作者：王家豪

本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者、来自西安交通大学前沿科学技术研究院的博士研究生王家豪为我们分享。

2026年6月2日，J. Am. Chem. Soc. 在线发表了来自西安交大前沿院沈阳阳/顾怡婷团队题为「Bioinspired Carbon Radical Catalysis」的研究论文，本工作中，研究团队设计并构建了一类基于动态C(sp³)–C(sp³)共价键的二聚体碳自由基催化剂（CarCat），开创了仿生”碳自由基成键催化（radical carbon-bonding catalysis）”新范式，实现了乙烯基环丙烷与烯烃的高顺式选择性[3+2]环化反应，高效合成了一系列cis-环戊烷骨架。该催化体系兼具卓越的催化效率、广泛的官能团耐受性以及丰富的后续衍生化空间。这一策略有效解决了传统碳自由基催化领域长期存在的”高活性自由基难以可控再生、高稳定性自由基反应性不足”的核心瓶颈，首次使碳自由基能够类比金属催化剂或有机小分子催化剂，经由可逆成键机制完成催化循环，为药物先导分子的发现开辟了全新的化学空间。

Bioinspired Carbon Radical Catalysis

Jiahao Wang, Huayan Xu, Xinyue Zhang, Yiting Gu*, Fengqian Ma, Shuai Yao, Xingliang Lu,

Zia Ul Mustafa, Yidong Wang, Chong Du, Shuqun Zhang, Yangyang Shen*

J. Am. Chem. Soc. 2026, doi: 10.1021/jacs.6c07770

Q1. 请对‘Bioinspired Carbon Radical Catalysis’作一个简单介绍。

有机化学的本质就是碳化学，作为一门研究含碳化合物的结构、性质、反应及合成的科学，其中碳自由基作为构建复杂有机分子的基本中间体，其催化能力在合成化学领域尚未得到充分开发。原因是碳自由基催化长期面临一个根本性悖论：瞬态自由基活性过高，易形成不可逆化学键；而持久性自由基又过于稳定，难以参与有效的成键反应。基于这一挑战，我们发现自然界其实已有相应的答案——腺苷钴胺素（AdoCbl，辅酶B₁₂）通过其较弱的Co—C键（约26 kcal/mol）的可逆均裂，精准调控5′-脱氧腺苷自由基的生成与反应，实现了高效的氢原子转移。

于是我们尝试将一类在动态共价化学中被应用于自组装的二聚体分子合成并改造，作为碳自由基催化剂前体。该类催化剂具有以下创新特征：(a) 可在空气和潮湿环境中稳定存在，操作简便安全；(b) 通过精细调控芳基取代基和氰基/酯基等吸电子基团，优化二聚体解离平衡常数；(c) 借助持久自由基效应（PRE）保护碳自由基催化剂免受淬灭，同时允许其与底物发生可逆相互作用，最终驱动不可逆的[3+2]环加成反应。

该催化体系效率很高，催化剂负载量最低可降至100 ppm，TON（转化数）可达4450，对水氧条件不敏感，兼容各类官能团以及天然产物、药物分子；其衍生化产物可用于构建多环芳烃、桥环等新型骨架，为药物先导化合物的发现提供了丰富的结构资源。

Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢？

在本次研究中，我们遇到了多方面的挑战。

第一个困难是如何证明碳自由基催化这一设想。 起初我们尝试直接通过目标反应验证，但目标产物产率极低，几乎无法检测。这促使我们反思并调整策略：围绕碳自由基特征性的β-裂解步骤设计验证实验，在底物中引入苯基以稳定碳自由基中间体后，成功检测到了预期的裂解产物，从而证实了碳自由基催化的可行性。

第二个问题是如何提高催化活性。 由于催化剂的活性中心及反应中间体均为碳自由基，极易发生自由基环化或者交叉偶联，导致催化剂淬灭。为此，我们在底物和催化剂上同时引入位阻基团，并优化催化剂的热稳定性，有效抑制了催化剂的淬灭途径，从而实现了低载量条件下的高催化活性。

此外，不同底物所需的最优反应条件各异，均需针对性地逐一优化；我们所展示的产物衍生化部分，也是在大量失败尝试中不断摸索所得。这些经历让我们深刻体会到，有机化学研究需要多一份坚持。

Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？

对于反应边界的拓展，正文中呈现的反应条件和筛选过程是有限的。其实在开展第二部分底物拓展（酯基取代的乙烯基环丙烷）的研究时，我们就发现原有的催化剂和反应条件与该底物并不兼容，甚至未监测到任何预期副产物。经过系统地考察，我们发现原有条件下底物更倾向于发生自身开环聚合，从而被快速消耗、无法进入催化循环。为此，我们对催化剂进行了进一步改造，并重新筛选反应条件。这种需要反复优化条件的过程确实非常辛苦，而找到问题核心并加以解决，更非易事。

此外，对于一些活性较高的底物，我们也遇到了催化效率显著下降的问题。这也是本工作完成后我们正着力攻克的难点，希望能够尽快取得突破。

Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？

未来我们希望基于这一工作基础，将该催化体系进一步拓展至多个领域。其一是不对称催化。 我们在该研究中已观察到部分底物自身导向的高非对映选择性，这提示我们：若在构建手性中心的过程中引入手性催化剂或配体以构建手性环境，有望将底物控制的非对映选择性拓展为催化剂控制的对映选择性，从而实现这一反应的不对称催化。其二是超分子化学。 我们还将基于动态共价键的研究积累，探索其在超分子化合物构建中的应用，这也具有重要的研究价值。

Q5. 最后，有什么想对各位读者说的吗？

无论是我的硕士导师江智勇老师，还是博士导师沈阳阳老师，他们在指导我研究的过程中都传递了这样一种理念——”再试一试”。这其实是很简单的道理：再试一试，就意味着再坚持一下。回顾自身的研究经历，我也发现，许多突破往往就源于这份坚持。希望大家无论在哪个领域深耕，都能够坚持下去，终能守得云开见月明。

此外，特别感谢化学空间（Chem-Station）提供这一学术平台，让我有机会分享研究过程中的感悟，也期待与大家交流切磋，共同进步。

作者教育背景简介

教育背景：

2015.09–2023.06   河南师范大学，化学，本硕（推免），理学硕士（导师：江智勇教授）

2023.09–至今           西安交通大学， 化学，理学博士（导师: 沈阳阳教授）

本文第一作者王家豪师从沈阳阳教授攻读博士学位，以第一作者以及通讯作者身份在JACS （3）,  Chem. Eur. J. 等发表学术论文；入选首届中国科协青年人才托举工程（博士生专项）；主持西安交通大学基本科研业务费（在研）。