2015年化學最前沿在研究什麼問題?

更新一下……以為這個答案有點被打臉的趨勢……當年還是太耐任務了啊……不過拋開Baran比年來越來越無恥的做法之外，有些東西還是得肯定。批駁地評價才是最公道的做法。以下是原答案

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謝邀。

直接奔主題了。我做有機合成，我也就對有機合成這個範疇拋個磚~必要指出的是，有機合成的目標便是用化學本領合成小分子，可以是人為計劃的，也可以是天然產品。離開了合成，我找不到有機化學的意義。由於，為了生長有機化學，有機合成要領和戰略的生長是底子。下面入正題。

起首我想說的是，有機合成範疇要想知道前沿在做什麼，只要盯著ScrippsCA的PhilS.Baran傳授看也就一清二楚。可以說，Baran傳授不停就活潑在有機化學的最前沿，研究著有機合成最具有挑釁性的一些課題。

那麼就來看看Baran傳授都有哪些研究興趣：

「…createsacomplexmolecule…inasequenceofonlyconstructionreactionsinvolvingnointermediaryrefunctionalizations,andleadingdirectlytothetarget,notonlyitsskeletonbutalsoitscorrectlyplacedfunctionality」

意思便是說，在合成巨大分子進程中，每一步都要有實質性意義，直接奔著終極目標分子，不做中途的重複繁瑣的操縱。要是說得確切些，也便是合成的經濟性題目（economies）——原子經濟性（atomeconomy）、步調經濟性（stepeconomy）和氧化還原經濟性（redoxeconomy）。我的明白是，有機合成是分子量不絕增長的進程（空話），每一個引入的片斷都應該盡大概地成為終極目標分子布局的一部分。合成步調固然越短越好（條件要包管服從，太過低效的短步調偶然也是不可取的，以是正確說應該是盡大概短）。而氧化還原經濟性在於分子的官能團化進程則是緊張的，也是很難的，即便有機合成生長到早上，你仍舊能見到許很多多合成中混合著難以克制的重複氧化/還原進程，其本質跟利用掩護基是雷同的，由於出現了化學選擇性的題目必要變化相應官能團的氧化態和性子，固然這只是此中一方面的緣故起因，也有為了進步某些反響選擇性而不得不採取的戰略題目，等等，這些都是必要在抱負合成中克制的，這也就對合成的戰略和要領提出了非常高的要求。

除了以上提到的服從題目，固然另有合成通量的題目，也便是說怎樣進步有機合成的量級（scale）。實際上很多反響在小量如毫克級別是毫無題目的，但是進步到克級別之後，反響就會出現種種題目比如產率降落、副反響增多等等，要是你和我不克不及進步有機合成的量級，這對有機合成的生長顯然是倒霉的，是高本錢的。Baran傳授也看重於克級（gram-scale）製備在合成中的表現，這點在當代合成化學家中是很不容易的。

那麼Baran傳授怎麼實行辦理這些題目呢？我想從三個方面來大略談談我的明白。

1.合成頭腦——two-phasesynthesis

這個見解開始是在他2009年頒發在Nature上關於eudesmaneterpenes合成的文章中提出的。

有這麼個圖：

他以為，萜類天然產品的合成經歷兩個階段：cyclasephase和oxidasephase，分別對應環化構建骨架和氧化官能團化構建分子氧化態的兩個緊張進程。這個見解實際上就把合成戰略題目變得簡便了，然而，做起來並不容易。舉個栗子。2014年的時間，Baran傳授在JACS上頒發了一篇名為Two-PhaseSynthesisof(?)-TaxuyunnanineD的文章：他以為，萜類天然產品的合成經歷兩個階段：cyclasephase和oxidasephase，分別對應環化構建骨架和氧化官能團化構建分子氧化態的兩個緊張進程。這個見解實際上就把合成戰略題目變得簡便了，然而，做起來並不容易。舉個栗子。2014年的時間，Baran傳授在JACS上頒發了一篇名為Two-PhaseSynthesisof(?)-TaxuyunnanineD的文章：

