张新刚

世界著名化学家

2020/8/20
世界著名化学家
氟烷基化, 氟芳基化, 过渡金属催化
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本文作者：石油醚

概要

张新刚：上海有机化学研究所研究员、课题组长、有机氟化学重点实验室主任。课题组主页：http://xgzhang.sioc-f.cn/index.php

经历

1994-1998年四川大学，学士
1998-2003年上海有机所，博士（卿凤翎研究员）
2003-2008年伊利诺伊大学香槟分校，博士后（Prof. Wilfred A. van der Donk）
2008-2011年上海有机所创新岗位副研究员，课题组长，研究生导师
2012- 上海有机所研究员，课题组长
2020- 中科院有机氟化学重点实验室主任

获奖经历

2015 RSC Fluorine Chemistry Prize
2015 The 5th Chinese Chemical Society-RSC Young Chemist Award
2014 The National Science Fund for Distinguished Young Scholars
2014 Thieme Chemistry Journal Award
2009 Shanghai Rising Star Program, Shanghai, China

研究方向

有机氟化合物特别是全氟化合物具有一些不一般甚至是非常特殊的物理化学性质，它们被用于从药物化学到材料科学等多个科学领域中，并在人口健康、国民生活和国防建设紧密相关的领域中具有重要的应用。张新刚研究员课题组围绕有机氟化学领域，针对目前有机氟化学存在的重要科学问题，以过渡金属催化为手段，从新反应性、新成键模式和新功能的理念出发，通过新催化体系的建立和含氟试剂新特性的发现，发展高效安全、环境友好、原子/步骤经济、可控构筑与转化含氟有机化合物的方法和理论，进而解决有机氟化学中存在的重要科学问题，并利用所发展方法合成特种含氟功能材料和具有生物活性的含氟分子²¹。

目前课题组主要的研究方向包括：1）金属有机氟化学，其中包括C－F键的构建、过渡金属催化的氟烷基化和氟芳基化、C－F键的活化等；2）有机氟化学在材料以及化学生物学方面的研究。

1. 过渡金属催化的氟芳基化反应^1-4

有机氟化物在医药工业中有非常重要的应用。上市的新药中，每年大约有15-20%都是有机氟化合物。近年来，发展与之相关的高效引氟方法和手段，受到了合成化学家的高度关注。尽管在过去的10年中，大量高效、新颖的氟化方法和反应相继被报道，但大多使用的是价格昂贵的氟化试剂，而对于大量存在的含氟工业原料小分子氟烷烃的高效转化却鲜有报道。基于此领域存在的科学问题，张新刚研究员课题组借助过渡金属催化建立高效简洁、环境友好、可控性构筑C－Ar_f键的方法，并将发展的方法用于含氟有机光电材料的合成中（图 1）。

图 1 过渡金属催化的氟芳基化反应（图来自张新刚研究员课题组主页）

2. 过渡金属催化下选择性氟烷基化

过渡金属催化的构建碳－碳、碳－硫、碳－氧以碳－氟键的反应广泛应用于天然产物及药物分子的合成,是当今有机合成研究领域的热点及难点。虽然在碳－氟键的构建中已经取得了一定的进展，但是由于药物化学以及材料等多学科的对含氟化合物的不同程度的需求，驱使有机化学家去发展新的催化剂体系、新的成键模式以及高效可控性等多方面构建碳－氟键的策略和方法。张新刚研究员利用过渡金属催化为手段，以廉价易得的小分子氟烷烃为原料，通过催化体系的精准调控⁵，建立氟烷基化（图 2，图 3）（具体包括：亲核型^6,7、亲电型⁸、自由基^9-12和二氟卡宾^6,13四种模式）和过渡金属催化的立体选择性氟烷基化反应^14-16的策略（图 4），并通过反应机理的研究来探索氟烷基影响过渡金属催化构筑C－R_f键的内在本质规律。

