超越二维材料和钙钛矿，全年36篇N&S的研究方向你不来关注下？

在过去的2020年，有机化学领域一共发表了36篇N&S，成为本年度最能发NS的研究方向。我们在之前的文章中汇总了2020上半年有机化学领域的研究，一共16篇文章。这篇文章为大家汇总了2020下半年有机化学领域的N&S文章，我们一起来看看这个研究领域独特的顶刊魅力。

1.美国普林斯顿大学的David W. C. MacMillan:金属光氧化还原芳基和烷基放射性甲基化用于PET配体的发现

正电子发射断层扫描（PET）放射性配体（放射性标记的示踪剂化合物）对于中枢神经系统药物，神经退行性疾病和许多肿瘤学目标的体内表征极为有用。氚和C-11放射性同位素体通常对于放射性配体的体外和体内表征都是必需的，但是几乎没有放射性标记方案可用于合成两者，从而抑制了PET放射性配体的发展。由于C-11的半衰期短，因此这种放射性配体的合成也需要非常快。

美国普林斯顿大学的David W. C. MacMillan报道了一种通用且快速的金属光催化还原方法，用于通过载有芳基和烷基溴化物的药物前体的甲基化，将氚和C-11合成到所需化合物中。甲基是生物活性分子中最常见的结构元素之一，因此这种合成方法简化了放射性配体的发现。为了证明该技术的适用范围，作者进行了20种氚化和10种C-11标记的复杂药物和PET放射性配体的快速合成，包括一步法合成临床使用的化合物[¹¹C]UCB-J和[¹¹C]PHNO。作者进一步概述了该协议在临床前PET成像中的直接效用，并将其用于人体临床成像中常规放射性示踪剂生产的自动放射合成。

文献链接：

Metallaphotoredox aryl and alkyl radiomethylation for PET ligand discovery

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-3015-0)

2.加州大学伯克利分校John F. Hartwig:跨内烯烃的N-H键的催化不对称加成

烯烃的加氢胺化，即胺在烯烃上的N-H键加成，是一种基本的、但具有挑战性的有机转化，可以从两种丰富的化学原料（烯烃和胺）中产生烷基胺。该反应特别重要，因为胺，尤其是手性胺是天然产物和药物中普遍的亚结构。尽管已经为开发用于加氢胺化的催化剂付出了巨大的努力，但是进行分子间加氢胺化的绝大部分烯烃仅限于共轭，张力或末端烯烃。仅有少数例子是在未活化的内部烯烃之间直接加成胺的N-H键，包括光催化加氢胺化，而且不知道这种烯烃的不对称分子间加成。

加州大学伯克利分校John F. Hartwig报道了一种阳离子铱体系，该体系催化一系列未活化的内部烯烃的分子间加氢胺化，从而使其具有高对映选择性，从而形成手性胺。该催化剂包含带有三甲基甲硅烷基取代的芳基膦配体和一个三酰亚胺抗衡阴离子，反应设计包括2-氨基-6-甲基吡啶作为胺，以提高催化循环内多个步骤的速率，同时充当氨替代物。这些设计原则指出了在未活化的内部烯烃之间添加其他试剂的N-H键以及O-H和C-H键的方式，以简化基本原料中功能分子的合成。

文献链接：

Catalytic asymmetric addition of an amine N-H bond across internal alkenes

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2919-z)

3.英国布里斯托大学Adam Noble&Varinder K. Aggarwal:无金属的光诱导烷烃的C(sp3)-H硼化

硼酸及其衍生物是化学中最有用的试剂，其应用范围涵盖药物，农用化学品和功能材料。催化C-H硼化是将这些和其他硼基团引入有机分子的一种有效方法，因为它可用于直接官能化原料化学品的C-H键，而无需进行底物预活化。这些反应传统上依赖于贵金属催化剂进行C-H键断裂，因此，对于芳族C(sp2)-H键与脂族C(sp3)-H键的硼化显示出很高的选择性。

英国布里斯托大学Adam Noble&Varinder K. Aggarwal报道了使用氢原子转移催化的无金属硼化反应，其中C(sp3)-H键的均相裂解产生烷基自由基，该烷基自由基通过与二硼试剂直接反应而被硼化。该反应通过N-烷氧基邻苯二甲酰亚胺基氧化剂与氯化物氢原子转移催化剂之间的紫光光诱导电子转移而进行。通常，较弱的仲，叔，甚至苄基CH键优先将较强的CH键甲基化。机理研究表明，高甲基选择性是由于氯自由基-硼“酸酯”配合物的形成，该配合物选择性地裂解了空间不受阻碍的CH键。通过使用光诱导的氢原子转移策略，这种无金属的C(sp3)-H硼酸酯化可以将未反应的烷烃在温和的条件下转化为有价值的有机硼试剂。

