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药学院焦宁团队在氮化反应研究中取得新进展，发展钯、镁共催化羧酸到腈的高效转化

北京大学

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2025年11月18日，北京大学焦宁教授团队与匹茨堡大学刘鹏教授团队在Nature Catalysis上发表题为《镁、钯共催化的羧酸到腈的后期修饰》（“Late-stage conversion of carboxylic acids to nitriles with Mg and Pd cocatalysis”）的原创性工作。研究团队发展了一种以钯盐、镁盐协同催化，以尿素作为氮源的羧酸高效制备腈类产物的新方法。通过双金属协同催化与焓变-熵变综合驱动，该方法温和地活化了惰性羧酸并完成腈的生成这一热力学不利的转化，实现了多官能团复杂羧酸的后期氰化修饰。

论文截图

复杂分子通常含有多元官能团，在药物及生物活性分子中具有重要作用。然而，由于官能团之间的兼容性问题，其合成与修饰往往需经历多步反应，因此发展高选择性的转化方法至关重要。含腈类化合物在药物及复杂分子中展现出广泛的应用价值，其高效合成一直备受关注。另一方面，羧酸来源广泛、易于获取，是理想的合成前体。若能实现从羧酸到腈的直接转化，将可快速构建结构丰富的腈类化合物库，具有重要的合成价值。然而，该转化过程存在显著的热力学与动力学壁垒，开发一种通用、温和且高效的合成方法，仍是该领域尚未解决的关键挑战。

羧酸制备腈的挑战

焦宁团队长期致力于发展基于级联活化和熵增重构的氮化反应策略（nitrogenation strategy）研究，旨在为高附加值含氮分子的精准、高效合成提供系统性解决方案（Acc. Chem. Res. 2025, 58, 1003；Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1137），其代表性工作主要包括以下三类转化体系：基于碳碳单键断裂的胺化反应（Nat. Chem. 2019, 11, 71；Science 2020, 367, 281；J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 40078）；基于碳碳双键断裂的复杂烯烃重构合成腈类化合物（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11692; Science 2025, 387, 1083）; 基于苯环开环策略合成烯基腈类产物（Nature 2021, 597, 64；J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 16963；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e20084）。

近期，焦宁团队在前期氮化反应研究基础上，借鉴生物合成途径中腈合成酶通过Mg-ATP介导的羧酸活化机制，以及脲酶中对尿素的活化机制，发展了镁、钯共催化，以尿素为氮源的羧酸直接合成腈的新方法。该体系利用尿素分解产生CO₂引发的熵增驱动，以及乙腈作为水分子接受体所提供的焓变驱动，协同克服反应能垒。反应表现出优异的官能团兼容性，可耐受对酸、碱、氧化剂及亲电试剂敏感的基团，成功实现了传统方法难以完成的多官能团复杂分子的后期氰基化修饰，且规模可达十克级，反应结束后添加剂以及未反应的原料可回收。利用15N标记尿素还能便捷合成15N标记的腈类活性分子，用于代谢示踪研究。值得关注的是，机理实验与DFT计算共同揭示了一种有趣的反应机制：镁中心催化羧酸对尿素进行亲核加成与取代，从而同步活化两种惰性反应物（羧酸与尿素）。这一发现为发展羧酸与尿素参与的新反应提供了机制新视角。