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本科生的失误操作,反而拿下《Nature》?细读19页论文我释然了...

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01、本科生失误操作反而登上《Nature》?

最近一篇化学论文刷爆全网!国科大杭州高等研究院张夏衡老师团队,在Nature发表论文《Direct deaminative functionalization with N-nitroamines》,提出了一种全新的有机化学反应!辉瑞总监在审稿意见中直呼“真正的杰作”!


打开杭高院的官网,首页就是喜报

网友们也都嗨翻了天!这是我人生第一次看到有机化学上热搜!

有人说它改写了百年教科书。


有人说这反应可以直接命名为Zhang-Xue反应。


还有人说这是中国有史以来第一次出现真正的诺奖级成果。


更神的是,很多群里都在传这篇论文“背后的故事”,大概总结为:本科生失误操作竟然没爆炸,全组艺高人胆大硫酸/硝酸混着加,横批拿下Nature全靠命大。


“本科生的危险失误意外发了Nature”,这种科研爽文故事谁都爱听。但这里我必须指出:首先,杭高院,就没有本科生。

杭高院全称国科大杭州高等研究院,是19年成立的研究型机构,20年才有首批新生入学。人家只招研究生,不招本科生。


其次,根据目前找到的采访,和一张疑似是张老师团队的辟谣截图,能看出实验成果确实源于一次偶然,但研究路径都有迹可循,绝对不是什么实验人员乱加浓硝酸浓硫酸瞎开反应。


张夏衡老师师从2021年诺贝尔化学奖得主David MacMillan,来到杭高院后也是成果颇丰。下面我努力为大家解读一下张老师这篇Nature论文!


02、细读Nature原文,张组究竟做了啥?

这篇Nature论文目前发布的是未排版版本,正文共19页,但补充材料长达368页!很难想象作者是在什么精神状态下肝完这个补充材料的。


张老师团队主要优化了一个有机合成路径,把芳香胺(ArNH2)到芳香卤化物(ArX)的过程给变得更简单、更安全、成本更低。


芳香卤化物这玩意在有机合成里是相当有用啊!后面能各种交叉偶联反应,在制药、材料等领域都能大放异彩!


芳香卤化物(ArCl/ArBr/ArI)产品非常多,应用也广泛,总之丰富又有用!张老师把芳香胺转化为芳香卤是大功一件!

在这之前,大家用的都是一百多年前的古法——1858 年 Griess 发现的重氮化反应和1884 年桑德迈耳发现的Sandmeyer反应。整个过程需要小心翼翼在冰水浴中合成重氮盐,再加入氯化亚铜催化。经典是经典,但也有弊端。


Sandmeyer 经典路线↑

中间就是重氮盐,第二步还要加金属盐催化

一是重氮盐不稳定,易燃易爆炸!比如二硝基重氮酚,就是一种著名的炸药。

二是反应要加入金属卤化物作为催化剂,后面还得分离提纯,很麻烦!

相当于以前反应搞不好可能会炸,搞好了也得再提炼一波、产率打折。


我特地翻了我们有机课本找到这一页了

有一天,张老师团队本来想用吸电子试剂处理芳香胺来弱化C-N键,用了好几个试剂都没成功。当试到硝酸的时候意外发现,反应得到了N-硝基胺!


这玩意虽然100多年前就被发现了,但竟然真就没有人研究过!张老师开始研究它的性质,随后发现,它很容易就能变成芳香卤化物!

哎,好像可以不用绕路到重氮盐了!也不用加金属催化剂了!张老师早点发现,我有机教材都能少学十几页了!(当然,更可能是教科书还要增加张老师的反应,还得多学几页)


至于传闻中的张组研究生浓硫酸浓硝酸一通混合乱加,那是瞎说。论文里只说加硝酸,根本就没有硫酸什么事。


张老师团队的路线↑

这反应妙就妙在,关键的反应中间体N-硝基胺尽管不稳定,但它很快又会被后面的物质反应掉,并不会在体系里累积。所以整体比传统方式更安全可控。你看下面这路线,多温和,多舒适


反应最后还会生成笑气,祝本文读者笑口常开

正因为张老师这反应非常简单,用一锅法就能得到好产物!比如要合成治疗关节炎的依托考昔,过去要5个步骤慢慢弄,现在3个步骤一锅哐哐炖,锃光瓦亮结实的好产物就出来了!