文献链接：

Metal-free photoinduced C(sp3)-H borylation of alkanes

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2831-6)

4.加州大学洛杉矶分校Yi Tang、K. N. Houk和中科院有机所周佳海:酶促Alder-ene反应

化学研究中的一项持续挑战是设计能够控制复杂分子反应的催化剂。化学家依靠有机催化剂或过渡金属催化剂来控制立体选择性，区域选择性和周向选择性（可能的周环反应之间的选择性）。大自然可以通过多种酶来实现这些类型的选择性，这是一种催化周环反应的酶家族。最典型的酶促环周反应是环加成反应，很难合理地实现观察到的选择性。

 加州大学洛杉矶分校Yi Tang、K. N. Houk和中科院有机所周佳海发现了两个同源的周环酶组，它们催化不同的反应：一组催化在生物学上未知的Alder-ene反应；第二个催化立体选择性Diels-Alder反应。在计算研究的指导下，作者合理化了观察到的反应性差异，并设计了突变酶，这些酶逆向选择性从Alder-ene到异Diels-Alder，反之亦然。体外生化表征，计算研究，酶共晶体结构和突变研究的结合说明了在几乎相同的活性位点如何实现高区域选择性和周选择性。

文献链接：

An enzymatic Alder-ene reaction

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2743-5)

5.加州大学洛杉矶分校K. N. Houk&Neil K. Garg:环状联烯参与的不对称镍催化

应变的环状有机分子，例如芳烃，环状炔烃和环状烯，因其不寻常的结构和高化学反应性而引起化学家的兴趣超过一个世纪。表征这些瞬时中间体的相当大的环应变在许多反应中赋予了高反应活性，通常会生成结构复杂的产物。尽管已经报道了使用化学计量手性试剂控制这些反应中绝对立体化学的策略，但仍然难以实现催化不对称变体生成对映体富集的产物。

加州大学洛杉矶分校K. N. Houk&Neil K. Garg报道在催化不对称反应中外消旋环状联烯中间体的截获，并为控制这种转化中的绝对立体化学的两种不同机制提供了证据：环状联烯对映异构体的动力学分化和中间体π-烯丙基镍配合物的脱对称。计算研究暗示了一种催化机理，该机理涉及通过立体选择性烯烃的插入，环状联烯对映异构体的初始动力学分化，损失所得的立体化学信息，以及随后通过中间π-烯丙基镍配合物的不对称化引入绝对立体化学。这些结果揭示了环烯具有的反应性，超越了先前报道的传统环加成和亲核捕获，从而扩大了可从此类中间体获得的产品类型。此外，计算研究提出了两种潜在的策略，用于控制环烯反应中的立体控制。结合起来，这些结果为开发涉及这些经典避免的中间体的催化不对称反应奠定了基础。

文献链接：

Intercepting fleeting cyclic allenes with asymmetric nickel catalysis.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2701-2)

6.耶鲁大学Patrick L. Holland:通过芳基迁移耦合二氮和碳氢化合物

碳氢化合物和大气氮（N₂）的活化仍然是一个挑战，因为这些分子通常是惰性的。由N₂形成碳-氮键通常需要具有反应性的有机前体，这些前体与促进N₂反应性的还原条件不相容，后者阻止了催化作用。

耶鲁大学Patrick L. Holland报道了二酮支持的铁系统，该系统依次激活苯和N₂以形成苯胺衍生物。该偶联反应的关键是还原的铁二氮配合物的部分甲硅烷基化，然后苯衍生的芳基迁移到氮上。进一步的还原会释放出N₂衍生的苯胺，并且生成的铁物质可以重新进入循环途径。通过使用钠粉，冠醚，三甲基甲硅烷基溴化物和N₂的混合物作为氮源，易于制备的二酮化溴化铁配合物介导了几种石油衍生的芳烃的一锅转化为相应的甲硅烷基化苯胺衍生物。沿循环途径的许多化合物已被分离并进行晶体学表征，它们的反应性支持了依次进行烃活化和N₂功能化的机制。

文献链接：

Coupling dinitrogen and hydrocarbons through aryl migration.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2565-5)

