華人化学家

随心所欲惰性化学键活化・天然产物与材料精准合成 —董广彬教授

本文作者:石油醚

本期的专访嘉宾在C-C活化、羰基化合物的β-官能团化、导向C-H键活化、 张力环的“剪断与重组” 、天然产物全合成、硼化学、Pd/NBE协同催化以及材料合成等领域有突出贡献的华人科学家。对于董教授来说2021年注定在科研上丰收的一年,目前为止,董教授团队实现众多突破,如1) 锌/镍串联催化烷基醚键中硼的插入(Science, 2021, 372, 175-182);2)脱酰化辅助芳烃C(sp2)-H键烷基化环化反应(Nat. Catal., 2021, 4, 703-710);3)Ru催化非极性、非张力C(aryl)-C(aryl)单键的分子间复分解反应(Nat. Chem., 2021,13, 836-842);4)Tf2O介导α-胺化的羰基1,2-移位(Science, 2021, 374, 734–740);5)5)复杂高生物活性天然产物phainanoid的首次全合成(J. Am. Chem. Soc. 2021, in press)。早在2015年,Chem-Station的小编就对董教授进行了题为“随心所欲惰性化学键的活化”专访。随着时间的推移,董教授在众多领域有了突出贡献。本期Chem-Station的小编将再次对芝加哥大学的董广彬教授进行专访,并为大家带来“羰基迁移”的前生今生。

以下是董广彬教授的专访内容:

1.是什么样的机缘让您选择了化学(科学)研究?

小的时候喜欢做奇奇怪怪的实验。记得那时候(大概初中)姥爷得了糖尿病,在那个年代没有血糖试纸,每次测试需要用酒精灯试管加一些奇怪的药品在家里测,最后看溶液的颜色来定尿糖的高低, 当时就觉得蛮有趣的。 后来爸妈在工厂里帮我找了一些金属酸碱盐之类,我没事就在家里鼓捣着玩, 觉得化学反应蛮神奇的。

化学的情怀可能在于可以不断地发现新东西,同时也可以做很多设计去验证自己的假设。比较喜欢去探索解决一些比较难的问题。当突然有一个好idea的时候,会感到很开心。

2.如果不从事化学(科学),还有什么想做的?为什么?

如果不搞科学,我也许会做一个厨师。去研究一下各种料理,做出最好的美食也会是一件很快乐的事情。很多有机化学工作者都发现做菜和做实验有很多相通之处。把一道菜做到极致的味道也不是一件容易的事情,创作出新的菜系也会是了不起的成就。

3.现在在做哪方面的研究?另外,准备在这块如何展开?

组里做的方向比较多,除了palladium/norbornene cooperative catalysis之外,我们还对C-C activation, ketone chemistry (alpha and beta functionalization), graphene nanoribbon的合成,以及硼化学感兴趣。可能会被批评不够专注,哈哈。 我觉得这几个方向都有很多有趣的挑战,将来也许会向automated organic synthesis展开。

4.请告诉我们对您人生影响最大的一个人是谁?为什么?

对人生影响最大的肯定是父母。若问对career影响最大的人,应该是在北大的启蒙老师。当第一次上裴伟伟老师教的有机化学课的时候,就感觉很有意思也很喜欢,感觉难得一个学科everything makes sense. 之后在杨震老师组里做本科实验的时候,第一次感受到做科研的快乐: 金属催化的神奇和全合成的美妙。

5.如果能和历史上的某一个人共进晚餐的话,您最希望是谁?为什么

这个真的不知道怎么说,也没有什么兴趣。也许历史读得不够多:)

6.在您人生中最艰难的一段时间发生在什么时候,怎么克服的?

本科毕业之前遇到911加非典,导致之后签证极其困难:一签被拒,二签被check。当时说只check 4个月,结果一等就是一年。感谢太太那时候每天的陪伴和鼓励,家人的支持 还有研究生学校愿意保留offer. 那一年得到了不少科研的经验和宝贵的人生阅历,感谢在王梅祥老师那里体验到了不对称酶催化和超分子化学的前沿,也感谢杨震老师再次收留了我继续深造, 为之后全合成研究和钯化学打下了基础。

7.您平时喜欢吃什么?(如果是菜肴的话在哪里吃的最好吃?)

