摘要：在有机合成的世界里，如何在一条碳链上“点石成金”，把功能基团准确安装到预设位置，是化学家们长期追求的目标。然而，对于多取代烯烃这类复杂分子，潜在的反应位点众多且彼此相似，精确“挑选”其中一个进行改造，堪称化学界的“选择困境”。传统的烯烃双官能化虽然高效，却往往
新型链识别策略，精准实现多取代烯烃的“头尾”碳硼化
在有机合成的世界里，如何在一条碳链上“点石成金”，把功能基团准确安装到预设位置，是化学家们长期追求的目标。然而，对于多取代烯烃这类复杂分子，潜在的反应位点众多且彼此相似，精确“挑选”其中一个进行改造，堪称化学界的“选择困境”。传统的烯烃双官能化虽然高效，却往往被双键位置所“绑架”，缺乏足够的灵活性。要想突破这一瓶颈，需要一种能“漫步”碳链、同时又能识别复杂环境的策略。
今日，武汉大学阴国印教授和李阳阳副研究员报道了一种基于镍催化的“头尾碳硼化”反应。他们借鉴生物链识别的概念，通过配体构建空间位阻梯度，实现了对多取代烯烃的精确位点控制。这一方法不仅能高效偶联多种碳亲电试剂与复杂底物，还能应用于天然产物与功能材料的简化合成，为有机合成化学打开了新思路。相关成果以“Head–tail carboboration of multisubstituted alkenes enabled by chain recognition”为题发表在《Nature Chemistry》上，第一作者为孔维宇，Dong Wu, 魏红为共同一作。
这是继阴国印教授和李阳阳副研究员《Science》之后的又一大作。
作者首先回顾了传统方法的困境。多取代烯烃由于取代基数量多、三维结构复杂，催化剂在“链游走”过程中会遇到大量相似的潜在位点（图1a, b）。这就像走在一条分岔路极多的迷宫里，常常难以确定出口。为了解决这一问题，团队借鉴了生物系统的链识别原理。例如赖氨酸甲基转移酶在修饰组蛋白时，依赖氢键和疏水作用精准识别目标位点（图1c）。受此启发，他们提出了一个空间受控的链游走模型：通过设计带有逐级立体位阻的配体，迫使金属中心偏向远端位置，实现对多取代烯烃的头尾碳硼化（图1d）。这一思路，犹如给催化剂装上了“导航系统”，从而能在复杂环境中准确找到目的地。
图1：展示多取代烯烃位点选择的挑战、生物链识别的启发，以及本研究提出的空间受控链识别模型。
应范围的系统验证
在优化了条件后，研究人员验证了该策略的普适性。他们发现，不仅一级、二级卤代烷可作为良好亲电试剂，连惰性较高的氯代烷也能顺利偶联，生成目标产物（图2a）。更令人兴奋的是，该体系对芳基卤代物也表现出良好兼容性，吡啶、吲哚、噻吩等杂环结构同样适用（图2b）。在烯烃底物方面，体系展现了惊人的识别能力。无论是对称还是非对称二取代烯烃，均能稳定获得高选择性的头尾产物。即便面对三取代环烯烃或复杂的萜类天然产物，催化剂依然能保持极高的位点与立体控制（图2c, d）。更令人印象深刻的是，在多支链烯烃体系中，它几乎总能“跳过”拥挤的近端位点，选择最远的末端进行转化，充分展示了链识别的力量（图2e）。
图2：反应适用范围，包括不同卤代物、对称/非对称二取代烯烃、三取代环烯烃及萜类等复杂底物的高选择性转化
机制探秘——如何实现“只选对的，不选难的”
为了揭开其选择性的来源，团队进行了氘标记实验和密度泛函理论（DFT）计算。结果显示，在金属游走过程中，氢的消除与插入并非完全随机，而是表现出方向性：甲基上的氢更难被消除，而亚甲基更容易，这与热力学和动力学能垒差异一致（图3a, b）。进一步的动力学同位素效应（KIE）研究表明，速率决定步骤并不是链游走本身，而是后续的氧化加成过程（图3c, d）。结合空间位阻的拓扑分析（图3e），研究人员确认：是配体构建的“立体位阻梯度”在驱动金属向远端迁移。这种“空间引导”机制，使得复杂多取代烯烃的头尾碳硼化成为可能。换句话说，催化剂不仅会“走路”，还能“择路”。
图3：机制研究结果，揭示链游走方向性、速率决定步骤及空间位阻梯度对选择性的决定作用。
应用拓展——从太阳能电池到天然产物合成
为了展示方法的价值，团队将其应用到多个方向。首先，他们在克级规模下顺利完成反应，并通过衍生转化（如硫代化、Matteson延长、溴化、甲酰化等）证明产物的多样化潜力（图4a）。这为构建大分子库和材料分子提供了新手段。其次，该方法在功能材料前体的合成上展现出巨大优势。研究人员利用它快速制备了液晶材料关键中间体（图4b）、潜在分子导线的核心片段（图4c），以及与爬行动物分泌物相关的天然产物dianeackerone的合成前体（图4d）。相比以往动辄六步、九步甚至十六步的路线，这一策略实现了大幅简化。可以说，链识别催化就像为合成路线装上了“直通车”，极大提升了效率。
图4：应用拓展，涵盖大分子衍生转化、液晶材料、分子导线及天然产物的高效合成实例。
小结
本文首次建立了一个基于链识别的镍催化模型，解决了多取代烯烃在迁移双官能化中长期存在的选择性难题。这一策略兼具高区域选择性和高底物普适性，不仅能高效偶联多种碳亲电试剂，还能在天然产物和功能材料合成中发挥巨大作用。未来，这一“头尾碳硼化”方法有望推动合成化学更加灵活和高效地服务于药物研发、材料科学和生命科学。可以预见，随着链识别概念被进一步拓展，化学家们或许能更自由地在分子骨架上“安家布屋”，实现真正意义上的可编程分子设计。
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来源：老周讲科学
