分子编辑再迎重要成果：武大校友提出“环并环”策略，有望合成具备药理效用的化学分子
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麻省理工科技评论-分子编辑再迎重要成果：武大校友提出“环并环”策略，有望合成具备药理效用的化学分子
“我已经好几年没回国了，很早之前就买好今年三月份的回国机票。但是，分子编辑领域非常热门，类似工作很容易被抢发。所以从课题研究之初，我就披星戴月地赶进度，争取在回国之前完成。后来，论文是我飞回国内的那个晚上投出的，最终成功发表在 Science 上。”武汉大学博士、德国明斯特大学博士后王华敏表示。
研究中，他和同事提出一种可以直接合成双环分子的“环并环”策略。即结合分子编辑的相关思想，将一个小环插入另一个母环也就是更大的分子中。
双环化合物是一类重要的有机化合物，也是一些药物分子的重要骨架。噻吩化合物是一类含硫原子的杂环分子，在合成化学中有着重要应用。
因此，在本次研究中王华敏等人以噻吩作为母环，以双环丁烷作为子环，将子环插入到母环之中之后，得到了含硫基的八元并环。
他们还通过其他的化学转化手段，将这类产物进一步转化为更多的多环化合物。总而言之，本次工作另辟蹊径地开拓了一个新的策略，为合成含杂原子的双环化合物提供了新思路。
在传统方法之中，人们主要通过环化反应的手段来合成双环化合物。而王华敏此次提出的策略可谓非常新颖，他将其称之为是“通向罗马”的另一条有意思的路线。
这也让他相信会有更多人借助“环并环”的策略，去合成更多的双环化合物，他也期待此次方法能为合成具备药理效用的分子注入新活力。
日前，相关论文以《噻吩类化合物的双环丁烷插入脱芳环扩环》（Dearomative ring expansion of thiophenes by bicyclobutane insertion）为题发在 Science 上 [1]。
王华敏是第一作者，德国明斯特大学教授弗兰克·格洛里乌斯（Frank Glorius）和美国加州大学洛杉矶分校教授肯德尔·纽科姆·霍克（Kendall Newcomb Houk）担任共同通讯作者。
其中一位审稿人评价称：“总的来说，此次工作带来了有趣、新颖的贡献。它揭示了以前未被发现的分子编辑方法，并为分子环的插入反应开辟了新途径。”另一位审稿人表示：“我预计这项工作将激发学界和业界的化学家们去构想新的扩环方法，从而催生复杂的多环系统和分子三维平面结构。”
从大火的分子编辑说起
据王华敏介绍，在药物分子中环状化合物是一种广泛的存在。很大一部分药物的分子结构都含有环体系，特别是含有杂原子（氧、硫、氮等原子）的环状分子。因此，合成和改造含杂原子的环状分子具有重要的研究意义。
近年来，分子编辑的概念引起了化学家们的关注。通过分子的剪切和缝补等方式，将单个原子或两个原子插入环状分子之中进行增环反应，成为当前的研究热点之一。此前，已有不少突破性论文发表在 Science和 Nature 上。
事实上，分子编辑依旧存在很大的发展空间。例如，可以将小环作为一个单元插入到杂环分子中。但是，这类研究至今鲜有报道。
为此，王华敏和所在团队希望可以设计一种合成双环分子的新方法。他表示：“我的导师 Frank 教授希望我既能做一些和分子编辑相关的课题，又能与众不同地解决一些科学问题，并且还能产生潜在的应用前景。”
他继续说道：“由于我在组里是做光化学研究的，因此我希望能用光化学手段实现课题目标。”
噻吩具有很高三线态能量，想要通过能量转移激发噻吩化合物所需要的能量也比较高，因此不宜使用能量转移策略来达成研究目的。而噻吩环相对容易氧化，所以光氧化还原方式会更适合。
为此在探索反应条件的时候，王华敏合成了一些光敏剂，这些光敏剂具有氧化电势较高的特点，这让他顺利获得了目标分子。
经过一系列优化之后，他和同事得到了最优的反应条件，随后开始在该条件之下，对反应底物进行拓展。
针对噻吩和苯并噻吩类的反应底物，课题组逐个进行尝试，并得到十分满意的产率、以及较高的选择性。
考虑到双环分子是一类非常重要的化合物，并且其存在于不少药物分子中。因此，王华敏等人提出“环并环”的想法，即将一个小环插入一个母环分子中，借此打造出一款合成双环化合物的新方法。
王华敏说：“研究一个反应不仅要知其然，还要知其所以然。为此我们还做了一些机理研究，这让最初猜测的机制得以验证。Houk 教授课题组的邵慧玲老师等人则通过理论计算，解释了具有不同反应选择性的原因。”而在此次论文发表之后，王华敏的同事正在针对其他杂环分子开展新的研究。
本科开始进组做实验，博一期间发表顶刊一作论文
另据悉，王华敏是海南省临高县人。2010 年，他考入武汉大学北上读书。其本科就读于武大化学院材料化学专业。他说：“武大化学院鼓励学生在本科时就进入实验室进行课余科研。后来，我在同学的介绍之下加入雷爱文教授的实验室。”
那时，王华敏也没有想到有机化学——会成为他此后一直为之努力的方向。2014 年，他获得保送读研的资格，随后继续留在雷爱文课题组研究有机合成化学。
六年的研究生生涯中，从氧气活化的自由基反应、到光催化反应、再到电有机合成化学，王华敏涉猎了多个领域。
他说：“在雷老师实验室的这些年里，我认识了很多志同道合的朋友。雷老师课题组是一个世界知名的课题组，氛围很好大家的关系很融洽。在这期间我总共发表了十余篇论文，对雷老师的培养一直铭记于心。”
至今，他仍然记得当自己第一次以一作身份在世界知名化学期刊 Angewandte Chemie International Edition 发表论文时的心情。“刚接收的时候非常兴奋，还在实验室外面跑了几圈。”他说。彼时他可能也没有想到，几年后会在 Science 上发表一篇一作论文。
2020 年，王华敏来到德国做博后研究，主要从事光催化有机合成。他说：“我的博后导师 Frank 教授建组已有二十多年，可以说他带领着一支世界级别的团队，他多次强调我们要探索和开发新的体系，去引领某个领域的发展。”
经过若干年的积累和探索，Frank 课题组在光催化、氢化、机器学习等领域颇有建树，尤其在光催化的研究上早已硕果累累。而王华敏此次能在 Science 发表一作论文，也和导师的引领密不可分。
最后，王华敏表示：“我在出国之前就决定一定要回国，希望以后能继续从事化学研究，做有用的化学、做可以服务于大众的化学。”
参考资料：
1.Wang, H., Shao, H., Das, A., Dutta, S., Chan, H. T., Daniliuc, C., ... & Glorius, F. (2023). Dearomative ring expansion of thiophenes by bicyclobutane insertion.Science, 381(6653), 75-81.
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