我平时不挑食,基本什么都爱吃。如果非要找一个,海鲜类还是很喜欢的,毕竟是从小海边长大的。疫情期间很少在餐馆里吃,外卖感觉味道都不太好。 如果疫情可以快速结束的话,还是去饭店,刚出锅的菜最好吃。

8.自我评价一下自己最大的优点和最头疼的缺点是什么?

优点可能是不轻易相信权威,或课本里文献里说的知识, 比较critical;我觉得我的想象力还是比较丰富,哈哈。

缺点是口头表达能力不好,比较容易紧张; 若没有准备,很难说得很好。

9.如果现在突然您意外得到一周的假期,您会用它来干什么?

工作之外的时间目前主要还是做饭,照顾一下孩子们。还有就是喜欢打打球,唱歌和钓鱼。很期待可以在一个阳光明媚的海边心神宁静的钓一天鱼。

10.就您目前对您领域的了解,还有哪些瓶颈没有解决,希望您可以提出瓶颈的问题?

瓶颈太多了。。。。也是因为我们组课题比较多。就挑碳碳键活化来说吧, 1) 如何让普通的碳碳键被选择性的活化?2) 如何摆脱导向基的束缚?3)如何产生合成中更有用的碳碳键活化的方法?

11.在您领域目前最大的突破或者能在未来获得诺贝尔化学奖的成果是?

诺贝尔奖越来越难预测, you always get surprised, 各种因素太多。就不多做评价了。

12.最近您在Science上面发了题为“Carbonyl 1,2-transposition through triflate-mediated α-amination”的工作。希望老师可以就课题的研究思路以及意义上面对该课题进行一下介绍。

题目:Tf2O介导α-胺化的羰基1,2-移位。(Carbonyl 1,2-transposition through triflate-mediated α-amination)

简介

羰基广泛存在于天然产物、药物制剂和其他生物相关分子中。分子内特定位置的羰基官能团会极大地影响其生物学特性。如,熊果酸(ursolic acid)的C2-oxo类似物对糖原磷酸化酶的抑制效率提高了13倍。此外,一种简便的羰基1,2-转移策略将使从更容易获得的材料开始的替代已有合成方法成为可能。不幸的是,目前最先进的羰基迁移方法效率低,多次官能团的转变,选择性差等缺点。例如,在整个合成过程中,需要一个五步合成序列将羰基迁移到邻近的碳上。因此,开发一种通用且高效的羰基1,2-移位是非常受欢迎的。

启发

一直以来,我们对钯/降冰片烯(Pd/NBE)协同催化有着广泛的兴趣 (这要感谢我早期的一个极为优秀的学生,董哲),Catellani于1997年首次报道了这一点(Catellani Reaction)。钯/降冰片烯(Pd/NBE)协同催化的策略可以实现芳烃的高效和区域选择性双官能团化。此前,Catellani Reaction均在芳烃系统中实现,直到2019年我们报道了简单的烯基卤化物和三氟化物的第一个非芳环体系的Catellani反应(Nat. Chem. 2019, 11, 1106-1112),但当时只有碳基亲电试剂在邻位才可形成C-C键。基于此,我们设想,如果烯基三氟酸酯的α-氨基化/同位氢化反应可以实现,即,使用氮基亲电试剂,由此产生的“移位”烯胺将在水解后生成羰基1,2位移的产物。

幕后信息:

王健纯同学(2019年Nat. Chem.报道非芳环体系的Catellani反应的第一作者)使用烯基底物完成邻位烷基化后,他与我讨论了如何进一步扩展该反应。 “最初认为邻氨基化是一种没有吸引力的转化,因为烯胺产物很容易水解。”健纯回忆说,“但董教授指出,这将是一个特殊的机会,可以迁移酮中的羰基。”见识到这种转化的价值,健纯为这个反应筛选了各种条件。虽然最初的尝试没有结果,但他在芝加哥大学毕业之前,幸运地以5-10% 产率获得了的所需酮产品。