這顯然是對這個見解的實踐對不同錯誤？但是實現的進程可沒那麼大略。第一步是環化構建骨架，這在2012年他的NatureChemistry文章里已經實現了Scalableenantioselectivetotalsynthesisoftaxanes：

關鍵反響是Diels-Alder反響，一步兩個環，很簡便高效，難怪是我老闆最喜好的兩個反響之一（另一個是3,3-sigma重排）。

然而題目來了，第二步氧化官能團化進程怎麼實現？通常很多萜類天然產品是高度氧化官能團化的，這就出現了底子題目——選擇性氧化的題目，這對反響計劃的化學選擇性提出了非常高的要求（扯點題外話，Baran傳授提出的無掩護基合成也便是PGF頭腦，核心題目便是化學選擇性題目）。那麼Baran傳授怎麼做的呢？一個字，篩！詳細怎麼篩，大家有機遇的可以看看文獻，我就不貼圖了。篩了什麼呢，種種常見的不常見的奇稀罕怪的氧化劑都用了（Baran傳授的一大特點，篩條件狂魔），可以想像要在實行室里實現oxidasephase可真不是件容易的事兒，而Baran傳授仍舊在不絕實行，冷靜給如許的真化學家點個贊。

除了這些例子，另有其他很多天然產品的合成中Baran傳授都提到了他這個頭腦，也實行去探索這些進程，這一點還是很難過的。

2.C-Hfunctionalization碳氫鍵官能團化反響

既然1中提到了oxidasephase進程的困難，那麼辦理選擇性氧化分外是C-H鍵氧化的題目便是關鍵，這就扯到了如今比較火熱的前沿有機合成要領學研究範疇——C-Hactivation碳氫鍵活化。這是一個大坑，一兩句話闡明白是很難的。提及這個範疇，大概開始想到的同樣是ScrippsCA的YuJinquan傳授，但是Yu傳授不做全合成啊，以是應用嘛，看不出來（偶然得罪，請大家輕拍~）。相比之下我更喜好Baran傳授在這範疇中的事變，由於他的事變直策應用到合成中，固然他在應用時並不美滿是針對oxidasephase。我舉幾個最靠近這一見解的例子吧。

這篇文章著實提及來某些方面還是有點「old-fashioned」，著實看過就知道，這篇文章的關鍵反響只不過是一個比較老的人名反響Hofmann?

Lo?ffler?Freytag(HLF)reaction

能發到JACS，我看多數也多虧了他的two-phasesynthesis這個見解。不過難過的是，即便是老反響，Baran傳授也能用得非常妙，用完之後還要細緻思索總結，並進一步實行其他方案試圖實現選擇性的多樣化，這點還是很不容易的，至少他敢做。我本科老闆總是歌頌這才是真正的化學研究。

還是要提一下，在此之前呢，Baran傳授已經在2013年完成了cyclasephase的事變，也便是下面這篇Angewandte：

還是給大家貼一張小圖吧，取自上面這篇文章：

再來看看別的一個例子，值得一提的是仍舊是之條件到的HLF反響，Baran傳授這次卻玩兒了點新格式，實現了C-O鍵而不是通常的C-N鍵的形成。只不過這是一篇2009年的Nature，也便是最開始我貼的那張two-phasesynthesis圖的源頭。

那麼這篇文章的邏輯是什麼呢？大略來說便是下面這張圖：那麼這篇文章的邏輯是什麼呢？大略來說便是下面這張圖：

前面提到了oxidasephase在實行室里實現是不容易的，這篇事變中Baran傳授小組就通過高興實現了選擇性氧化，不得不敬佩。前面提到了oxidasephase在實行室里實現是不容易的，這篇事變中Baran傳授小組就通過高興實現了選擇性氧化，不得不敬佩。

末了一個例子同樣涉及到C-N鍵的合成，這是Baran傳授2012年頒發於JACS的文章：

IntermolecularRitter-TypeC?HAminationofUnactivatedsp3

Carbons

固然所用的要領種類未幾，但是終究直接通過C-H官能團化反響來構建相應化學鍵的方法是最直接也最高效的，能將當前這麼熱門的要領和見解運用到合成中固然是很好的，終究合成還是要尋求服從，要更高，要更快。