7.曼彻斯特大学Daniele Leonori:苯胺合成的光化学脱氢策略

将两个分子片段连接在一起的化学反应（交叉偶联）对于发现和制造药物和农用化学品至关重要。目前仅在过渡金属催化的方法中才能将胺引入到特定位置和预定位置的官能化芳族化合物上，并且需要含卤素或硼的底物。这些基团在芳族单元周围的引入取决于该方法的固有反应活性（亲电子卤化或C-H硼化），因此通常不可能对所有位置进行选择性靶向。

曼彻斯特大学Daniele Leonori报道了苯胺的非规范交叉偶联方法，利用饱和环己酮作为亲电亲电子替代物。胺和羰基之间的缩合是自然界中经常发生的过程，有机化学家经常使用该过程，可以形成预定的位点选择性碳-氮（C-N）键，而光-氧化还原和钴-基的催化体系在到达苯胺的途中逐渐使环己烯环脱饱和。鉴于可以使用成熟的羰基反应性通过完全的区域控制来轻松获得官能化的环己酮，因此该方法绕开了芳香族化学中一些常见的选择性问题。作者通过制备商业药物以及对天然产物，类固醇和萜烯原料进行后期氨基化芳香化来证明这种C-N偶联方案的实用性。

文献链接：

A photochemical dehydrogenative strategy for aniline synthesis.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2539-7)

8.东京工业大学Masaaki Kitano&Hideo Hosono:空位激活的N₂活化，可在负载Ni的催化剂上合成氨

氨（NH₃）对肥料行业至关重要，是最常生产的化学品之一。由于其大量的键能，直接使用大气中的氮（N₂）一直具有挑战性，直到Haber-Bosch工艺得以发展。随后，人们探索了许多策略来减少N≡N键的活化势垒并使该过程更有效。这些措施包括使用碱金属和碱土金属氧化物作为促进剂，以通过过渡金属将电子从促进剂转移至N₂的反键，从而提高传统的铁和钌基催化剂的性能。驻极体载体进一步降低了激活势垒，因为其低功函和高电子密度增强了电子向过渡金属的转移。这种策略促进了N₂分解产生氨的合成，并在温和条件下实现了催化操作。但是，它需要使用昂贵的钌。目前已经发现包含表面氮空位的氮化物可以活化N₂。

东京工业大学Masaaki Kitano&Hideo Hosono发现由于避免了常见的结垢关系的双位机理，镍负载的氮化镧（LaN）能够实现稳定且高效的氨合成。动力学和同位素标记实验以及密度泛函理论计算证明，氮空位是在低形成能的LaN上产生的，并有效地结合和活化N₂。此外，加载到氮化物上的镍金属会分解H₂。使用不同的位点活化两种反应物以及它们之间的协同作用，导致负载镍的LaN催化剂的活性远远超过传统的钴基和镍基催化剂的活性，与钌基催化剂。结果说明了在反应循环中使用空位的潜力，并介绍了使用自然富集元素的氨合成催化剂的设计概念。

文献链接：

Vacancy-enabled N2 activation for ammonia synthesis on an Ni-loaded catalyst.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2464-9)

9.佛罗里达州立大学&纽约州立大学布法罗分校&亚琛工业大学:吡咯烷二硫代氨基甲酸锔的压缩可增强共价

锔在元素系列中是独特的，因为其半放缩的5f⁷外壳比其他5fⁿ配置具有更低的能量，从而使其既不具有氧化还原活性，又不易形成与5f外壳接合的化学键。在高压下，金属锔经历了从局域5f电子到迭代电子的转变。这种转变伴随着由锔原子之间的磁性相互作用所决定的晶体结构。因此，产生了一个问题，即是否可以通过施加压力来改变cur（iii）-配体相互作用中的前沿金属轨道，从而使其诱导形成具有一定共价度的金属-配体键。

 佛罗里达州立大学&纽约州立大学布法罗分校&亚琛工业大学报道了在高压下[Cm(pydtc)4]-中的f硫键中5f/6d轨道的相对作用变化的实验和计算证据。将这些结果与[Nd(pydtc)₄]-和仅具有锔氧键的Cm（iii）熔体的光谱进行比较。与[Cm(pydtc)₄]-光谱中观察到的变化相比，所观察到[Nd(pydtc)₄]-吸收光谱中f-f跃迁和锔的f-f发射光谱中的较小变化，这与其键的性质的较小扰动有关。这些结果表明，在高压下，金属轨道对锔硫键的贡献显着增强。

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Compression of curium pyrrolidine-dithiocarbamate enhances covalency.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2479-2)

