,附上参考文献长达10页,且又一页总结(Research article summary)。

该项研究的主导者、通讯作者谭斌是南科大培养的第一位杰青获得者。另一位通讯作者是来自加州大学洛杉矶分校的合作者K.N.Houk教授。谭斌课题组的博士生张健与留美博士后余沛源为共同第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金委、南科大校长基金、深圳市科创委以及千人计划青年项目的资助。该成果在南科大完成,南方科技大学为论文第一单位。

化学是科学研究的基础,关系到人们衣食住行的方方面面,对社会的发展有着重要的意义。比如,青蒿素的发现就拯救了一大批疟疾患者的生命。在制药过程中,往往需要应用大量的化学反应来发现和合成药物。

Ugi四组分反应是一项广泛应用于药物发现的反应。这个反应发现于20世纪60年代,在有机化学中具有举足轻重的地位。但是,传统的Ugi反应所得到的分子一般是难以分离的消旋体(含一对对映异构体)。而借助现有的合成手段只合成其中一个异构体又非常困难,并且效率低下。半世纪以来全球的科学家们“苦思冥想”, 一直没有找到只合成一个对映异构体的有效方法。[S1] 

▍攻克催化“小”反应,挑战立体化学“大”问题

药物分子的立体化学很重要,立体化学相反的两种物质(称为对映异构体,如同左手和右手,呈镜面对称但不能重合)具有不同的药理性质,往往其中只有一种是有效的,而另外一种则可能是有害的。传统的Ugi反应所得到的分子一般是难以分离的消旋体(含一对对映异构体),而借助现有的合成手段只合成其中一种异构体非常困难,并且效率低下。

在此之前,谭斌一直致力于有机催化不对称合成的研究,以通讯作者的身份共发表30余篇期刊论文,影响因子大于10的论文20篇,单篇引用最高396次,其中包括1篇Nature Chemistry(自然·化学,影响因子26.201)等。

为了挑战立体化学问题,谭斌带领课题组成员做了很多努力。经过多次反复论证,他们最后的设想是利用手性磷酸(一种手性催化剂)实现对映选择性的Ugi四组分反应。

在有机催化发展的20年间,许许多多涉及亚胺(一种化学物质)的不对称催化反应都是通过手性磷酸解决的。四组分Ugi反应也涉及到亚胺,一个关键的中间体是亚胺,但是一直没有人能够利用手性磷酸(哪怕是其它类型的手性催化剂)成功实现催化不对称的四组分Ugi反应。背后的原因很复杂,包括反应体系组分多,反应复杂,立体控制难,尤其是背景反应强烈。谭斌团队“独辟蹊径”,采取了手性磷酸解决这个科学难题。

手性磷酸是谭斌课题组的一项独门“利器”,课题组之前的很多创新成果都是使用该方法解决的。例如,2015年谭斌课题组实现了磷酸催化的不对称Passerini三组分反应。但是,即便手握“利器”,立体化学问题的解决也并非“一蹴而就”。

简单来说,实验过程中的关键点和难点在于科研人员需要将一项指标,即对映体过量指标提升至90%及以上。然而刚起步的时候,该指标的结果要么是0要么是10%以下,一直无法达到需要的数值。团队成员们日复一日地更新实验设计,不断地实施实验和分析结果,对映体过量也只能从刚开始的0,慢慢提升至80%, 始终没法达到预计的数值。这让谭斌团队成员们非常苦恼,研究也一度陷入僵局。

谭斌表示,当时课题组的成员们都感到束手无策,但是仍然坚持攻关。他们坚持筛选条件,排查原因,把所有可以试的方法都尝试一遍。在最后关头,课题组意外地做出一种新型催化剂,他们决定试一试。结果是可喜的,使用了这一新催化剂后,对映体过量指标一下子做到90%以上。

使用新型催化剂,立体选择性的四组分Ugi反应是实现了,但是他们并没有满足。谭斌认为这个反应的适用范围还有提升的空间,“肯定还有路可走”。于是,整个课题组不怕费工夫,又重头仔细再梳理了一遍实验过程。他们认为进一步扩展这个反应底物的组合,就可以更广普的方式解决问题。课题组的张健博士说:“我们就是要做到更好。”

然而,改变底物的组合意味着需要改变整个实验和研究的方法体系(不同类型的亚胺反应性质差别很大),这对于团队来说是一个不小的挑战。但是,他们还是毅然地选择重新开始,对各种反应的条件进行了摸索。经过将近一年的探索,他们终于获得了满意的结果。他们的方法体系所适用的范围进一步得到了扩展。

在实验完成后,文章进入了第一轮投稿过程。返回的审稿意见是希望作者能够提供充分的机理研究。但机理研究非谭斌团队的专长。

为此,谭斌教授联合理论计算化学的大牛、加州大学洛杉矶分校的K.N.Houk教授在理论计算的层面对这一科学问题进行研究,获得到了详尽的反应机理和创新性的研究结论,也为相关研究提供了新思路。理论计算还表明,手性磷酸对于该项研究的成功至关重要。留美博士后余沛源在机理研究方面做了大量工作。