可能因为张老师是四川大学毕业,喜欢一锅煮也合理


03、给大家展示下恢弘的科研工作量

大家别以为张老师团队就是无意中在路边捡到黄金了,这篇看似不长的论文中,有几页配图简直是恐怖如斯!

比如这个, 普通人可能只看到一堆跳舞小人,但科研人能看到背后掉了多少硕博的头发!这一页纸背后掉的至少能做顶假发!我的头皮都在发麻!


这里面每一个分子,就是他们用这个方法做的一个反应,每个反应都给出了核磁图和产率。一张图上有几十种反应物,而这样的图差不多有九张!


为了验证反应的效果,就要提纯最后的反应产物,拿到纯的物质后去打核磁。这样的事我干过,一般等核磁轮到我就要等好几天,做好多次结果还是一堆乱峰…这实验让我做的话,估计延毕好多年才能做完。

但张老师团队的补充资料里,扎扎实实368页,每个产物的实验过程都有,看看这恐怖的工作量,我光划拉着看都要好久!算了算了,这Nature我决定以后还是不发了。


找寻新的反应路径和合适的反应条件就像盲人摸象,但张老师摸出来了。不仅方法省事,产率也高!他们论文中详细做了对比,很多传统重氮路线做不了的它都能搞定,简直全能好手


现在,各位应该都大概明白张老师团队的工作有多厉害了吧!

我的化学水平显然不足以给出评价。但我个人感觉,这个工作确实值得进入有机教科书!可以在邢大本第18章的18.7节后增加一节“芳香胺的脱氨官能化”


张老师也值得教科书里一个人名反应,大家以后化学考试应该要背的

很多人都关心,它是否会问鼎诺贝 尔奖?我个人浅薄的感觉是,有机领域的诺奖似乎更偏好全新的反应机制。

比如2 021年张老师导师MacMillan 的 不对称有机催化、2022年Sharpless等人的点击化学、2010年Heck、根岸英 一、铃木章的钯催化交叉偶联反应等等。


本篇Nature让芳香胺通过N-硝胺再消去一氧化二氮的脱氨官能化算不算诺奖眼中全新化学机制?不好说,取决于诺奖委员会的喜好了。

这个反应更大的价值,可能还是在化工制药领域的实际应用!目前张老师团队已经做出了公斤级尝试,证明它可以规模化放大。化学家已经把路铺好了,等着工业界沿着这条路开干了!如果真能让药品开发更便宜,我们每个人都可能受益啊!

04、一些趣闻彩蛋

这篇文章发表神速!从投稿到录用仅一个多月!大家投稿过的都知道,文章能在一年内发出来,都算是逢凶化吉人自有天相。能在半年内发出来,我愿意给期刊主编吃斋念佛。

Nature官网有投稿全流程记录,各位可以瞻仰下,给自己论文投稿进度+10%。


由于文章太精彩,急得Nature编辑 还没排版就先发出来了!所以我们现在看到的不是最终版。在Nature上也有提醒:大家伙先看,我还在排版哈!别催!


张老师组里活动很丰富!在课题组展示网站上,能看到张老师组里团建经常去西湖周边玩,可能有自然的疗愈,就能把文章发表在自然(Nature)上。


张老师此前也表示,在杭州搞科研很不错,平台好、生活环境也好,欢迎大家来杭州!


1楼可获得《基础有机化学》教材一本

10楼可获得杭州冰箱贴一个

20楼可获得火锅底料一袋

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