图 2 过渡金属催化下C-R_f键的高效构筑（图来自张新刚研究员课题组主页）

图 3 基于图 2 四种策略实现的反应（图来自张新刚研究员课题组主页）

图 4 过渡金属催化下立体选择性氟烷基化（图来自张新刚研究员课题组主页）

3. C－F键的选择性构筑与断裂

在已发现的元素中，F的范德华半径与H相近，而C－F键比C－H键有着更高的键能和脂溶性，可以提高化合物的疏水性和代谢稳定性，因此含氟化合物在材料科学、农药和医药界向来颇受青睐。然而，构筑C－F键尤其是不对称叔碳中心C－F键仍然存在很多挑战。张新刚研究员以过渡金属为手段，发展高效可控性构筑和断裂 C－F键的策略和方法^17-19，建立反应温和、底物普适性广、具有预测性的高效催化体系（图 5）。

图 5 C－F键的选择性构筑与断裂（图来自张新刚研究员课题组主页）

4. 过渡金属催化氟烷基化和氟芳基化的应用以及化学生物学的研究

含氟有机化合物由于其独特性，在医药、农药、材料等与人口健康、国民生活和国防建设紧密相关的领域中具有重要的应用。张新刚研究员小组将课题组：1）过渡金属催化的氟芳基化反应用于有机光电材料中的合成中（图 6）；2）过渡金属催化下选择性氟烷基化应用于药物分子的后期修饰中（图 7）；3）应用化学生物学手段研究和发现新的含氟生物活性分子，探索氟原子对相关生物活性分子影响的内在本质规律；利用氟原子的特性发展对多肽、蛋白，核酸进行选择性修饰的方法，并进一步应用到化学生物学中。

图 6 含氟有机光电材料的合成（图来自张新刚研究员课题组主页）

图 7 药物分子的后期氟修饰（图来自张新刚研究员课题组主页）

其他

2016年，张新刚研究员的“Angewandte Chemie 作者小传”²⁰

关于“我（张新刚研究员）”

如果我被形容为一种动物，这会是：鹰

我最喜欢的格言：保持冷静，热爱生活

科学家的最重要挑战是：得到科研基金

科学是有趣的，因为：它充满了惊奇

如果我是一辆车，我会是：法拉利超级跑车

在空闲时间，我和我儿子玩耍

如果我能处在任何年龄，我希望是7岁，那时我能用儿童的思维重新想象这个世界

我最重要的灵感来自于和我的学生讨论化学

一天中我最喜欢的时间是晚上

我建议我的学生能积极主动、有创造力、有创新精神

如果我有一年带薪假，我会和我的家人环游世界

如果我能成为一种实验仪器，我会是磁子

对于我的朋友我最感激的是他们帮助我度过“黑暗的日子”

