在有机化学中，杂环化合物的合成是构建复杂分子结构的关键，尤其是五元杂环如呋喃和吡咯因其独特的电子特性和生物活性而备受关注。这些化合物的性质和活性很大程度上取决于环中的杂原子，但系统性地研究单个原子的影响在合成上存在挑战，主要是由于原子交换过程中的热力学不匹配问题。传统的合成方法需要多步骤、线性合成，增加了合成的复杂性，并限制了对这些化合物性质的深入研究。因此，开发一种能够在温和条件下直接将呋喃转化为吡咯的新方法对于推动有机合成化学、药物化学以及材料科学等领域的发展具有重要的科学意义和应用价值，【1】。

2024年10月3日，Donghyeon Kim 等研究学者在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为 Photocatalytic furan-to-pyrrole conversion 的研究论文【2】。研究成功实现了一种光催化策略，该策略能够在室温下通过单电子转移启动氧化中性的原子交换过程，将呋喃直接转化为吡咯。这一方法具有广泛的适用性，能够应用于多种呋喃和氮源，包括药物发现过程中常用的有机胺和氨替代物。

主要研究内容和结果

光催化策略：

研究者们开发了一种光催化策略，能够在室温下通过单电子转移启动氧化中性的原子交换过程，直接将呋喃转化为吡咯。该策略成功实现了呋喃中的氧原子与氮基团的交换，生成了吡咯类似物，这一过程在单一的分子间反应中完成。该法对于多种呋喃衍生物和氮亲核试剂具有广泛的兼容性，包括药物发现中常用的有机胺和氨替代物。

• 后期功能化：该方法能够用于天然存在的高分子量呋喃的后期功能化，成功制备了复杂的吡咯类似物。

• 反应效率：实验中，使用3-苯基呋喃作为模型底物，通过蓝光照射，实现了高达92%的转化率。

• 反应条件：研究发现，添加B(C6F5)3能够提高反应速率，二氯甲烷被确定为最有效的溶剂，而铱基光催化剂PC2在较低的产率下产生所需的产品。

• 反应量子产率：测量得到的光催化反应的量子产率为39%，表明光催化过程的有效性。

• 反应范围：研究者们评估了各种烷基胺与呋喃的反应范围，包括一级烷基胺、含酯基和缩醛基的胺、含有额外杂环的胺等，均显示出良好的兼容性。

上述结果表明，该光催化策略为呋喃到吡咯的直接转化提供了一种高效、温和且环境友好的新方法，具有在药物发现和材料科学等领域的应用潜力。

图1. 五元杂环中的单原子交换

图2. 设计原理和概念验证研究

图3. 机理研究

图4. 反应范围

图5. 在生物活性分子中的应用

编者按：

临床意义和科研启示：

本研究提供了一种创新的光催化策略，能够在室温下通过单电子转移实现呋喃到吡咯的直接转化，这对于药物发现和自然产物的后期功能化具有重大影响。科研方面，

这项工作不仅展示了光催化在杂环化合物合成中的潜力，还为设计新型光催化剂和反应机制提供了新的思路，特别是在实现原子级别精确合成和功能分子库构建方面。

此外，该研究还强调了通过光化学手段在温和条件下实现复杂化学反应的可能性，为未来开发更环保、更高效的合成路径和药物合成策略提供了重要的科学基础。

原文链接：

【1】A. Frühauf, M. Behringer, F.-J. Meyer-Almes, Molecules 28, 5686 (2023).

【2】DOI: 10.1126/science.adq6245