大略大抵地先容了Baran傳授這方面的部分事變，實際上他另有更多風雅的事變，要是感興趣，可以自行查找和閱讀Baran傳授的文獻~

3.couplingreactions偶聯反響

比較典範的是他在過渡金屬催化的氧化偶聯反響以及種種烯烴相干的偶聯反響。

起重要說的是過渡金屬（重要是銅大概鐵等）催化的氧化偶聯反響，偶聯片斷一樣平常為羰基化合物（alpha位偶聯）與吲哚（3位偶聯）等。

早在2004年Baran傳授剛獨立不久，他就發明：

Whileoxidativedimerizationofenolatesis

known,theanalogousprocesswithindoles(ormetallo-enamines)

isnot.

也便是說吲哚和烯醇的氧化偶聯反響著實並沒有被報道過。而在Hapalindole和Fischerindole這類吲哚生物鹼的合成中就有大概涉及如許的偶聯反響。基於如許的假想，Baran傳授也告成地實現了這類反響的開闢和不絕生長，也實現了這些吲哚生物鹼的無掩護基合成：

由此可見這類反響是具有非常高的化學選擇性的，天然在合成中具有了較高的應用代價。並且值得一提的是，較高位阻的反響位點並不影響反響性，這對付合成季碳這類非常難以合成的布局黑白常好的要領，看看比年來上海有機所的馬大為研究員前前後後用氧化偶聯做了多少吲哚生物鹼？這類反響真的是好反響。

除此之外，Baran傳授還體系研究了烯醇之間的交錯氧化偶聯反響（heterocoupling）

相比於沒什麼用的自偶聯（homocoupling），交錯偶聯的應用卻非常遍及。偶聯能得到天然產品中非通常見的1，4-二羰基化合物布局，同樣也能實用於季碳中間的合成，非常棒的反響。並且Baran傳授也應用這些反響合成了很多天然產品，足見其應用代價。

除了氧化偶聯以外，Baran傳授也研究過烯烴之間的還原偶聯反響：

這類反響實際上是很有應用代價的，由於雙鍵是有機合成中非通常見的官能團，要是在符合的條件下實現兩個雙鍵的偶聯，可以省去很多氧化還原和官能團修飾調解來直接實現C-C鍵的形成。

不但可以分子間反響，也可以分子內反響，這也為Baran傳授的cyclasephase的研究提供了有利的東西。固然由於其自由基機理的一些題目，在某些特別體系這個反響會出現一些題目，但是並沒幹系礙這一反響的普適性應用。不但可以分子間反響，也可以分子內反響，這也為Baran傳授的cyclasephase的研究提供了有利的東西。固然由於其自由基機理的一些題目，在某些特別體系這個反響會出現一些題目，但是並沒幹系礙這一反響的普適性應用。

除此之外，另有一系列氫胺化反響的研究——也便是雙鍵與含氮片斷的偶聯得到胺類化合物的反響：

生物鹼類天然產品云云繁多，天生C-N鍵的反響要領也有很多，但是直接從雙鍵出發產生氫胺化反響的要領卻並未幾見。固然啦，這個要領缺陷在於如今還只能做芳香胺。

別的Baran傳授還將雷同的反相應用到氫甲基化反響，得到非活化雙鍵情勢上加成甲烷的產品：

總之在偶聯反響的範疇，Baran傳授也做出了很多非常具有創造性的研究，合成技能的生長是抱負合成的基石，要是Baran傳授連續生長這些要領，並用於高效的合成中，那麼合成也就會越來越有美感，越來越實用。

=====================我是填坑完成的支解線================

綜上所述，從Baran傳授的研究方向來看，我想有機合成範疇最前沿重要還是研究這三方面的題目：

抱負合成的探索

高效實用的碳氫鍵官能團化反響的開闢和應用

一些高效偶聯反響的研究

以上是我的一點小小的鄙見，此中必有很多不敷，終究我的程度也有限，還必要好好學習一個~

如有題目，還望專業人士指出，我也要好好學習。末了，謝謝閱讀。

附：

關於抱負合成與合成經濟性的部分參考文獻