从2015年开始这项研究,到2018年5月,这项研究终于画上了完满的句号。由于Ugi四组分反应具有高度原子经济性,步骤经济型以及汇聚式的合成等特点,它被广泛地应用于药物发现和杂环骨架、天然产物、大环化合物、聚合物以及其它一些功能分子的合成当中。如今,催化不对称Ugi四组分反应的实现,有望进一步促进化学以及相关学科的发展,例如不对称多组分反应的研究,大位阻手性磷酸在有机合成中的应用,基于亚胺的催化不对称反应的研究,药物发现,手性材料的开发,以及生命科学的研究等。

▍满怀昂扬热情,用“不服输”劲头做科研

谭斌认为:“南科大除了在经费、设备和空间等方面提供强有力的保障外,周围同事的水平优秀,自己的团队好,是自己能步步向前的重要原因。”

2012年,谭斌加入刚刚起步的南方科技大学,校园的科研平台都还没有开始创建。谭斌率先组建团队开始研究。实际上,当时的谭斌团队更确切地说是“谭、刘课题组”,由谭斌与同系的刘心元教授两名年轻的学术带头人和若干名研究员组成。

当时,谭斌和刘心元除了共享资源,研究课题不分你我,就连每周的组会都是一起开的。两位年轻人在科研路上结伴同行,相互激励、促进,并取得一次又一次的成功,成就了一段“情同手足”的佳话。后来,在国内有机化学领域崭露头角的这两位年轻学者,虽然研究方向不同,但仍像刚起步那样,“不忘初心、携手共进”。

现在,谭斌教授慢慢组建起了自己团队。成员们来自“五湖四海”,但是能进入谭教授团队的科研人员,除了自身足够优秀,他们身上都得有一股“不服输”的劲头,都揣着“昂扬”的科研热情。

他们和谭斌一样,是一群有志攀登科研高峰的南科大人。他们和谭斌教授一起做科研,经历了没有实验室就去借用教学实验室,没有核磁共振仪就骑自行车去邻近单位借用的“艰苦”时期。那时的他们没有放弃,坚持“敢想肯干”,为了整个课题组一致的目标不断试错、不断调整,最终确立了不对称轴手性化学主攻方向,为后来的一步一步成功奠定了基础。

在这次的研究过程中,南科大培养的博士研究生张健是“主攻手”。他“攻坚克难”,在解决反应过程中的关键问题中发挥了重要作用。从设计新条件到实施实验,再到整理实验数据,大部分的工作都由他来完成,两个最关键的磷酸也是由张健设计合成的。为了采集高温核磁数据,张健曾通宵达旦伏在核磁实验室的电脑前进行收集。在实验初期,进展不顺利的时候,他也曾有过放弃该课题的念头,不过谭斌每次都会提出宝贵意见,并鼓励他再尝试一下其它方法。

谭斌说:“这些工作都需要花费大量的时间和精力去完成,并且还要耐得住性子。当实验逐渐上轨后,我基本就没有给太多建议,都是让学生们自己思考,并且顺着一直往下走,这也是我培养学生的方式。”

“三年磨一剑”,研究终于取得好的成果,谭斌教授和他的助手们很兴奋。但是他们并没有松懈下来。谭斌表示:“我们不仅善于利用手性磷酸,更擅长发展手性磷酸。”近年,课题组发展了一些合成手性磷酸的新方法,并以合作的方式转让技术给国内的试剂公司。现在,他的团队正在发展新的手性磷酸。

▍背景延伸:

乌吉(Ugi)反应是指:一分子醛或酮、一分子胺、一分子异腈以及一分子羧酸缩合生成α-酰氨基酰胺的多组分反应。

反应由德国化学家Ivar Karl Ugi于1959年首先报道。该一锅法涉及四组分,原子经济型高,步骤少,在合成杂环骨架化合物,天然产物,大环,聚合物等目标分子有着天然优势。

但由于四组分一起反应,难免有多种不同反应物之间的副反应产生,因此,过去多年,四组分Ugi反应手性控制合成依然进展缓慢,这极大地阻碍了其在药物筛选中的应用。

▍研究亮点:

首次实现了催化的对映选择性的四组分Ugi反应。

SPINOL衍生的大位阻手性磷酸实现高化学选择性和高立体选择性。

反应体系普适性高,通过四种反应原料变换组合,高效地合成了多达86种手性α-酰氨基酰胺化合物。

DFT理论计算和控制实验提供了详细的催化反应机理,包括反应途径,决速步,活化模型,和立体控制因素等。

文章链接:

Jian Zhang, et al, "Asymmetric phosphoric acid–catalyzed four-component Ugi reaction," Science 14 Sep 2018: Vol. 361, Issue 6407, eaas8707, DOI: 10.1126/science.aas8707

(本文来源:南方科技大学新闻网;)

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文章评论(1)
爬上海岸的鱼[SYNNEX China]

以合作的方式转让技术给国内的试剂公司。现在,他的团队正在发展新的手性磷酸。这才是产学研,这才是科学家要做的事情

32天前 | 回复
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作者 爱因斯坦

科研工作者

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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