在有机化学的广阔领域中，芳香环内杂原子的性质对杂环化合物的物理化学特性起着决定性作用。通过分子骨架的精细编辑，特别是原子替换策略，科学家们能够创造出结构多样、性质各异的化合物库，这一策略不仅贴合“原子经济”与“绿色化学”的核心理念，还为新药研发、先进材料设计等前沿领域开辟了新的道路。因此，分子骨架编辑技术近年来成为了有机化学研究的一个热点方向。
回顾近年来的研究进展，芝加哥大学的Mark D. Levin教授团队在芳环及氮杂芳环的C→N替换反应方面取得了显著成果，成功地将芳烃及喹啉转化为多种吡啶及喹唑啉衍生物（分别在《Science》和《Nature》上发表）。紧随其后，明斯特大学的Armido Studer教授课题组也通过CN→CC的原子对替换，实现了吡啶的直接骨架编辑，以模块化的方式合成了系列取代苯和萘衍生物（发表于《Nature Chemistry》）。
值得注意的是，五元芳香杂环，如呋喃，在天然产物、药物分子及农用化学品中广泛存在，其引入能系统性地调节生物活性分子的功能特性。然而，呋喃的单原子替换由于芳香杂环的固有稳定性而面临巨大挑战。这一过程通常涉及芳香性的破坏、杂原子的取代以及芳香性的重构，缺乏一个统合这些步骤的有效策略。
为了克服这一难题，韩国科学技术院（KAIST）的Yoonsu Park教授研究团队近日在《Science》上发表了一项突破性成果，他们利用光催化策略成功实现了呋喃的氧原子向氮原子的替换，将呋喃转化为一系列吡咯类似物。这一策略不仅实现了复杂分子的后期转化，还为生物活性分子的构建提供了新途径。
该团队发现，通过单电子转移引发的极性反转，可以在室温下启动氧化还原中性的原子交换过程。与以往需要高温或高能紫外线照射的反应相比，这一方法更为高效且易于操作。在光氧化还原催化的作用下，呋喃与胺发生分子间亲核试剂-亲核试剂偶联反应，经过一系列中间体转化，最终构建出吡咯结构。
为了验证这一策略的可行性，作者以3-苯基呋喃和枯基胺为模板底物，对反应条件进行了优化。在最佳条件下，该反应能以高达92%的产率获得吡咯产物，且能以10 mmol规模进行制备。此外，作者还通过密度泛函理论（DFT）计算、激发态淬灭实验、同位素标记实验以及动力学分析等手段，对反应机理进行了深入探究。
这项研究不仅为呋喃类化合物的单原子替换提供了一种新的策略，还为其他芳香杂环的类似转换提供了启示。未来，这一策略有望在药物合成、材料科学等领域发挥重要作用，推动相关领域的快速发展。
Photocatalytic furan-to-pyrrole conversion
Donghyeon Kim, Jaehyun You, Da Hye Lee, Hojin Hong, Dongwook Kim, Yoonsu Park
Science, 2024, 386, 99-105. DOI: 10.1126/science.adq6245