10.威斯康星大学麦迪逊分校Shannon S. Stahl:量身定制的醌类支持高周转量的Pd催化剂，用于O₂氧化C–H芳基化

钯（II）催化的碳氢（CH）氧化反应可以用于药物，农用化学品和其他复杂有机分子的合成。 然而，现有方法通常在高钯（Pd）负载（例如10摩尔％）下表现出不良的催化剂性能，并且需要（超）化学计量的氧化剂，例如苯醌和银（I）盐。

威斯康星大学麦迪逊分校Shannon S. Stahl探讨了代表性的Pd催化的CH-H氧化芳基化反应的机理，并阐明了破坏催化剂性能的机理，包括消耗底物的副反应和螯合作为非活性物质的催化剂。醌助催化剂的系统调节克服了这些有害特征。使用2,5-二叔丁基对苯醌可以有效地利用分子氧作为氧化剂，提高反应收率，并通过Pd催化剂提供> 1900的周转率。

文献链接：

Tailored quinones support high-turnover Pd catalysts for oxidative C-H arylation with O2.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abd1085)

11.加州大学圣巴巴拉分校Susannah L. Scott:通过串联氢解/芳构化将聚乙烯上链成长链烷基芳烃 

当前的塑料生产规模以及随之而来的废物处理问题代表了化学循环利用的大部分未开发的机会。在不添加溶剂或分子氢的情况下，负载在氧化铝上的铂进行的串联催化转化将高收率（最高80％重量百分比）的各种聚乙烯等级转化为低分子量液体/蜡产品，几乎不产生轻质气体。主要成分是有价值的长链烷基芳烃和烷基环烷烃。尽管反应温度适中于280°C，但放热氢解与吸热芳构化的耦合使得整个转化过程在热力学上是可及的。该方法证明了废聚烯烃如何成为生产分子烃产品的可行原料。

文献链接：

Polyethylene upcycling to long-chain alkylaromatics by tandem hydrogenolysis/aromatization.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abc5441)

12.韩国科学技术院Sang Woo Han&Mu-Hyun Baik:电感应效应——电极作为具有可调电子特性的官能团

代替施加不同感应作用的官能团，韩国科学技术院Sang Woo Han&Mu-Hyun Baik将携带巯基的分子固定在金电极上。通过施加不同的电压，可以调节固定分子的性质。通过施加相对于开路电势的–0.25伏特的负电压，可以完全抑制碱催化的苯甲酸酯皂化。此外，当将芳基卤化物衬底固定在金电极上时，可以通过施加电压来改变交叉偶联反应的速率。最后，显示出两步羧酸酰胺化受益于添加碳二亚胺偶联剂和引入胺之间的施加电压的切换。

文献链接：

Electro-inductive effect: Electrodes as functional groups with tunable electronic properties.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb6375)

13.格拉斯哥大学Leroy Cronin：用于化学合成文献数字化和自动执行的通用系统

用于化学合成的机器人系统越来越流行，但是由于缺乏标准的操作系统或无法通过自然语言处理直接访问文献的能力，因此可能难以运行和维护。格拉斯哥大学Leroy Cronin展示了一种可扩展的化学执行架构，该架构可以通过自动阅读文献来填充，从而实现了通用的自主工作流程。无需任何编程知识，就可以用自然语言纠正机器人综合代码，并且由于该标准，它是独立于硬件的。然后，可以将该化学代码与描述硬件模块的图形结合起来，并编译成特定于平台的低级机械手指令以执行。文章展示了来自文献的12种化合物的自动合成，包括止痛药利多卡因，高碘烷氧化试剂和氟化剂AlkylFluor。

文献链接：

A universal system for digitization and automatic execution of the chemical synthesis literature.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abc2986)

14.北海道大学Masaya Sawamura:脂肪族酰胺和酯与模块化铱催化剂的不对称远程C-H硼化

在C–H键官能化化学中，尤其是在线性脂族饱和烃骨架中，位点选择性和立体控制仍然是主要挑战。北海道大学Masaya Sawamura报道了远程C(sp3)–H键与脂族仲和叔酰胺和酯中的羰基的高度对映选择性和位点选择性催化硼化。手性CH活化催化剂由铱中心，手性单亚磷酸酯配体，非手性脲-吡啶受体配体和频哪醇硼烷基组成。量子化学计算支持由催化剂组分形成的酶样结构腔，该催化剂腔通过多种非共价相互作用结合底物。证实了对映体富集的硼烷基羧酸衍生物的多功能合成用途。。

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Asymmetric remote C-H borylation of aliphatic amides and esters with a modular iridium catalyst.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abc8320)