我的座右铭是：有好奇心，做新的和有用的事

参考文献

[1] Gao, X., Cheng, R., Xiao, Y.-L., Wan, X.-L. & Zhang, X. Copper-Catalyzed Highly Enantioselective Difluoroalkylation of Secondary Propargyl Sulfonates with Difluoroenoxysilanes. Chem .(2019), 5, 2987-2999, doi:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.09.012.
[2] Fan, S., Chen, F. & Zhang, X. Direct Palladium-Catalyzed Intermolecular Allylation of Highly Electron-Deficient Polyfluoroarenes. Angew. Chem. Int. Ed. (2011)， 50 5918-5923, doi:10.1002/anie.201008174
[3] Zhang, X. et al. Pd(OAc)2 Catalyzed Olefination of Highly Electron-Deficient Perfluoroarenes. J. Am. Chem. Soc. (2010) 132, 4506-4507, doi:10.1021/ja908434e.
[4] He, C.-Y., Fan, S. & Zhang, X. Pd-Catalyzed Oxidative Cross-Coupling of Perfluoroarenes with Aromatic Heterocycles. J. Am. Chem. Soc. (2010) 132, 12850-12852, doi:10.1021/ja106046p.
[5] Feng, Z., Xiao, Y.-L. & Zhang, X. Transition-Metal (Cu, Pd, Ni)-Catalyzed Difluoroalkylation via Cross-Coupling with Difluoroalkyl Halides. Acc. Chem. Res. (2018) 51, 2264-2278, doi:10.1021/acs.accounts.8b00230.
[6] Fu, X.-P. et al. Controllable catalytic difluorocarbene transfer enables access to diversified fluoroalkylated arenes. Nat. Chem. (2019) 11, 948-956, doi:10.1038/s41557-019-0331-9.
[7] Feng, Z., Min, Q.-Q., Xiao, Y.-L., Zhang, B. & Zhang, X. Palladium-Catalyzed Difluoroalkylation of Aryl Boronic Acids: A New Method for the Synthesis of Aryldifluoromethylated Phosphonates and Carboxylic Acid Derivatives. Angew. Chem. Int. Ed. (2014) 53, 1669-1673, doi:10.1002/anie.201309535.
[8] Guo, W.-H., Luo, Z.-J., Zeng, W. & Zhang, X. Access to Difluoromethylene-Skipped 1,4-Diynes with gem-Difluoropropargyl Bromide. ACS Catal. (2017). 7, 896-901, doi:10.1021/acscatal.6b03216 .
[9] Cheng, R., Zhao, H.-Y., Zhang, S. & Zhang, X. Nickel-Catalyzed Carbonylation of Secondary Trifluoromethylated, Difluoromethylated, and Nonfluorinated Aliphatic Electrophiles with Arylboronic Acids under 1 atm of CO. ACS Catal. (2020) 10, 36-42, doi:10.1021/acscatal.9b04038.
[10] Xu, C. et al. Difluoromethylation of (hetero)aryl chlorides with chlorodifluoromethane catalyzed by nickel. Nat. Commun. (2018) 9, 1170, doi:10.1038/s41467-018-03532-1.
[11] An, L., Xu, C. & Zhang, X. Highly selective nickel-catalyzed gem-difluoropropargylation of unactivated alkylzinc reagents. Nat. Commun. (2017) 8, 1460, doi:10.1038/s41467-017-01540-1.
[12] Yu, Y.-B., He, G.-Z. & Zhang, X. Synthesis of α,α-Difluoromethylene Alkynes by Palladium-Catalyzed gem-Difluoropropargylation of Aryl and Alkenyl Boron Reagents. Angew. Chem. Int. Ed. (2014) 53, 10457-10461, doi:10.1002/anie.201405204.
[13] Feng, Z., Min, Q.-Q., Fu, X.-P., An, L. & Zhang, X. Chlorodifluoromethane-triggered formation of difluoromethylated arenes catalysed by palladium. Nat. Chem. (2017) 9, 918-923, doi:10.1038/nchem.2746.
[14] An, L., Tong, F.-F., Zhang, S. & Zhang, X. Stereoselective Functionalization of Racemic Cyclopropylzinc Reagents via Enantiodivergent Relay Coupling. J. Am. Chem. Soc. (2020) 142, 11884-11892, doi:10.1021/jacs.0c04462.
[15] Gao, X., Xiao, Y.-L., Wan, X. & Zhang, X. Copper-Catalyzed Highly Stereoselective Trifluoromethylation and Difluoroalkylation of Secondary Propargyl Sulfonates. Angew. Chem. Int. Ed. (2018) 57, 3187-3191, doi:10.1002/anie.201711463.
[16] Xu, C., Cheng, R., Luo, Y.-C., Wang, M.-K. & Zhang, X. trans-Selective Aryldifluoroalkylation of Endocyclic Enecarbamates and Enamides via Nickel Catalysis. Angew. Chem. Int. Ed. (2020) n/a, doi:10.1002/anie.202008498.
[17] Guo, W.-H., Min, Q.-Q., Gu, J.-W. & Zhang, X. Rhodium-Catalyzed ortho-Selective CF Bond Borylation of Polyfluoroarenes with BpinBpin. Angew. Chem. Int. Ed. (2015) 54, 9075-9078, doi:10.1002/anie.201500124.
[18] Chen, Z. et al. Palladium-Catalyzed Ortho-Selective CF Activation of Polyfluoroarenes with Triethylsilane: A Facile Access to Partially Fluorinated Aromatics. Angew. Chem. Int. Ed. (2013). 52, 5813-5817, doi:10.1002/anie.201300400
[19] Fan, S., He, C.-Y. & Zhang, X. Diastereoselective synthesis of propargylic fluorides and its application in preparation of monofluorinated sugar. Tetrahedron 66, 5218-5228, doi:https://doi.org/10.1016/j.tet.2010.04.078 (2010).
[20] Xingang Zhang. Angew. Chem. Int. Ed. (2016) 55, 15704-15704, doi:10.1002/anie.201605777.
[21] 张新刚研究员课题组主页