不久之后,吴钊徐小龙使用苯甲酸吗啉酯作为亲电子胺源和异丙醇作为外源氢化物对羰基迁移的反应进一步探索。然而,在筛选了各种催化剂、配体、NBE 助催化剂和溶剂后,该反应的转化率仍然较低。而双功能 H/N 试剂的设计最初旨在最大限度地减少过早的氢化,获得其他副产物。令我们高兴的是,这种氨基碳酸酯试剂不仅减少了副产物,而且大大提高了反应性,即首次尝试使用异丙基吗啉碳酸酯,以50%产率获得羰基转移的产物。受到这一令人兴奋的结果的启发, 吴钊合成了一系列具有各种电子和空间性质的 H/N 试剂,并最终找出了这种转化的最佳试剂。

结束语:

该反应提供了一种简洁高效的羰基 1,2-移位的方法。我们希望它可以有利于药物化学家的后期功能化,并为合成化学家提供替代的逆合成策略。

13.下一次您推荐我们采访谁。(此问题回答仅限中国的化学家以及在海外的华人化学家)。

想推荐匹兹堡大学的刘鹏老师!

笔者后记

早在2015年Chem-Station小编就对董广彬教授做过专访,那是董教授还在得克萨斯大学奥斯汀分校。时间一晃而过,董老师在学术领域有了更多的精彩的工作,如羰基1.2-迁移,脱酰化策略、C(aryl)-C(aryl)单键的分子间复分解反应等。每一个工作都让人很惊讶,因此希望对董教授在一次邀请。当邀请的邮件发出去后,本以为不会收到回复。生活其实处处存在惊喜,而在4天后收到了董教授的回复。从董教授的专访中就可以看出董教授是一位幽默严谨、敢于发问师者。希望董教授的专访可以为科研工作者带来一些启发。

董广彬教授简历

教育与科研经历

  • 1999-2003 北京大学,学士(导师 杨震 陈家华)
  • 2004-2009 斯坦福大学化学系,博士(导师Barry M. Trost
  • 2009-2011 California Institute of Technology,博士研究员fellowship(指导教授 Robert H. Grubbs
  • 2011-2015  University of Texas at Austin,助教授
  • 2016-   The University of Chicago,教授

荣誉及获奖经历

  • Tetrahedron Young Investigator Award (2021)
  • Blavatnik National Awards for Young Scientists, Finalist (2020)
  • Novartis Chemistry Lectureship (2019)
  • Roche Chinese Investigator Award (2018)
  • Chan Memorial Award in Organic Synthesis (2018)
  • Kavli Fellow (NAS) (2018)
  • Arthur C. Cope Scholar (2017)
  • Eli Lilly Grantee Award (2016)
  • American Cancer Society Research Scholar (2014)
  • Amgen Young Investigator Award (2014)
  • Teaching Excellent Award, College of Natural Science, UT Austin (2014)
  • Biomatik Distinguished Junior Faculty Award (2014)
  • DuPont’s 2014 Class of Young Professors (2014)
  • Sloan Research Fellowship (2014)
  • Searle Scholar (2013)
  • National Science Foundation CAREER Award (2013-2018)
  • Thieme Synlett/Synthesis Journal Award (2012)
  • Chemistry and Molecularly Targeted Therapeutic Development Award, Center for Targeted Therapy (CTT) & Texas Institute for Drug & Diagnostic Development (TI-3D) (2012)
  • Ralph E. Powe Junior Faculty Enhancement Awards (2012)
  • Herman Frasch Foundation Award in Chemical Research (2012-2017)
  • Rom Rhome International Travel Award (2011)
  • CPRIT Award for Recruitment First-Time Tenure-Track Faculty Member (2011)
  • Reaxys Travel Award (2011)
  • IUPAC Prizes for Young Chemists, IUPAC (2010)
  • Reaxys Ph.D. Prize, Runners-up, Elsevier (2010)
  • Camille and Henry Dreyfus Environmental Chemistry Fellow (2009)
  • Beckman Postdoctoral Fellowship, Finalist (2009)
  • American Chemical Society (ACS) Travel Awards for Graduate Students, Division of Organic Chemistry (2009)
  • Chinese Government Award for Outstanding Self-Financed Students Abroad (2008-2009)
  • Larry Yung Stanford Graduate Fellowship in Science and Engineering, Stanford University (2006-2009)
  • Samsung Fellowship, Peking University (2001-2002)
  • Youlong Fellowship, Peking University (2000-2001)
  • Dupont Fellowship, Peking University (1999-2000)

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