15.斯克利普斯研究所Hans Renata:通过混合氧化法发散合成复杂的二萜

多环二萜显示出许多重要的生物学活性，但是由于其结构复杂性，从头合成合成这些分子具有很高的挑战性。由于缺乏用于支架修饰的化学工具，半合成途径也受到限制。斯克利普斯研究所Hans Renata报道了一种化学酶学平台，可通过策略性地结合化学和酶促氧化方法的混合氧化方法来获得高度氧化的二萜。这种方法可以选择性氧化亲本碳环上以前无法接近的位点，并使非生物骨架重排成为其他基础结构。作者从甜菊醇中合成了九种具有富氧化模式和骨骼多样性的复杂天然产物，共计十步以内。

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Divergent synthesis of complex diterpenes through a hybrid oxidative approach.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb8271)

16.西蒙菲莎大学Robert Britton:核苷酸类似物的从头开始合成

核苷类似物通常用于治疗癌症和病毒感染。它们的合成得益于数十年的研究，但往往依赖于手性碳水化合物原料的有限储备。西蒙菲莎大学Robert Britton提出了一种从简单的非手性材料快速构建核苷类似物的过程。仅使用脯氨酸催化，将杂芳基取代的乙醛进行氟化，然后在单锅反应中直接参与对映选择性醛醇缩合反应。随后的分子内氟化物置换反应提供了功能化的核苷类似物。D-或L-核苷类似物，锁定的核酸，亚氨基核苷以及C2'-和C4'-修饰的核苷类似物的多谱合成法突出了该过程的多功能性。这种从头开始的合成为多样性的制备创造了机会，并将支持药物发现和开发方面的工作。

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A short de novo synthesis of nucleoside analogs.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb3231)

17.阿尔伯塔大学Rylan J. Lundgren：在二甲基甲酰胺溶液中由稳定的有机酸直接可逆脱羧

有机化学中许多经典的和新兴的方法学都依靠二氧化碳（CO₂）的挤压来生成反应性中间体，以形成键。涉及微观反转的合成反应-反应性中间体的羧化反应通常是在非常不同的条件下进行的。阿尔伯塔大学Rylan J. Lundgren报道说，化学稳定的C(sp3)羧酸盐，如芳酸和丙二酸半酯，在二甲基甲酰胺溶液中经历未催化的可逆脱羧作用。脱羧-羧化发生于在其他相同条件下对bronster酸的原脱羧具有抗性的底物。同位素标记的羧酸可通过简单地提供¹³CO₂气氛以在极性非质子传递溶剂中使羧酸盐形成，从而以高化学和同位素产率制备。对溶液中羧酸盐反应性的了解为捕获醛，酮和a,b-不饱和酯提供了条件。

文献链接：

Direct reversible decarboxylation from stable organic acids in dimethylformamide solution.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb4129)

18.明斯特大学John J. Molloy&Ryan Gilmour:通过选择性能量转移催化实现硼的烯烃的几何异构

基于异构化的策略，能够使由几何定义的烯烃关键构形的复杂多烯立体发散地构建仍然明显欠发达。理想化的低分子量前体中对原子效率的考虑，进一步减轻了异构化固有的热力学约束。在这项工作中，明斯特大学John J. Molloy&Ryan Gilmour报告了一个通用的C3支架，该支架可以异构化并双向扩展。基于高效的三重态能量转移，β-硼基丙烯酸酯的选择性异构化取决于硼p轨道在底物生色团中的参与。产品中的C(sp2)–B键旋转90°会导致重新励磁效率低下并赋予方向性。这种微妙的立体电子门控机制可实现清晰定义的视黄酸衍生物的立体控制合成。

文献链接：

Boron-enabled geometric isomerization of alkenes via selective energy-transfer catalysis.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb7235)

19.埃因霍芬理工大学Timothy Noël：光催化轻质烃的C(sp3)-H官能化

气态烃的直接活化仍然是化学界的主要挑战。由于这些化合物的固有惰性，通常需要苛刻的反应条件才能裂解C(sp3)–H键，除非在合成有机化学中有潜在的应用。埃因霍芬理工大学Timothy Noël报道了一种通用且温和的策略，该方法是在室温下使用廉价的癸二酸盐作为光催化剂，通过氢原子转移来激活甲烷，乙烷，丙烷和异丁烷中的C(sp3)–H键。相应的以碳为中心的自由基可以被多种迈克尔受体有效地捕获，从而以良好的分离收率和高选择性产生相应的加氢烷基化加合物（38个实例）。

文献链接：

C(sp3)-H functionalizations of light hydrocarbons using decatungstate photocatalysis in flow.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb4688)

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